CN103354447A - 一种mems谐振器补偿系统 - Google Patents

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董靓
周志健
刘政谚
许国辉
邝国华
冯良
杨恒
李昕欣
卢煜旻
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Abstract

本发明公开了一种MEMS谐振器补偿系统包含MEMS芯片，模数转换器，补偿模块，电荷泵和MEMS驱动电路，其中MEMS芯片包含温度传感器和MEMS谐振器，模数转换器将温度传感器的温度电压信号转换为温度数字信号，补偿模块根据温度数字信号改变输出电压，电荷泵根据输出电压调节MEMS谐振器的偏压，从而调节MEMS谐振器的频率以对MEMS谐振器进行补偿。本发明通过补偿模块根据温度数字信号改变输出电压来调节MEMS谐振器的偏压，从而调节MEMS谐振器的频率来进行补偿，该补偿能够在kHz量级或MHz量级下进行，因此有效地减少了电流消耗。

Description

一种MEMS谐振器补偿系统
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种MEMS谐振器补偿系统。
背景技术
谐振器是电子系统的核心，目前石英谐振器在谐振器中占主导地位。最近出现的微机电系统（MEMS）谐振器可以在应用上替代石英谐振器。MEMS谐振器是一个终端设备，终端被驱动，传感和施加偏压。偏压端子需要被施加高电压，而驱动和感测端子连接MEMS驱动电路以维持它的振荡。
MEMS谐振器的频率会随着温度而变化，频率的变化与温度通常呈线性关系，频率随温度变化的变化系数为大约-31ppm/℃。假设没有补偿，当温度从-40℃变化至85℃时，MEMS谐振器的输出频率变化可以达到5125ppm，造成MEMS的输出频率严重不稳定，因此需要对MEMS谐振器进行频率补偿。
图1是现有技术的MEMS谐振器补偿系统。如图1所示，现有技术的MEMS谐振器补偿系统使用小数分频锁相环对所述MEMS谐振器进行补偿。MEMS谐振器补偿系统，包含MEMS芯片11，模数转换器12，补偿模块13，电荷泵14，MEMS驱动电路15和分频器16，其中MEMS芯片11包含温度传感器111和MEMS谐振器112，所述补偿模块13包含存储器131，数字控制与处理132和小数分频锁相环133。
MEMS谐振器112经过MEMS驱动电路15振荡出固定频率，其中偏压是固定的，现有技术通过补偿模块13的一个小数分频锁相环来补偿MEMS谐振器因为温度的变化所带来的频率变化。具体地，温度传感器111被嵌入在MEMS谐振器112的同一芯片中来感测温度，温度传感器111的温度模拟信号通过模数转换器（ADC）12被数字化为温度数字信号。温度数字信号的数值会与存储在存储器131内的调整值经过处理，然后控制小数分频锁相环133的倍频来对MEMS谐振器112进行频率补偿。
具体补偿方法可以参考如下示例。例如，在室温下，MEMS谐振器的输出频率为50MHz，小数分频锁相环倍频为40.0，小数分频锁相环输出频率为2GHz，这个2GHz的频率会被分频到20MHz来作为MEMS谐振器的输出。但是如果温度上升到100摄氏度，MEMS谐振器输出频率则降低到49.88685MHz，被模数转换器数字化后再经过处理之后，小数分频锁相环的倍频需要变为40.09072531，才可以保持2GHz的输出频率。其中，这个倍频值是经过实际测量并存储在存储器中的校准数据。
由此可知，现有技术的MEMS谐振器采用的小数分频锁相环的输出频率为GHz量级（2GHz），由于小数分频锁相环在GHz量级（2GHz）下运行，电流消耗为大约30mA。采用这种方法最主要的弊端就是补偿系统要在GHz的量级下进行补偿，因此消耗大量的电流。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种MEMS谐振器补偿系统，能够在KHz量级或MHz量级下对MEMS谐振器进行补偿，因此减少电流消耗。
本发明公开了一种MEMS谐振器补偿系统，包含MEMS芯片，模数转换器，补偿模块，电荷泵和MEMS驱动电路，其中MEMS芯片包含温度传感器和MEMS谐振器，所述模数转换器将所述温度传感器的温度电压信号转换为温度数字信号，所述补偿模块根据所述温度数字信号改变输出电压，所述电荷泵根据所述输出电压调节所述MEMS谐振器的偏压，从而调节所述MEMS谐振器的频率以对所述MEMS谐振器进行补偿。
优选地，所述补偿模块包含：
存储器，用于存储校准值；
数字控制与处理器，用于将根据所述温度数字信号计算获得的计算值或从所述存储器中获取的校准值作为电压数字信号；
数模转换器，用于将所述电压数字信号转换为输出电压信号。
优选地，所述校准值为对应于温度实际测量而存储在所述存储器中的测量数据。
优选地，所述数字控制与处理器根据所述MEMS谐振器随着温度变化的频率值的降低，将所述电压数字信号进行反向增加来进行补偿。
优选地，所述数模转换器还包含数字低通滤波器，用于滤掉所述温度传感器产生的噪音。
优选地，所述数字低通滤波器的带宽为1-100Hz。
优选地，所述MEMS驱动电路用于驱动和传感所述MEMS谐振器。
优选地，所述MEMS驱动电路的输出频率为1Hz-220MHz。
优选地，所述数模转换器的输出电压为0-5.5V。
优选地，所述MEMS谐振器的频率随温度变化的变化系数为-50ppm/℃到+50ppm/℃。
本发明通过补偿模块根据所述温度数字信号改变输出电压来调节MEMS谐振器的偏压，从而调节MEMS谐振器的频率来进行补偿，该补偿能够在KHz量级或MHz量级下进行，因此有效地减少了电流消耗。
附图说明
图1是现有技术的MEMS谐振器补偿系统；
图2是本发明第一实施例的MEMS谐振器补偿系统的示意图；
图3是本发明第二实施例的MEMS谐振器补偿系统的示意图；
图4a是本发明的MEMS谐振器的无偿输出频率与温度的曲线示意图；
图4b是本发明的MEMS谐振器补偿系统的数模转换器的输出电压与温度的曲线示意图；
图4c是本发明的MEMS谐振器补偿后的输出频率与温度的曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图2是本发明第一实施例的MEMS谐振器补偿系统的示意图。如图2所示，本发明提供了一种MEMS谐振器补偿系统，包含MEMS芯片21，模数转换器（ADC）22，补偿模块23，MEMS驱动电路24和电荷泵25，其中MEMS芯片21包含温度传感器211和MEMS谐振器212，所述模数转换器22将所述温度传感器的温度电压信号转换为温度数字信号，所述补偿模块23根据所述温度数字信号改变输出电压，然后电荷泵25通过所述输出电压调节所述MEMS谐振器212的偏压，从而调节所述MEMS谐振器212的频率以对所述MEMS谐振器212进行补偿。
其中，所述MEMS驱动电路24用于驱动和传感所述MEMS谐振器212。所述MEMS驱动电路24的输出频率可以在大约1Hz-220MHz之间，优选为26MHz。所述数模转换器的输出电压通常为0-5.5V。所述MEMS谐振器的温度变化系数通常为-50ppm/℃到+50ppm/℃，优选为-31ppm/℃。
由于随着温度变化，MEMS谐振器212的频率会随着发生变化，模数转换器22将温度传感器211的温度电压信号转换为温度数字信号，补偿模块23根据温度数字信号来改变输出电压，其中输出电压的改变可以通过根据温度数字信号计算或者从已有的校准值中获得。为了更清楚了解本发明第一实施例，现在举例说明：
例如，在室温（25℃）下，MEMS振荡器频率随温度变化的变化系数为-31ppm/℃，MEMS谐振器的原输出频率为50MHz，但是当温度上升到100摄氏度，MEMS谐振器的输出频率的计算公式为：MEMS谐振器温度变化后的输出频率=原输出频率*(1-31*(变化后温度-原始温度)/1e6)。通过计算可以获知，MEMS谐振器温度变化后的输出频率为49.88685MHz，由此可知，温度上升到100摄氏度后，MEMS谐振器的输出频率降低了0.11315MHz。
若数模转换器的原输出电压为2V，MEMS谐振器的电压系数为1MHz/V。则改变后的输出电压的计算公式为：改变后的输出电压=MEMS谐振器频率降低值/电压系数+原输出电压。通过计算可以获知，改变后的输出电压为2.11315V。
需要说明的是，为了增加准确性和获取速度，通常使用实际测量存储的校准值来获得温度改变后的输出电压值。电荷泵25通过改变后的输出电压调节MEMS谐振器212的偏压，从而控制MEMS谐振器212的频率以对其进行补偿。
本发明第一实施例通过补偿模块根据所述温度数字信号改变输出电压来调节MEMS谐振器的偏压，从而调节MEMS谐振器的频率来进行补偿，由于该补偿利用偏压调整频率，不需要利用小数分频锁相环来进行调整，工作频率可以留在KHz或MHz范围（MEMS谐振器的工作频率范围）内，也就是能够在KHz量级或MHz量级下进行补偿，电流也会相应减小，可以小于10mA，因此有效地降低了电流消耗。
而且，MEMS振荡器补偿系统对MEMS振荡器进行补偿后，MEMS振荡器的输出频率的分辨率也比较精确，可以达到0.1ppm，而且保持较好的稳定性，比如在MEMS谐振器的温度从-40℃到85℃变化时，经过该补偿，MEMS谐振器输出频率能够保持小于10ppm的稳定性。
图3是本发明第二实施例的MEMS谐振器补偿系统的示意图。如图3所示，本发明又提供了一种MEMS谐振器补偿系统，包含MEMS芯片31，模数转换器（ADC）32，补偿模块33，MEMS驱动电路34和电荷泵35，其中MEMS芯片31包含温度传感器311和MEMS谐振器312，所述模数转换器32将所述温度传感器的温度电压信号转换为温度数字信号。
所述补偿模块33包含存储器331、数字控制与处理器332和数模转换器（DAC）333。其中，存储器331用于存储校准值；数字控制与处理器332用于将根据所述温度数字信号计算获得的计算值或从所述存储器331中获取的校准值作为电压数字信号；数模转换器（DAC）333用于将所述电压数字信号转换为输出电压信号。然后，所述电荷泵35通过所述输出电压调节所述MEMS谐振器312的偏压，从而调节所述MEMS谐振器312的频率以对所述MEMS谐振器312进行补偿。
具体地，在获得温度数字信号后，数字控制与处理器332根据温度数字信号计算获得输出电压的计算值，或者根据温度数字信号从存储在存储器331中查找对应的校准值，将该计算值或校准值作为电压数字信号，电压数字信号被作为输出电压值，该输出电压值再通过DAC被转换为输出电压信号。然后电荷泵根据该输出电压控制MEMS谐振器312的偏压，从而调节MEMS谐振器312的频率以对其进行补偿。
其中，所述校准值为对应于温度实际测量而存储在所述存储器中的测量数据。所述数模转换器还包含数字低通滤波器，用于滤掉所述温度传感器产生的噪音，所述数字低通滤波器的带宽通常为1-100Hz，优选为1-10Hz。
其中，所述MEMS驱动电路34用于驱动和传感所述MEMS谐振器312，所述MEMS驱动电路34的输出频率可以为20-30MHz，优选为26MHz。所述数模转换器的输出电压通常为0-5.5V。所述MEMS谐振器的温度变化系数通常为50ppm/℃到+50ppm/℃，优选为-31ppm/℃。
由于随着温度变化，MEMS谐振器312的频率会随着发生变化，模数转换器32将温度传感器311的温度电压信号转换为温度数字信号，补偿模块33的数字控制与处理器332根据温度数字信号来改变输出电压，其中输出电压的改变可以通过根据温度数字信号计算或者从存储在存储器331的校准值中获得。为了更清楚了解本发明第二实施例，现在举例说明：
例如，在室温（25℃）下，MEMS振荡器频率随温度变化的变化系数为-31ppm/℃，MEMS谐振器的原输出频率为50MHz，但是当温度上升到100摄氏度，MEMS谐振器的输出频率的计算公式为：MEMS谐振器温度变化后的输出频率=原输出频率*(1-31*(变化后温度-原始温度)/1e6)。通过计算可以获知，MEMS谐振器温度变化后的输出频率为49.88685MHz，由此可知，温度上升到100摄氏度后，MEMS谐振器的输出频率降低了0.11315MHz。
若数模转换器的原输出电压为2V，MEMS谐振器的电压系数为1MHz/V。则改变后的输出电压的计算公式为：改变后的输出电压=MEMS谐振器频率降低值/电压系数+原输出电压。通过计算可以获知，改变后的输出电压（电压数字信号）为2.11315V。
需要说明的是，为了增加准确性和获取速度，通常使用实际测量存储的校准值来获得温度改变后的输出电压值。数模转换器（DAC）333将改变后的输出电压从电压数字信号转变为输出电压信号，电荷泵25通过DAC的输出电压信号调节MEMS谐振器212的偏压，从而控制MEMS谐振器212的频率以对其进行补偿。
本发明第二实施例通过数字控制与处理器332根据所述温度数字信号和存储器的校准值，来改变输出电压值（电压数字信号），然后通过数模转换器（DAC）将输出电压转变为输出电压信号，再通过电荷泵来调节MEMS谐振器的偏压，从而调节MEMS谐振器的频率以对其进行补偿，由于该补偿利用偏压调整频率，不需要利用小数分频锁相环来进行调整，工作频率可以留在KHz或MHz范围（MEMS谐振器的工作频率范围）内，也就是能够在KHz量级或MHz量级下进行补偿，电流也会相应减小，可以小于10mA，因此有效地降低了电流消耗。
而且，MEMS振荡器补偿系统对MEMS振荡器进行补偿后，MEMS振荡器的输出频率的分辨率也比较精确，可以达到0.1ppm，而且保持较好的稳定性，比如在MEMS谐振器的温度从-40℃到85℃变化时，经过该补偿，MEMS谐振器输出频率能够保持小于10ppm的稳定性。
图4a是本发明的MEMS谐振器的无偿输出频率与温度的曲线示意图；图4b是本发明的MEMS谐振器补偿系统的数模转换器的输出电压与温度的曲线示意图；图4c是本发明的MEMS谐振器补偿后的输出频率与温度的曲线示意图。
如图4a所示，在没有使用MEMS振荡器补偿系统进行补偿时，MEMS振荡器的频率随着温度变化而曾线性下降。为了使MEMS振荡器的输出频率稳定，随着温度变化频率值的降低，需要将所述电压数字信号进行反向增加来进行补偿，如图4b所示。经过MEMS振荡器补偿系统补偿后，MEMS振荡器的输出频率稳定，如图4c所示，分辨率控制也比较精确，可以达到0.1ppm。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS谐振器补偿系统，包含MEMS芯片，模数转换器，补偿模块，电荷泵和MEMS驱动电路，其中MEMS芯片包含温度传感器和MEMS谐振器，所述模数转换器将所述温度传感器的温度电压信号转换为温度数字信号，其特征在于，
所述补偿模块根据所述温度数字信号改变输出电压，所述电荷泵根据所述输出电压调节所述MEMS谐振器的偏压，从而调节所述MEMS谐振器的频率以对所述MEMS谐振器进行补偿。
2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器补偿系统，其特征在于，所述补偿模块包含：
存储器，用于存储校准值；
数字控制与处理器，用于将根据所述温度数字信号计算获得的计算值或从所述存储器中获取的校准值作为电压数字信号；
数模转换器，用于将所述电压数字信号转换为输出电压信号。
3.根据权利要求2所述的MEMS谐振器补偿系统，其特征在于，所述校准值为对应于温度实际测量而存储在所述存储器中的测量数据。
4.根据权利要求2所述的MEMS谐振器补偿系统，其特征在于，所述数字控制与处理器根据所述MEMS谐振器随着温度变化的频率值的降低，将所述电压数字信号进行反向增加来进行补偿。
5.根据权利要求1所述的MEMS谐振器补偿系统，其特征在于，所述数模转换器还包含数字低通滤波器，用于滤掉所述温度传感器产生的噪音。
6.根据权利要求5所述的MEMS谐振器补偿系统，其特征在于，所述数字低通滤波器的带宽为1-100Hz。
7.根据权利要求1所述的MEMS谐振器补偿系统，其特征在于，所述MEMS驱动电路用于驱动和传感所述MEMS谐振器。
8.根据权利要求1所述的MEMS谐振器补偿系统，其特征在于，所述MEMS驱动电路的输出频率为1Hz-220MHz。
9.根据权利要求1所述的MEMS谐振器补偿系统，其特征在于，所述数模转换器的输出电压为0-5.5V。
10.根据权利要求1所述的MEMS谐振器补偿系统，其特征在于，所述MEMS谐振器的频率随温度变化的变化系数为-50ppm/℃至50ppm/℃。
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