CN103888125A - 一种多电压四相位驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多电压四相位驱动电路，包括两相位发生器、四相位发生器和幅度控制模块；两相位发生器发出相位相差90度的两相位输出信号Y1和Y2至四相位发生器；幅值控制电路输出三路幅值可调节的模拟信号低电平VRL、基准电压VREF、高电平VRH至四相位发生器；四相位发生器中的四路开关MUX分别对信号Y1、Y2、VRL、VREF、VRH进行不同的逻辑运算，产生四路相位依次相差90度的驱动信号。当使用该四相位驱动电路驱动MEMS结构时，任一时刻电压总和为零，驱动电压不会产生相应的干扰电流，干扰减小。使用该驱动电路可以方便的与MEMS传感器连接成闭环形式，减小陀螺仪系统的系统噪声，提高性能。

Description

一种多电压四相位驱动电路

技术领域

本发明涉及一种MEMS传感器多相位驱动电路，用以给MEMS类型传感器提供驱动信号，属于半导体技术领域。

背景技术

近年来，随着MEMS技术的快速发展，MEMS类型的传感器，如加速度计传感器、陀螺仪传感器、温度传感器、电磁传感器等在手机、游戏、船舶、惯性导航等领域得到了广泛的应用。这些传感器若要正常工作，必须有与之相配套的处理电路。以陀螺传感器为例，为提高陀螺的精度，降低噪声和零偏，陀螺必须以恒定幅值稳定振动。这就需要一种幅值可以调节、对其他通路干扰小的驱动电路以驱动机械结构谐振。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多电压四相位驱动电路，该电路能产生相位彼此依次相差90°，且幅值可以调节。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多电压四相位驱动电路，其特征是，包括两相位发生器、四相位发生器和幅度控制模块；

两相位发生器发出相位相差90度的两相位输出信号Y1和Y2至四相位发生器；

幅值控制电路输出三路幅值可调节的模拟信号低电平VRL、基准电压VREF、高电平VRH至四相位发生器；

四相位发生器中的四路开关MUX分别对信号Y1、Y2、VRL、VREF、VRH进行不同的逻辑运算，产生四路相位依次相差90度的驱动信号。

两相位发生器包括反相缓冲器和两路D触发器，时钟信号CLK为D触发器提供时钟信号；时钟信号CLK经反相缓冲器反相为时钟信号CLK’；通过将第一路D触发器反相输出端

连接到第一路D触发器输入端D，构成二分频电路；第一路D触发器正相输出端Q连接到第二路D触发器输入端D；两个D触发器时钟信号反相，实现一个在时钟上升沿触发，一个在下降沿触发，发出相差90度的两相位输出信号Y1和Y2。

幅值控制电路将输入电压转换为关于基准电压VREF对称的差分电压，经转换的差分电压分别作为驱动电压信号的高电平VRH和低电平VRL。

四相位发生器中的四路开关MUX分别进行以下逻辑运算，输出四路驱动信号Y0，Y90、Y180、Y270：

$Y0=Y1\·\stackrel{\‾}{Y2}\·\mathrm{VRL}+(\stackrel{\‾}{Y1}\⊕Y2)\·\mathrm{VREF}+\stackrel{\‾}{Y1}\·Y2\·\mathrm{VRH}$

$Y90=\stackrel{\‾}{Y1}\·\stackrel{\‾}{Y2}\·\mathrm{VRH}+(Y1\⊕Y2)\·\mathrm{VREF}+Y1\·Y2\·\mathrm{VRL}$

$Y180=Y1\·\stackrel{\‾}{Y2}\·\mathrm{VRH}+(\stackrel{\‾}{Y1}\⊕Y2)\·\mathrm{VREF}+\stackrel{\‾}{Y1}\·Y2\·\mathrm{VRL}$

$Y270=\stackrel{\‾}{Y1}\·\stackrel{\‾}{Y2}\·\mathrm{VRL}+(Y1\⊕Y2)\·\mathrm{VREF}+Y1\·Y2\·\mathrm{VRH}.$

本发明所达到的有益效果：

本发明的多电压四相位驱动电路，通过对两个相位相差90度的时钟信号进行数字算法处理和幅度控制，最终达到实现具有多电压四个相位的时钟信号的目的。当使用该四相位驱动电路驱动MEMS结构时，任一时刻电压总和为零，这样驱动电压不会产生相应的干扰电流，干扰减小。根据本发明电路幅度可调节的特性，使用该驱动电路可以方便的与MEMS传感器连接成闭环形式，使MEMS传感器结构振动通过闭环调节稳定，从而可以很好的减小陀螺仪系统的系统噪声，提高性能。同时，采用四相位信号驱动MEMS结构时，驱动信号的频率为谐振频率的一半，这样耦合到输出上的干扰信号频率为谐振频率的一半，只要采用适当的高通滤波器就可消除干扰信号对输出的污染。

附图说明

图1为本发明所涉一种多电压四相位驱动电路的电路结构框图。

图2为本发明所涉一种相位相差90度的两相位信号电路图。

图3为本发明所涉一种相位相差90度的两相位信号仿真图。

图4为本发明所涉一种幅值可以调节的幅度控制电路图。

图5为本发明所涉一种3选1多路开关MUX电路图。

图6为本发明所涉一种3选1多路开关MUX电路仿真图。

图7为本发明所涉多电压四相位驱动电路的原理图。

图8为本发明所涉多电压四相位驱动电路的仿真图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实现方式做详细描述。

电路的结构整体框图如图1所示，该电路主要包括两相位发生器、四相位发生器和幅度控制模块。两相位发生器发出相位相差90度的两相位输出信号Y1和Y2至四相位发生器。幅值控制电路输出信号VRL、VREF、VRH至四相位发生器。四相位信号由四路3选1多路开关MUX产生。

图2为本发明的相位差为90°的两相位发生器电路图。其中包括反相缓冲器，D触发器。其工作原理为，时钟信号CLK为D触发器提供时钟信号。时钟信号CLK经反相缓冲器反相为时钟信号CLK’。通过将第一路D触发器反相输出端

连接到其输入端D，构成二分频电路。第一路D触发器正相输出端Q连接到第二路D触发器输入端D，两个D触发器时钟信号反相，这样可以实现一个在时钟上升沿触发，一个在下降沿触发。从而实现发出相差90度的两相位输出信号Y1和Y2。仿真结果图如图3。

图4为本发明的幅值控制电路。各支路命名与其电流命名相同，如：I1既代表该支路，又标示该支路的电流。主要支路连接关系如图所示，运放amplifier1输出连接到NMOS管NM1、NM2的栅极，NM1源跟随输出，源端反馈连接到运放amplifier1的反相输入端。运放amplifier2连接PMOS管PM3的栅极，PM3和PM4构成共源共栅电流源，PM4漏端通过反馈电容Cf和调零电阻Rf连接到amplifier2输出端，并同时反馈连接到amplifier2的同相端。幅度信号控制电路的原理是将单端的输入电压转换为关于基准电压VREF对称的差分电压，经转换的这两个电压将分别作为驱动电压信号的高电平VRH和低电平VRL。在电路中运放amplifier1与支路I₁组成电压转电流跨导增益电路；支路I₁、I₃、I₄构成电流增益电路，并为支路I₅、I₆、I₇提供偏置电压；运放amplifier2和支路I₅共同构成一个闭环电压单位负反馈的两级运算放大器，目的在于调整运放amplifier2同相端电压使其稳定，从而达到抑制I₅支路共源共栅结构电流源的沟道长度调制效应,使得支路I₅、I₆、I₇的电流精确匹配；闭环运放amplifier3和amplifier4组成电流转电压的跨阻增益电路。忽略沟道长度调制效应，调节电路使各支路电流I1-I7满足如下关系：

I₁:I₃:I₄:I₅:I₆:I₇=2:1:1:2:2:2            (1)

$I_1=\frac{V_{R1}}{R1}=\·\frac{R02\·\mathrm{VA}}{R01+R02}\·\frac{1}{R1}---\left(2\right)$

VRH=VREF+I₇·R3               (3)

VRL=VREF-I₆·R4                (4)

上述公式中所用电阻如图4中所标示，V_R1为电阻R1上的电压。R01和R02为图中可调电阻R0分成的两部分电阻。

而已知电阻R1=R3=R4，因此联合上面4式可求得：

$\mathrm{VRH}=\mathrm{VREF}+\frac{R02}{R01+R02}\·\mathrm{VA}---\left(5\right)$

$\mathrm{VRL}=\mathrm{VREF}-\frac{R02}{R01+R02}\·\mathrm{VA}---\left(5\right)$

本实施例中，由于电压VA的变化范围是0V～5V，基准电压VREF取值2.5V，而且运放amplifier3和amplifier4都使用轨到轨输出运放，因此通过调节电压VA就可以方便的控制输出信号高电平VRH、低电平VRL的电压幅值。

图5为本发明四相位电路其中一路的具体实现。本子电路命名为MUX。该电路由四输入与非门，反相器，传出门构成。D0、D1、A、B、C为输入端口，Y为输出端口。四输入与非门Nand1连接反相器Inv1输入，Nand1的输出端和Inv1的输出端X1连接传输门TG1的时钟控制端。其他三路连接方式相同。端口连接如图5中所示。图中D0和D1是数字信号时钟输入端，A，B，C是模拟电平输入端。其功能分析如下： $X1=\stackrel{\‾}{D0}\·\stackrel{\‾}{D1}\·\stackrel{\‾}{X2}\·\stackrel{\‾}{X3},$ $X2=D0\·\stackrel{\‾}{D1}\·\stackrel{\‾}{X1}\·\stackrel{\‾}{X3},$ $X3=D0\·D1\·\stackrel{\‾}{X1}\·\stackrel{\‾}{X2},$ $X4=\stackrel{\‾}{D0}\·D1\·\stackrel{\‾}{X1}.\stackrel{\‾}{X3},$ 通过列出X1，X2，X3，X4和D0，D1真值表关系,可得最后Y输出关系如下式

其中A、B、C幅值可调节的模拟电平输入，对应连接到VRH，VREF，VRL。D0、D1为数字逻辑控制信号。当D0和D1是相位差为90°两相位时钟信号时，对MUX电路进行瞬态仿真得到其仿真波形如图6所示，D0、D1的频率都是5.8KHz，相位相差90度。可以看到一相位的输出高电平为VRH，低电平为VRL，中间电平为基准电压VREF。

图7为本发明四相位多电压驱动电路的原理图，包含四路如图5所示的电路，具体功能分析如下。通过原理图中的连接关系，对于输出信号Y0，

D1＝Y2，A＝VRL，B＝VREF，C＝VRH。所以

$Y0=Y1\·\stackrel{\‾}{Y2}\·\mathrm{VRL}+(\stackrel{\‾}{Y1}\⊕Y2)\·\mathrm{VREF}+\stackrel{\‾}{Y1}\·Y2\·\mathrm{VRH}$

对于输出信号Y90，D0＝Y1，D1＝Y2，A＝VRH，B＝VREF，C＝VRL。所以

$Y90=\stackrel{\‾}{Y1}\·\stackrel{\‾}{Y2}\·\mathrm{VRH}+(Y1\⊕Y2)\·\mathrm{VREF}+Y1\·Y2\·\mathrm{VRL}$

对于输出信号Y180，

D1＝Y2，A＝VRH，B＝VREF，C＝VRL。所以

$Y180=Y1\·\stackrel{\‾}{Y2}\·\mathrm{VRH}+(\stackrel{\‾}{Y1}\⊕Y2)\·\mathrm{VREF}+\stackrel{\‾}{Y1}\·Y2\·\mathrm{VRL}$

对于输出信号Y270，D0＝Y1，D1＝Y2，A＝VRL，B＝VREF，C＝VRH。所以

$Y270=\stackrel{\‾}{Y1}\·\stackrel{\‾}{Y2}\·\mathrm{VRL}+(Y1\⊕Y2)\·\mathrm{VREF}+Y1\·Y2\·\mathrm{VRH}.$

其中OUT0、OUT90、OUT180、OUT270对应上述分析的Y0，Y90、Y180、Y270。对四相位电路仿真如图8。可以看到OUT0、OUT90、OUT180、OUT270信号相位依次相差90度、分别为0°、90°、180°、270°四个相位的驱动信号。该四个相位的驱动信号幅度可根据系统的要求进行幅度调整。当使用该四相位驱动电路驱动MEMS结构时，任一时刻电压总和为零，这样驱动电压不会产生相应的干扰电流，干扰减小。根据本发明电路幅度可调节的特性，使用该驱动电路可以方便的与MEMS传感器连接成闭环形式，使MEMS传感器结构振动通过闭环调节稳定，从而可以很好的减小陀螺仪系统的系统噪声，提高性能。同时，采用四相位信号驱动MEMS结构时，驱动信号的频率为谐振频率的一半，这样耦合到输出上的干扰信号频率为谐振频率的一半，只要采用适当的高通滤波器就可消除干扰信号对输出的污染。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多电压四相位驱动电路，其特征是，包括两相位发生器、四相位发生器和幅度控制模块；

两相位发生器发出相位相差90度的两相位输出信号Y1和Y2至四相位发生器；

幅值控制电路输出三路幅值可调节的模拟信号低电平VRL、基准电压VREF、高电平VRH至四相位发生器；

四相位发生器中的四路开关MUX分别对信号Y1、Y2、VRL、VREF、VRH进行不同的逻辑运算，产生四路相位依次相差90度的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的多电压四相位驱动电路，其特征是，

两相位发生器包括反相缓冲器和两路D触发器，时钟信号CLK为D触发器提供时钟信号；时钟信号CLK经反相缓冲器反相为时钟信号CLK’；通过将第一路D触发器反相输出端连接到第一路D触发器输入端D，构成二分频电路；第一路D触发器正相输出端Q连接到第二路D触发器输入端D；两个D触发器时钟信号反相，实现一个在时钟上升沿触发，一个在下降沿触发，发出相差90度的两相位输出信号Y1和Y2。

3.根据权利要求1所述的多电压四相位驱动电路，其特征是，

幅值控制电路将输入电压转换为关于基准电压VREF对称的差分电压，经转换的差分电压分别作为驱动电压信号的高电平VRH和低电平VRL。

4.根据权利要求1所述的多电压四相位驱动电路，其特征是，四相位发生器中的四路开关MUX分别进行以下逻辑运算，输出四路驱动信号Y0，Y90、Y180、Y270：

$Y0=Y1\·\stackrel{\‾}{Y2}\·\mathrm{VRL}+(\stackrel{\‾}{Y1}\⊕Y2)\·\mathrm{VREF}+\stackrel{\‾}{Y1}\·Y2\·\mathrm{VRH}$

$Y90=\stackrel{\‾}{Y1}\·\stackrel{\‾}{Y2}\·\mathrm{VRH}+(Y1\⊕Y2)\·\mathrm{VREF}+Y1\·Y2\·\mathrm{VRL}$

$Y180=Y1\·\stackrel{\‾}{Y2}\·\mathrm{VRH}+(\stackrel{\‾}{Y1}\⊕Y2)\·\mathrm{VREF}+\stackrel{\‾}{Y1}\·Y2\·\mathrm{VRL}$

$Y270=\stackrel{\‾}{Y1}\·\stackrel{\‾}{Y2}\·\mathrm{VRL}+(Y1\⊕Y2)\·\mathrm{VREF}+Y1\·Y2\·\mathrm{VRH}.$

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