CN103219989A

CN103219989A - 高线性σ-δ闭环加速度计接口电路

Info

Publication number: CN103219989A
Application number: CN2013101331971A
Authority: CN
Inventors: 刘晓为; 徐宏林; 周佳骏; 杨健; 刘亮; 陈松; 尹亮; 付强
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2013-07-24

Abstract

高线性Σ-Δ闭环加速度计接口电路，属于MEMS惯性器件领域，本发明为解决目前的Σ-Δ闭环加速度计接口电路环路增益低，敏感结构质量块位移大，导致电荷电压转换非线性增加，输出信号谐波成分增强的问题。微机械加速度计敏感结构通过本发明的电荷检测\相关双采样保持电路、相位补偿电路、第一级积分器电路、第二级积分器电路、求和电路、比较器相连接；比较器的输出端与微机械加速度计敏感结构的质量块反馈端相连；比较器的输出端输出系统位流信号。本发明相对于传统的反馈结构大大提高了系统环路的增益，增大了静电反馈力，减小了质量块位移，降低了信号检测和处理电路的非线性，提高了Σ-Δ闭环加速度计接口电路的性能。

Description

高线性Σ-Δ闭环加速度计接口电路

技术领域

本发明适用于MEMS惯性器件领域，涉及一种高线性Σ-Δ闭环加速度计接口电路。

背景技术

在MEMS惯性器件领域，由于集合了MEMS工艺和IC工艺为一体的技术优势，电容式微机械加速度传感器得到非常广泛的认可和应用。在现有的各种高阶微机械Σ-Δ加速度计接口电路中，当机械结构的低频增益较低时，由于接口电路的固有系统结构缺陷导致环路增益较低，降低了闭环应用的效果。系统环路增益较低会导致机械结构质量块位移增大，提高了电荷转换过程的非线性，增加了系统输出的谐波分量，降低了系统的性能，甚至会导致系统的不稳定性。目前Σ-Δ闭环加速度计接口电路的报道主要集中于差分的电路结构，由于其固有的类似反馈式调制器结构，其只能满足特定的高低频增益机械结构。

发明内容

本发明目的是为了解决目前的Σ-Δ闭环加速度计接口电路固有系统结构缺陷导致环路增益较低，机械结构质量块位移大，电荷转换过程的非线性高，系统输出的谐波分量较大，不适用于低频增益不高的机械结构的问题，提供了一种高线性Σ-Δ闭环加速度计接口电路。

本发明是一种高线性Σ-Δ闭环加速度计接口电路，它包括电荷检测\相关双采样保持电路、相位补偿电路、第一级积分器电路、第二级积分器电路、求和电路、比较器；微机械加速度计敏感结构的输出端与电荷检测\相关双采样保持电路的输入端相连；电荷检测\相关双采样保持电路的输出端与相位补偿电路的输入端相连；相位补偿电路的输出端与第一级积分器电路的输入端、求和电路的第一输入端相连；第一级积分器电路的输出端与第二级积分器电路的输入端、求和电路的第二输入端相连；第二级积分器电路的输出端与求和电路的第三输入端相连；求和电路的输出端与比较器的输入端相连；比较器的输出端与微机械加速度计敏感结构的质量块反馈端相连；比较器的输出端输出系统位流信号；所述电荷检测\相关双采样保持电路由开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、电容Cf、电容C1、电容C2、运算放大器OP1、运算放大器OP2组成；开关S1的一端是电荷检测\相关双采样保持电路的输入端；开关S1的另一端与运算放大器OP1的反向输入端、开关S2的一端、电容Cf的一端都相连；运算放大器OP1的同向输入端接地；运算放大器OP1的输出端、开关S2的另一端、电容Cf的另一端都与电容C1的一端相连；电容C1的另一端与开关S3的一端、开关S4的一端都相连；开关S3的另一端接地；开关S4的另一端与电容C2的一端、运算放大器OP2的同向输入端都相连；电容C2的另一端接地；运算放大器OP2的反向输入端与运算放大器OP2的输出端相连为电荷检测\相关双采样保持电路的输出端；相位补偿器由运算放大器、开关、电容网络组成，开关S5实现信号的采样，开关S6实现积分电容的复位，开关S7实现信号的积分，形成一个低频的零点，从而对高阶系统进行相位补偿，相位补偿器实现的离散域传递函数如下式所示：

Figure 2013101331971100002DEST_PATH_IMAGE002

式中的α由开关电容网络的采样电容和积分电容的比值确定；第一级积分器电路由开关S81、开关S82、开关S91、开关S92、电容C6、电容C7、运算放大器OP3组成；开关S81的一端是第一级积分器电路的输入端；开关S81的另一端与开关S91的一端、电容C6的一端都相连；开关S91的另一端接地；电容C6的另一端与开关S82的一端、开关S92的一端相连；开关S82的另一端接地；开关S92的另一端与运算放大器OP3的反向输入端、电容C7的一端都相连；运算放大器OP3的正向输入端接地；电容C7的另一端、运算放大器OP3的输出端相连为第一级积分器电路的输出端；第二级积分器电路由开关S83、开关S84、开关S93、开关S94、电容C8、电容C9、运算放大器OP4组成；开关S83的一端为第二级积分器电路的输入端；开关S83的另一端与开关S93的一端、电容C8的一端都相连；开关S93另一端接地；电容C8的另一端与开关S84的一端、开关S94的一端都相连；开关S84的另一端接地；开关S94的另一端与运算放大器OP4的反向输入端、电容C9的一端都相连；运算放大器OP4的正向输入端接地；电容C9的另一端与运算放大器OP4的输出端相连为第二级积分器电路的输出端；求和电路由开关S85、开关S86、开关S87、开关S88、开关S95、开关S96、开关S97、电容C10、电容C11、电容C12组成；开关S85的一端为求和电路的第一输入端；开关S86的一端为求和电路的第二输入端；开关S87的一端为求和电路的第三输入端；S87的另一端与开关S97的一端、电容C12的一端都相连；开关S97的另一端接地；开关S86的另一端与开关S96的一端、电容C11的一端都相连；开关S96的另一端接地；开关S85的另一端与开关S95的一端、电容C10的一端都相连；开关S95的另一端接地；电容C10的另一端、电容C11的另一端、电容C12的另一端都与开关S88的一端相连为求和电路105的输出端；开关S88的另一端接地；综上所述，所有开关的控制步骤如下：

第一步，开关S1先闭合然后断开，同时S2闭合，电荷检测\相关双采样保持电路进行检测准备阶段后S2断开；

第二步，开关S3闭合，此时S4断开，此时电容C1上存储噪声电压，然后开关S3断开，开关S4闭合，检测出信号。S4开关时序跟S3相反；

第三步，开关S5、开关S6、开关S7依次闭合，开关S5与开关S81、开关S82、开关S83、开关S84、开关S85 、开关S86、开关S87、开关S88的时序都相同，实现信号的采样；开关S6实现积分电容的复位，形成一个低频的零点，从而对高阶系统进行相位补偿，开关S7与开关S91、开关S92、开关S93、开关S94、开关S95、开关S96、开关S97时序相同，实现信号的积分；

第四步，积分器和求和电路进行积分与求和复位操作；

第五步，比较器106内开关clkp与开关clkn时序相反，比较器将输出反馈给微机械加速度计敏感结构，此过程不断循环下去。

本发明的优点：本发明采用了一种类似前馈式调制器结构，在采用前置相位补偿，保证高阶系统稳定性的基础上，大大提高了接口电路部分的环路增益，使得接口电路在和具有较低低频增益的机械结构构成加速度计系统时也具有较大的环路增益，提高了系统的线性度，提升了系统的性能，并且拓宽了接口电路的兼容性。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括电荷检测\相关双采样保持电路101、相位补偿电路102、第一级积分器电路103、第二级积分器电路104、求和电路105、比较器106；微机械加速度计敏感结构100的输出端与电荷检测\相关双采样保持电路101的输入端相连；电荷检测\相关双采样保持电路101的输出端与相位补偿电路102的输入端相连；相位补偿电路102的输出端与第一级积分器电路103的输入端、求和电路105的第一输入端相连；第一级积分器电路103的输出端与第二级积分器电路104的输入端、求和电路105的第二输入端相连；第二级积分器电路104的输出端与求和电路105的第三输入端相连；求和电路105的输出端与比较器106的输入端相连；比较器106的输出端与微机械加速度计敏感结构100的质量块反馈端相连；比较器106的输出端输出系统位流信号；所述电荷检测\相关双采样保持电路101由开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、电容Cf、电容C1、电容C2、运算放大器OP1、运算放大器OP2组成；开关S1的一端是电荷检测\相关双采样保持电路101的输入端；开关S1的另一端与运算放大器OP1的反向输入端、开关S2的一端、电容Cf的一端都相连；运算放大器OP1的同向输入端接地；运算放大器OP1的输出端、开关S2的另一端、电容Cf的另一端都与电容C1的一端相连；电容C1的另一端与开关S3的一端、开关S4的一端都相连；开关S3的另一端接地；开关S4的另一端与电容C2的一端、运算放大器OP2的同向输入端都相连；电容C2的另一端接地；运算放大器OP2的反向输入端与运算放大器OP2的输出端相连为电荷检测\相关双采样保持电路101的输出端；相位补偿器102由运算放大器、开关、电容网络组成，开关S5实现信号的采样，开关S6实现积分电容的复位，形成一个低频的零点，从而对高阶系统进行相位补偿，开关S7实现信号的积分，相位补偿器实现的离散域传递函数如下式所示：

式中的α由开关电容网络的采样电容和积分电容的比值确定；第一级积分器电路103由开关S81、开关S82、开关S91、开关S92、电容C6、电容C7、运算放大器OP3组成；开关S81的一端是第一级积分器电路103的输入端；开关S81的另一端与开关S91的一端、电容C6的一端都相连；开关S91的另一端接地；电容C6的另一端与开关S82的一端、开关S92的一端相连；开关S82的另一端接地；开关S92的另一端与运算放大器OP3的反向输入端、电容C7的一端都相连；运算放大器OP3的正向输入端接地；电容C7的另一端、运算放大器OP3的输出端相连为第一级积分器电路103的输出端；第二级积分器电路104由开关S83、开关S84、开关S93、开关S94、电容C8、电容C9、运算放大器OP4组成；开关S83的一端为第二级积分器电路104的输入端；开关S83的另一端与开关S93的一端、电容C8的一端都相连；开关S93另一端接地；电容C8的另一端与开关S84的一端、开关S94的一端都相连；开关S84的另一端接地；开关S94的另一端与运算放大器OP4的反向输入端、电容C9的一端都相连；运算放大器OP4的正向输入端接地；电容C9的另一端与运算放大器OP4的输出端相连为第二级积分器电路104的输出端；求和电路105由开关S85、开关S86、开关S87、开关S88、开关S95、开关S96、开关S97、电容C10、电容C11、电容C12组成；开关S85的一端为求和电路105的第一输入端；开关S86的一端为求和电路105的第二输入端；开关S87的一端为求和电路105的第三输入端；S87的另一端与开关S97的一端、电容C12的一端都相连；开关S97的另一端接地；开关S86的另一端与开关S96的一端、电容C11的一端都相连；开关S96的另一端接地；开关S85的另一端与开关S95的一端、电容C10的一端都相连；开关S95的另一端接地；电容C10的另一端、电容C11的另一端、电容C12的另一端都与开关S88的一端相连为求和电路105的输出端；开关S88的另一端接地；综上所述，所有开关的控制步骤如下：

第一步，开关S1先闭合然后断开，同时S2闭合，电荷检测\相关双采样保持电路（101）进行检测准备阶段后S2断开；

第四步，积分器和求和电路进行积分与求和复位操作；

第五步，比较器106内开关clkp与开关clkn时序相反，比较器106将输出反馈给微机械加速度计敏感结构100，此过程不断循环下去。

工作原理：微机械加速度计敏感结构100的等效加速度信号输出端和反馈端都在该结构的质量块上。电荷检测\相关双采样保持电路101由运算放大器OP1、OP2，开关S1、S2、S3、S4以及电容C1、C2、Cf组成，通过开关控制来实现电荷信号的调制，电荷电压转换和噪声消除。相位补偿器102由运算放大器、开关电容网络组成，由开关S5、S6、S7控制实现对高阶系统的前置相位补偿，增加系统的稳定性。第一级积分器103、第二级积分器104均由运算放大器和开关电容网络组成，在多项不交叠时钟的控制下分别对前级信号进行采样和积分过程。求和单元105由开关电容网络组成，求和单元105在不交叠时钟的控制下分别进行求和和复位操作。比较器106由动态比较器和锁存器组成，比较器106在两相不交叠时钟的控制下分别进行比较和保持操作。

Claims

1.高线性Σ-Δ闭环加速度计接口电路，其特征在于它包括电荷检测\相关双采样保持电路（101）、相位补偿电路（102）、第一级积分器电路（103）、第二级积分器电路（104）、求和电路（105）、比较器（106）；微机械加速度计敏感结构（100）的输出端与电荷检测\相关双采样保持电路（101）的输入端相连；电荷检测\相关双采样保持电路（101）的输出端与相位补偿电路（102）的输入端相连；相位补偿电路（102）的输出端与第一级积分器电路（103）的输入端、求和电路（105）的第一输入端相连；第一级积分器电路（103）的输出端与第二级积分器电路（104）的输入端、求和电路（105）的第二输入端相连；第二级积分器电路（104）的输出端与求和电路（105）的第三输入端相连；求和电路（105）的输出端与比较器（106）的输入端相连；比较器（106）的输出端与微机械加速度计敏感结构（100）的质量块反馈端相连；比较器（106）的输出端输出系统位流信号；所述电荷检测\相关双采样保持电路（101）由开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、电容Cf、电容C1、电容C2、运算放大器OP1、运算放大器OP2组成；开关S1的一端是电荷检测\相关双采样保持电路（101）的输入端；开关S1的另一端与运算放大器OP1的反向输入端、开关S2的一端、电容Cf的一端都相连；运算放大器OP1的同向输入端接地；运算放大器OP1的输出端、开关S2的另一端、电容Cf的另一端都与电容C1的一端相连；电容C1的另一端与开关S3的一端、开关S4的一端都相连；开关S3的另一端接地；开关S4的另一端与电容C2的一端、运算放大器OP2的同向输入端都相连；电容C2的另一端接地；运算放大器OP2的反向输入端与运算放大器OP2的输出端相连为电荷检测\相关双采样保持电路（101）的输出端；相位补偿器（102）由运算放大器、开关、电容网络组成，开关S5实现信号的采样，开关S6实现积分电容的复位，形成一个低频的零点，从而对高阶系统进行相位补偿，开关S7实现信号的积分，相位补偿器实现的离散域传递函数如下式所示：

式中的α由开关电容网络的采样电容和积分电容的比值确定；第一级积分器电路（103）由开关S81、开关S82、开关S91、开关S92、电容C6、电容C7、运算放大器OP3组成；开关S81的一端是第一级积分器电路（103）的输入端；开关S81的另一端与开关S91的一端、电容C6的一端都相连；开关S91的另一端接地；电容C6的另一端与开关S82的一端、开关S92的一端相连；开关S82的另一端接地；开关S92的另一端与运算放大器OP3的反向输入端、电容C7的一端都相连；运算放大器OP3的正向输入端接地；电容C7的另一端、运算放大器OP3的输出端相连为第一级积分器电路（103）的输出端；第二级积分器电路（104）由开关S83、开关S84、开关S93、开关S94、电容C8、电容C9、运算放大器OP4组成；开关S83的一端为第二级积分器电路（104）的输入端；开关S83的另一端与开关S93的一端、电容C8的一端都相连；开关S93另一端接地；电容C8的另一端与开关S84的一端、开关S94的一端都相连；开关S84的另一端接地；开关S94的另一端与运算放大器OP4的反向输入端、电容C9的一端都相连；运算放大器OP4的正向输入端接地；电容C9的另一端与运算放大器OP4的输出端相连为第二级积分器电路(104)的输出端；求和电路（105）由开关S85、开关S86、开关S87、开关S88、开关S95、开关S96、开关S97、电容C10、电容C11、电容C12组成；开关S85的一端为求和电路(105)的第一输入端；开关S86的一端为求和电路(105)的第二输入端；开关S87的一端为求和电路(105)的第三输入端；S87的另一端与开关S97的一端、电容C12的一端都相连；开关S97的另一端接地；开关S86的另一端与开关S96的一端、电容C11的一端都相连；开关S96的另一端接地；开关S85的另一端与开关S95的一端、电容C10的一端都相连；开关S95的另一端接地；电容C10的另一端、电容C11的另一端、电容C12的另一端都与开关S88的一端相连为求和电路(105)的输出端；开关S88的另一端接地；综上所述，所有开关的控制步骤如下：

第二步，开关S3闭合，此时S4断开，此时电容C1上存储噪声电压，然后开关S3断开，开关S4闭合，检测出信号，S4开关时序跟S3相反；

第四步，积分器和求和电路进行积分与求和复位操作；

第五步，比较器(106)内开关clkp与开关clkn时序相反，比较器(106)将输出反馈给微机械加速度计敏感结构(100)，此过程不断循环下去。