CN103999364B - 用于多个通道的低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

一种放大器系统，具有用于放大来自多个不同通道的多个输入信号的放大器、以及每个都在操作上与放大器耦接以接收来自放大器的放大输入信号的多个解调器。每个解调器都被配置为解调来自该多个不同通道的单个通道的单个放大的输入通道信号。因而，该系统还具有与每个解调器耦接的、用于减轻噪声的多个滤波器。

Description

用于多个通道的低噪声放大器
优先权声明
本专利申请要求在2011年12月16日提交的、“LOW NOISE AMPLIFIER FORMULTIPLE CHANNELS”且发明人为Howard R.Samuels的美国临时专利申请No.61/576,521的优先权，该专利申请通过提及方式全文并入本文。
相关申请
本专利申请涉及2011年12月16日提交的、题目为“SYSTEM AND METHOD OFREDUCING NOISE IN A MEMS DEVICE”且发明人为Srinivasan Venkatraman的美国专利申请No.13/328,177，该专利申请通过提及方式全文并入本文。
技术领域
本发明一般地涉及电子信号放大，并且更特别地，本发明涉及低噪声放大。
背景技术
微机电系统(“MEMS”)被用于越来越多的应用中。例如，MEMS当前被实现为用于汽车中的稳定控制系统的陀螺仪、声学系统中的传声器，以及用于在汽车内选择性地展开安全气囊的加速度计。简而言之，这样的MEMS器件典型地具有悬挂于基板之上的结构，以及用于感测悬挂结构的运动并将所感测的运动数据(或位置数据)传递给一个或更多个外部器件(例如，外部计算机)的相关电子器件。外部器件处理所感测的数据以计算出被测量的性质(例如，俯仰角、入射声信号或加速度)。
在许多应用中，悬挂的可移动质块可以形成具有固定电极的可变电容器。例如加速度计的质心运动由电容器响应于实际加速度而产生的可变的电容信号表示。在多维加速度计中，这能够产生两个或三个单独的电容信号——直到沿笛卡尔坐标系的每个维度都有一个。
现有技术的加速度计使用时分复用技术将那些多个可变的电容信号发送到MEMS输出。但是，时分复用会产生混叠噪声(aliasing noise)，从而不合意地降低了信噪比。本领域技术人员已经对这个问题作出了响应：使用可产生足够大的信号的MEMS器件来克服由这种复用技术所产生的噪声。这典型地需要较大的MEMS器件，这样的MEMS器件通常也更加昂贵，需要更多的电功率，并且占用更大的用地面积(real estate)。
除MEMS器件外的器件能够受到类似的问题影响。因而，关于MEMS器件的讨论是示例性的。
发明内容
根据本发明的一种实施例，放大器系统具有用于放大来自多个不同通道的多个输入信号的放大器，以及各自可在操作上与用于接收来自放大器的放大输入信号的放大器耦接的多个解调器。每个解调器被配置用于解调来自该多个不同通道的单个通道的单个放大的输入通道信号。另外，每个解调器产生与除单个通道外的至少一个通道(即，其他通道)相关的噪声。例如，在解调期间，X通道解调器接收X通道、Y通道及Z通道的放大信号。X通道解调器产生基带X通道信号以及与Y通道和Z通道的接收信号相关的噪声。该噪声的频率比基带X通道信号的频率更高。因而，该系统还具有与每个解调器耦接的、用于减轻噪声的多个滤波器。
在解调器上的噪声可以包含高频噪声，例如，时钟频率噪声(即，频率与时钟相关的、但不是基带的噪声)。因此，滤波器可以包括配置有截止值(cutoff)的以减轻高频噪声的低通滤波器。而且，输入信号可以具有正交的且具有基本上相同的频率的时钟。以类似的方式，输入信号的同步化时钟可以具有一致边缘以及成2倍或0.5倍的关系的频率。
在其他类型当中，放大器可以包含积分器。另外，该多个信号可以包括惯性信号。
根据另一种实施例，一种系统具有：1)在第一通道中产生第一信号并且在第二通道中产生第二信号的MEMS器件，以及2)用于接收第一及第二信号并产生第一及第二输出信号的放大器。第一及第二输出信号处于不同的通道中。
在说明性的实施例中，放大器通过不对输入信号(和放大器噪声)采样来避免混叠放大器噪声。通过在一极或另一极连续地读取信号并连续地解调，只有转换为调制频率以及在调制频率附近的放大器噪声(但不是它的谐频)的输入信号出现于解调器输出。说明性的实施例允许在例如没有引入放大器噪声的谐频的情况下对正交的两个输入信号(它们的时钟)的解调。两个信号都被采样。每个信号都在另一个信号的解调器的输出处呈现为时钟频率噪声。低通滤波器消除了零平均时钟频率噪声。
同样地，第三信号能够以每个信号都在另一个解调器输出上呈现为零平均时钟频率信号这样的方式来添加。例如，第三信号的时钟频率能够是前两个信号的时钟频率的一半。该技术并不限制于三个信号。只要时钟信号能够被设计，使得每个通道在全部其他解调器输出处呈现为零平均信号，就可以添加更多的信号。
根据另一种实施例，一种用于处理信号的方法控制放大器来放大具有多个不同通道产生的输入信号，从而产生具有该多个不同通道的放大的输入信号。然后，该方法解调所放大的输入信号，以为每个通道产生至少一个解调的信号。但是，对信号的解调会促使每个解调的信号具有与至少一个别的通道相关的噪声。该方法然后过滤每个解调的信号以减轻噪声，从而为该多个通道中的每个通道产生基带信号。每个基带信号然后由至少一个输出节点发送出。
附图说明
根据下面参照以下直接总结的附图所讨论的“具体实施方式”，本领域技术人员应当会更全面地意识到本发明的各种实施例的优点。
图1示意性地示出了可以实现本发明的说明性实施例的MEMS器件10的截面图。
图2示意性地示出了图1所示的加速度计芯片的平面图。
图3示意性地示出了用于沿着三个轴来检测加速度并产生表示沿着那些轴中的每个轴的加速度的三个信号的系统的电路图。
图4示意性地示出了用于图3的系统中的时钟信号。
具体实施方式
说明性的实施例基本上按照使失真或噪声最小化的方式连续地处理多个数据通道，而不是使用会不受欢迎地导致混叠噪声的采样过程。为了达到该目的，这样的实施例采用协作以同时处理该多个数据通道的放大器和滤波器。下面将讨论说明性的实施例的细节。
图1示意性地示出了可以实现本发明的说明性实施例的MEMS器件10的截面图。尽管各种实施例是参考MEMS器件或加速度计来讨论的，但是本领域技术人员应当理解，这样的实施例同样可应用于用于生成多个数据通道的其他器件。因此，关于MEMS器件和加速度计的讨论旨在阐明各种实施例，而并非旨在限制本发明的全部实施例。
除了别的以外，图1的MEMS器件10还实现了加速度计系统，如同本领域技术人员所了解的，该加速度计系统会检测加速度。例如，加速度计广泛用于汽车安全控制系统中，用于在发生会导致快速的负加速的碰撞时展开安全气囊。特别地，在接收到指示快速的负加速的加速度计信号时，基础安全系统将会基本上立即展开其安全气囊，从而保护车内人员。
为了达到那些目的，加速度计具有带有响应于加速度而运动的微结构的加速度计芯片12(将针对图2更详细地讨论)。为了控制其性能，该加速度计芯片12具有作为具有该微结构的板上芯片(on-chip)或板外芯片(off-chip)的电子电路。例如，图1示出了在与加速度计芯片12电通信的单独的专用集成电路芯片(在此称为“ASIC14”)中的这种电路。
常规的半导体封装16将加速度计芯片12和ASIC14包封于基本上与外部环境隔离的内腔室18之内。图1所示的实施例具有带有通过常规的丝线键合22与加速度计芯片12及ASIC14通信的内部电子互连的基座20。在基座20的底表面上的焊盘(未示出)使加速度计芯片12及ASIC14与外部系统构件(例如，下垫的印刷电路板)电通信。
多种不同封装技术的任一种应当都是可以的。例如，除了别的以外，封装16能够将陶瓷空腔封装与覆盖物/盖子、具有覆盖物的基板封装或者预成型的或后成型的引线框封装合并。
固定于基座20上的盖子24形成用于保护及容纳加速度计芯片12和ASIC14的内腔室18。除了别的方式外，盖子24还可以使用受热的玻璃熔块或其他常规的连接工艺来固定于基座20上。某些实施例可以对盖子24施加地电位以防止干扰加速度计芯片12。为了进一步保护和促进加速度计的性能，内腔室18可以处于真空下，和/或具有惰性气体以为加速度计微结构提供挤压膜阻尼。
图2示意性地示出了图1所示的加速度计芯片12的平面图。简言之，如同本领域技术人员所了解的，加速度计具有通过多个弹簧30悬挂于基板28之上的活动质块26。基板28被牢牢地固定于表面，例如，封装16的基座20，然而质块26能够相对基板28和基础表面移动。因此，如果在加速度计中，速度基本上恒定的运动突然停止，则活动质块26沿相同方向继续向前运动。如同本领域技术人员所了解的，这种质块运动涉及加速度。ASIC14或其他电路会电检测到这种运动进行，从而将其转换成指示加速度的量的数据信号。
图2所示的加速度计具有通过四个弹簧30悬挂于它的每个角部的单个质块26。可替换的实施例可以具有多个质块。说明性的实施例为了最优的质块控制而形成蛇形的弹簧30。该加速度计能够检测出沿三个正交轴(即，沿着X轴、Y轴和Z轴)的加速度。为了达到该目的，质块26具有从其每个侧表面延伸出的多个指状体32A。这些指状体32A每个都形成差动的可变电容器(一般以引用编号“34”标识)，一对固定的指状体32B被固定于基板28。正是这些可变电容器34主要“拾取”沿着X轴和Y轴的加速度。换言之，每个质块指状体32A都形成可变电容器34的第一极板，而固定的指状体32B形成同一可变电容器34中的固定极板。用于沿单个维度测量加速度的全部可变电容器34从而有效地形成单个可变电容器34。按照这种方式配置的指状体32A和32B通常称为“交叉指”。
基板28还具有直接位于质块26下方的单个固定电极，以形成第三可变电容器34Z(具有质块26)用于测量沿着Z轴(即，垂直于X和Y轴，或者，换言之，垂直于活动质块26的表面)的加速度。该第三可变电容器34Z被示意性地示于图2的剖视图中。这三个电容器34和34Z的输出信号被认为是处于三个不同通道中的。
由于它检测三个维度的加速度，因而MEMS系统10在本技术领域中被称为3轴加速度计。但是，各种实施例可应用于用来检测少于三个维度上的加速度的加速度计，例如，二维加速度计。
在操作期间，在ASIC14上的电路给电容器34供电。例如，电容器34的极板在处于静止状态时可以具有为零的净电压。质块的运动26从而改变该电压，生成用于指示加速度的信号(例如，非零电压)。为了在单个线路两端传输来自全部三个电容器34的信号，本发明人所了解的现有技术的设计在电容器34等待并检测加速度时将时分复用信号(“TDM信号”)应用于这些电容器34中的每一个。如同上文所暗示的，使用TDM信号的一个问题是：它们有效地对信号进行采样，从而在传输线路中产生混叠噪声。不受欢迎的是，该混叠噪声会降低信噪比。从而需要较大的MEMS器件克服这种噪声恶化。但是，较大的MEMS器件是更昂贵的，且通常是较不想要的。
为了克服该问题，发明人发现：对可变电容器34施加基本上恒定的驱动信号以及基本上连续的处理(通过解调器，在下文讨论)会减轻该噪声，从而允许使用较小的加速度计。
为了达到该目的，图3示意性地示出了用于检测沿三个轴的加速度并产生表示沿着那些轴中的每个轴的加速度的三个信号的系统的电路图。因此，该系统生成表示沿X轴的加速度X加速度信号、表示沿Y轴的加速度的Y加速度信号，以及表示沿Z轴的加速度的Z加速度信号。该图的电路部分可以被实现在ASIC14上，在与加速度计10相同的芯片，或者在两个芯片12和14上。如同本文所指出的，关于加速度计的这个具体实例的讨论是说明性的，并且能够应用于其他器件，例如，陀螺仪、不同类型的加速度计或其他器件。
该系统具有带有上述三个可变电容器34X、34Y和34Z的MEMS加速度计12，既用于检测那些加速度信号，也用于为这三个通道中的每个通道生成输出信号。放大器52接收并处理这三个通道的数据，以最终由其他器件(例如，计算机或微处理器)使用。放大器52从而具有输入与加速度计10的活动质块26耦接的放大器54，以及用于为每个通道解调信号并将其转换成基带信号的解调器组56。
更特别地，放大器54优选地包含运算放大器(“op-amp”)。为了达到该目的，图3示意性地示出了各种电容器、电容器值，以及此类放大器54的一种实现方式的开关。当然，放大器布局的具体值及配置只是众多可能布局中的一种，并从而主要用作一种实施例的实例。在某些实施例中，放大器54包括锁定放大器。但是，在其他各种实施例中，放大器54是另一种类型的放大器。
活动质块26与运算放大器的负输入“In”连接，而“Vmid”是共模参考。因此，运算放大器基本上连续地通过同一输入—运算放大器的负输入In来接收X、Y和Z通道的信号。为了有效地区分那些信号，这三个通道根据图4所示的时序/时钟信号来生成它们各自的信号。实际上，那些时序信号在整个系统中都被使用，这将在下文针对解调器组56来讨论。
在说明性的实施例中，时序信号具有相同的频率并且彼此正交(即，信号彼此间为90度的异相位)。图4示出了这样的信号，其中信号XP1和YP1是彼此正交的，并且信号ZP1是X和Y通道的频率的两倍。在其他或相关的实施例中，时序信号仅仅具有重合的边缘，同样如图4所示。而且，不是具有相同的频率，而是某些时序信号能够是一个或更多个别的时序信号的频率的两倍。
特别地，信号的频率能够遵从以下方程：
F＝2N*A
其中N为正整数或负整数，而A是一个时序信号的频率。
例如，X通道能够具有为F的频率，Y通道能够具有为F*2的频率，并且Z通道能够具有为F*4的频率。再如，X通道能够具有为F的频率，Y通道能够具有为F/2的频率，并且Z通道能够具有为F/4的频率。
标示为差动输出“op”和“on”的运算放大器的输出与解调器组56的输入耦接，该解调器组56的输入同样被标示为差动输入“op”和“on”。在其他实施例中，输入和输出可以是单端输入和输出。
解调器组56优选地包含用于在不采样的情况下并行地解调那三个通道的一组全波解调器。为了达到该目的，解调器组56具有三个主解调器：X通道解调器56X、Y通道解调器56Y和Z通道解调器56Z。每个解调器56都包含开关布局，用于：1)接收运算放大器的输出，该输出包括全部三个数据通道，并且2)解调其指定通道。因此，每个解调器取决于其特定通道的时序通道，如图4所示，以适当地解调其各个通道。
从而，每个解调器56都具有用于将其各自的信号发送到下游构件的相应输出。图3将那些输出标示为差动输出Xop和Xon、Yop和Yon，以及Zop和Zon。但是，不受欢迎的是，解调器组56在其每个输出上生成一定量的噪声。特别地，在某些实施例中，解调过程促使每个通道的信号作为时钟频率噪声出现于另一个信号的解调器的输出。例如，在解调期间，X通道解调器56接收X通道、Y通道和Z通道的放大信号。X通道解调器56合意地产生基带X通道信号，但是，不受欢迎的是，它还产生与Y通道和Z通道的接收信号相关的噪声。该噪声与基带X通道信号相比具有更高的频率。
因此，该系统还具有用于减轻该噪声的多个滤波器58，从而消除零平均时钟频率噪声，进而产生具有较高信噪比的信号。这些滤波器58可以被或可以不被看作是放大器52的一部分。
更特别地，解调器组56生成比低频期望输出信号高的噪声。因而，滤波器58是每个都会基本上减轻高频信号的低通滤波器，从而主要允许那三个数据通道的信号通过。换言之，每个滤波器58都具有为减轻其他通道的高频噪声而选定的截止值。图3示意性地将每个滤波器示为具有输出X的X通道滤波器、具有输出Y的Y通道滤波器，以及具有输出Z的Z通道滤波器。
尽管上述讨论公开了本发明的各种示例性实施例，但是很显然，本领域技术人员能够在不脱离本发明的真实范围的情况下进行将会获得本发明的某些优点的各种修改。例如，如上所述，各种实施例并不限制于三个通道。某些实施例在与MEMS加速度计相关或无关的应用中可应用于两个数据通道或多于三个的数据通道。另外，关于MEMS器件或加速度计的讨论并非旨在限制各种实施例。

Claims (11)

1.一种系统，包括：
用于放大来自多个不同通道的多个输入信号的放大器，其中：
每个通道具有相应
的相关的时钟；
所述多个输入信号包括由MEMS器件产生的惯性信号；并且
所述多个不同通道中的一个通道与所述MEMS器件的第一轴相关以及所述多个不同通道中的另一个通道与所述MEMS器件的第二轴相关；
多个解调器，在操作上与所述放大器耦接以接收来自所述放大器的放大的所述多个通道的输入信号，每个解调器都被配置为基于与所述多个不同通道中的单个通道相关的时钟解调来自所述单个通道的单个放大的输入通道信号，每个解调器产生用于相应的单个通道的基带信号以及与所述通道中除了所述单个通道之外的至少一个通道相关的噪声；
与所述解调器耦接的多个滤波器，所述滤波器用于减轻所述噪声。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述噪声包括时钟频率噪声，和/或其中所述噪声包括高频噪声，所述滤波器包括用于减轻所述高频噪声的配置有截止值的低通滤波器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中每个解调器解调除其他解调器所解调的那些通道外的不同通道的信号，
所述多个不同通道的相关联的时钟被配置为使得每个通道的输入信号在所有其它解调器的输出处表现为零平均信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个不同通道的相关联的时钟具有：
一致的边缘和/或以倍数关联的频率。
5.根据任何前述权利要求所述的系统，还包括：
生成所述多个输入信号的MEMS器件。
6.一种处理信号的方法，包括：
控制放大器，控制放大器包括：
放大具有多个不同通道的输入信号，以产生具有所述多个不同通道的放大的输入信号，其中：
所述输入信号中的每个通道具有相应的相关的时钟；
所述输入信号包括由MEMS器件生成的惯性信号；以及
所述多个不同通道中的一个通道与所述MEMS器件的第一轴相关并且所述多个不同通道中的另一个通道与所述MEMS器件的第二轴相关；
解调所述放大的输入信号，以基于每个对应的相关的时钟为每个通道产生至少一个解调信号，解调使每个解调信号具有用于相应的单个通道的基带信号以及与至少一个别的通道相关的噪声；以及
对每个解调信号进行滤波，以减轻所述噪声，从而为所述多个通道中的每个通道产生滤波的基带信号；以及
从至少一个输出节点转发每个滤波的基带信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中下述中的至少一个适用：
a)所述噪声包括高频噪声，滤波包括使用截止值来减轻所述高频噪声的低通滤波；
b)器件，所述多个不同通道与在笛卡尔坐标系中的至少两个正交轴相关。
8.根据权利要求6或者7所述的方法，其中所述放大器包括用于放大所述输入信号的放大器、用于解调所放大的输入信号的多个解调器、以及用于对所解调的信号进行滤波的多个滤波器，每个通道具有其专用的至少一个解调器和至少一个滤波器。
9.根据权利要求6所述的方法，其中放大、解调及滤波在不采样的情况下连续地执行。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个不同通道的相关联的时钟被配置为使得每个通道的输入信号在所有其它解调器的输出处表现为零平均信号。
11.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个不同通道的相关联的时钟具有：
一致的边缘和/或以倍数关联的频率。
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