CN104049109B

CN104049109B - 一种mems加速度传感器伺服读出电路

Info

Publication number: CN104049109B
Application number: CN201410319269.6A
Authority: CN
Inventors: 金湘亮; 刘孟良
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2014-07-07
Filing date: 2014-07-07
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-07-07
Also published as: CN104049109A

Abstract

本发明公开了一种MEMS加速度传感器伺服读出电路，包括读出放大电路、参考电压源、环路滤波补偿电路、采样/保持缓冲器、动态锁存比较器和多相时钟源，多相时钟源的输出端与读出放大电路、环路滤波补偿电路相连，待测电容的上下极板与多相时钟源相连，待测电容中间极板与读出放大电路相连；读出放大电路的输出端与环路滤波补偿电路的输入端相连，环路滤波补偿电路的输出端分别与采样/保持缓冲器的输入端、动态锁存比较器的输入端相连，采样/保持缓冲器的输出电压信号，动态锁存比较器的输出端与多相时钟源的输入端相连，参考电压源与读出放大电路相连。本发明通过相关双采样技术消除了失调电压，实现了电容的高精度检测。

Description

一种MEMS加速度传感器伺服读出电路

技术领域

本发明涉及一种MEMS加速度传感器伺服读出电路。

背景技术

随着微型机电系统技术的日益成熟，MEMS电容式传感器应运而生，体积小、响应快、功耗低和易于集成是它们专有的优点，关于MEMS传感器的研究和设计越来越得到重视，MEMS传感器在民用与军用均有广泛的应用。MEMS传感器后端的检测电路是非常重要的一部分，高精度、高动态范围的读出电路能将信号最大限度传给后端检测电路。

MEMS传感器可等效为一对差分变化待测电容，待测物理量的大小通过电容变化量直接反映。因为MEMS电容传感器电容变化量非常的小，一般在10^-18-10^-12F左右，所以对传感器的检测电路提出了更高的要求。电容检测电路的等效输入噪声水平决定了其所能检测的最小信号幅度，所以设计高精度的关键是设计低噪声的读出电路。

电容读出电路主要有三种：一是使用调制/解调技术的连续时间电压读出电路；二是基于运算跨导放大器的连续时间电流读出电路；三是开关电容电荷读出电路。连续时间电压检测电路难点是运算放大器输入端与待测电容连接端共模偏置电压的实现，这个连接节点一端连接电容极板，另一端连接运算放大器输入对管，输入对管没有电流，所以为高阻节点，很难确立其直流电平。连续时间电流检测电路难点是反馈电阻的实现，为了满足检测灵敏度要求，通常该电阻要达到10⁹Ω数量级。而开关电容电荷读出电路结构简单、容易实现，从而被广泛的采用，但是其缺点为电路中有效信号通过读出放大电路采样与保持，变为时间上离散信号，而且有很大一部分高频噪声折叠到信号通带内，限制开关电容电荷读出电路的精度。

图1为现在技术中电容传感器读出电路结构示意图，通过读出放大电路11、低通滤波器12、输出缓冲器13用以检测电容变化，通过读出放大电路将电容变化转换为电压变化，然后通过低通滤波器滤波，缓冲器输出，这种读出电路结构不能满足MEMS传感器检测要求，由于其电容变化非常微弱，这种电路结构无法检测10^-18-10^-12F电容变化，而且在后端处理电路时需要模数转换器做进一步的分析，所以在MEMS加速度传感器下，开环检测电路动态范围不能满足要求，无法用以检测MEMS加速度传感器电容变化。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种精度高、动态范围高的MEMS加速度传感器伺服读出电路。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种MEMS加速度传感器伺服读出电路，包括读出放大电路、参考电压源、环路滤波补偿电路、采样/保持缓冲器、动态锁存比较器和多相时钟源，所述多相时钟源的输出端与读出放大电路、环路滤波补偿电路相连，待测电容的上下极板与多相时钟源相连，待测电容中间极板与读出放大电路相连；读出放大电路的输出端与环路滤波补偿电路的输入端相连，环路滤波补偿电路的输出端分别与采样/保持缓冲器的输入端、动态锁存比较器的输入端相连，采样/保持缓冲器的输出端输出与待测电容成正比的电压信号，动态锁存比较器的输出端与多相时钟源的输入端相连，所述参考电压源与读出放大电路相连。

上述MEMS加速度传感器伺服读出电路还包括杂散电容补偿阵列，所述杂散电容补偿阵列具有三个输出端口，第一输出端口与第三输出端口分别连接待测电容上极板与下极板，第二输出端口连接待测电容中间极板。

上述MEMS加速度传感器伺服读出电路中，所述参考电压源包括基准电压源、缓冲器、运算放大器、第一电阻和第二电阻，基准电压源输出基准电压，缓冲器的输入端与基准电压源的输出端相连，缓冲器的输出端经第一电阻后与运算放大器的反相输入端相连，运算放大器的同相输入端接地，第二电阻的一端与运算放大器的反相输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连，运算放大器的输出端与读出放大电路相连。

上述MEMS加速度传感器伺服读出电路还包括环路补偿寄存器，所述环路补偿寄存器与环路滤波补偿电路相连。

本发明的有益效果在于：本发明将离散信号转换为携带加速度信号的数字比特流输出，通过相关双采样技术消除了失调电压，实现了电容的高精度读出；本发明同时集成设计了一个大于10bit数模转换器，通过数字闭环反馈可以准确抵消重力加速度的影响；8bit杂散电容补偿阵列，可以补偿MEMS待测电容阵列，数模转换器和杂散电容补偿阵列提高了检测电路动态范围。

附图说明

图1为现有技术中读出电路的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明杂散电容补偿阵列的电路结构示意图。

图4为本发明参考电压源的电路结构示意图。

图5为本发明读出放大电路的电路结构示意图。

图6为本本发明环路滤波补偿电路的电路结构示意图。。

图7为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是，描绘的实施例只是为了加深对本发明的理解，不会对其起限定作用。

如图2所示，本发明包括读出放大电路1、环路滤波补偿电路2、动态锁存比较器3、采样/保持缓冲器4、参考电压源5、杂散电容补偿阵列6、多相时钟源7、环路补偿寄存器9和补偿电容寄存器10，所述环路补偿寄存器9与环路滤波补偿电路2相连。

多相时钟源7的输出端与读出放大电路1、环路滤波补偿电路2相连，为读出放大电路1及环路滤波补偿电路2提供工作时序；待测电容的上下极板与多相时钟源7相连，多相时钟源7生成方波，加到待测电容的上下极板，实现调制，多相时钟源7利用内部同步单元电路，用以实现多相时钟信号做同步处理。

如图3所示，图3为本发明杂散电容补偿阵列6的电路结构示意图。C0‐C8为可编程电容阵列，除C8外，它们分别通过CMOS传输门开关与上、下极板相连，传输门受图中左侧8bit(b0‐b7)信号控制，比如C0可以通过开关b0与上极板相连，也可以通过开关b0′与下极板相连，b0、b0′都为CMOS传输门，它们有且只有一个导通，因此当b0导通时，C0并联在上极板中间极板之间，否则并联在下极板与中间极板之间。为模拟MEMS电容变化时，加速度传感器伺服读出电路输出结果将发生相应变化，这里可以改变8bit补偿电容阵列，来获得改变MEMS电容的大小，MEMS电容差的大小线性变化，那么读出放大器的输出也将线性变化，这可以不用连接MEMS传感器则可以对加速度传感器伺服读出电路进行测试,杂散电容补偿阵列6增大了补偿电容阵列的数字位数，当同样电容下，那么每一步长电容就越小，用以补偿MEMS加速度传感器上、中、下相邻极板之间寄生电容不相等，让质量块在维持在上下极板中心位置。

如图4所示，参考电压源5，用以产生低噪声低温漂基准电压源、低温漂系数电流源。参考电压源5包括基准电压源68、缓冲器69、运算放大器70、电阻R₁和电阻R₂，基准电压源68通过缓冲器69产生基准电压vrefp，vrefp通过电阻R₁作用于运算放大器70的反相输入端，故输出电压与vrefp反相。电阻R₂跨接在运算放大器70的输出端和反相输入端，电阻R₁和电阻R₂的阻值相等，则引入了电压并联负反馈，运算放大器70的同相输入端交流接地，则可得运算放大器70输出端与读出放大电路相连，其输出电压为vrefn；参考电压源5输出和温度关系可以调节，用以实现整个加速度传感器读出电路灵敏度最优化。

读出放大电路1用以将MEMS传感器差分电容变化转变为电压变化，如图5所示，待测电容中间极板与差分放大器S31反相输入端相连，同时差分放大器S31与第一电容Cf构成电荷积分器，用以检测差分电容变化而形成的转移电荷，输出同待测电容成正比例的调幅信号，第一开关S14连接待测电容上极板与电压vdd，第二开关S19连接待测电容下极板与vss，第三开关S17连接待测电容上极板与共模电压gnd，第四开关S22连接待测电容下极板与共模电压gnd，第5开关到第14开关S15、S16、S20、S21、S24、S25、S26、S28、S29、S30周期性导通将差分放大器S31的输入端和输出端与外部参考电压相连，完成周期的置位，实现了对MEMS电容的检测，差分放大器S31输出信号Vx，即输出同待测电容成正比的电压信号。多相时钟源7输出数字时序信号控制第一开关S1到第14开关。由于待测MEMS电容的频率往往是位于低频段，为了提高读出电路的精度必须要降低读出电路的低频噪声。低频噪声以晶体管闪烁噪声为主，相关双采样是最为有效消除闪烁噪声的方式之一。但是通过复杂电路实现相关双采样会引入过多的热噪声，显然不可取，本发明提供的相关双采样方法简单，联合运算放大器S31，可以将整个读出电路的噪声水平降至最低。读出放大电路1产生同待测电容成正比的输出电压，该输出电压可由下面公式确定：

V_{X} = \frac{2 * v r e f p * (C_{t o p} - C_{b o t})}{C_{f}}

公式中Vx是读出放大电路1与待测电容成正比的输出电压，C_top-C_bot是待测电容的差分值，C_f是积分电容。

读出放大电路1内部集成了大于10bit的数模转换器，数模转换器数字位数越多，量化误差也越小，通过反馈用以提高MEMS加速度传感器消除重力加速度。

环路滤波补偿电路2，用以实现电路噪声的整形，将低频噪声信号转移至高频，如图6所示，包括第三积分器73、第四积分器74.第五积分器75和差分加法器76，读出放大电路1输出端连接至第三积分器73，第三积分器73输出端连接第四积分器74，第四积分器74输出端端连接第五积分器75；读出放大电路1输出端连接差分加法器76的开关60与开关57、第三积分器73输出端连接至差分加法器76开关52、第四积分器74输出端连接至开关51、第五积分器75输出端连接至开关49；多相时钟源7输出数字时钟控制第三积分器73、第四积分器74、第五积分器75、差分加法器76，第三积分器73输出为Vo3，第四积分器74输出为Vo4，第五积分器75输出为Vo5，环路滤波补偿电路2输出则为差分加法器76输出Vo：

第三积分器73输出如下所示：

V_o3(n)＝3.334·V_x+V_o3(n-1)

式中V_x表示读出放大电路输出、V_o3(n-1)表示第三积分器第(n‐1)个周期的输出；

第四积分器74输出如下所示：

V_o4(n)＝0.05·V_o3(n)+V_o4(n-1)-0.03·V_o5(n)

式V_o3(n)表示第三积分器第(n)个周期的输出、V_o4(n-1)表示第四积分器第(n‐1)个周期的输出、V_o5(n)表示第五积分器第(n)个周期的输出；

第五积分器输出75如下所示：

V_o5(n)＝-0.003·V_o5(n)+0.01667V_o4(n-1)+V_o5(n-1)

式V_o5(n)表示第五积分器第(n)个周期的输出、V_o4(n-1)第四积分器第(n‐1)个周期的输出、V_o5(n-1)表示第五积分器第(n‐1)个周期的输出；

环路滤波补偿电路2输出电压则为差分加法器76输出，可由下面公式确定：

V_{o} = \frac{C_{a 1}}{C_{f}} \cdot (V_{a 1}^{'} - V_{a 1}) + \frac{C_{a 2}}{C_{f}} \cdot (- V_{a 2}) + \frac{C_{a 3}}{C_{f}} \cdot (- V_{a 3}) + \frac{C_{a 4}}{C_{f}} \cdot (- V_{a 4}) + \frac{C_{a 5}}{C_{f}} \cdot (- V_{a 5}) .

式中V′_a1-V_a1表示读出放大电路相邻两个周期之差、V_a2表示读出放大电路输出、V_a3表示第三积分器的输出、V_a4表示第四积分器的输出、V_a5表示第五积分器的输出；电容C_a1、C_a2、C_a3、C_a4、C_a5分表如图6表示差分加法器中的积分电容。

采样/保持缓冲器4，实质是sigma-delta调制器的模拟输出，其输入端与环路滤波补偿电路2的输出端相连，其输出端输出与待测电容成正比的电压信号。

动态锁存比较器3，其为调制器的一部分，动态锁存比较器3的输入端与环路滤波补偿电路2的输出端相连，将环路滤波补偿电路2输出的电压信号转变以一定方波输出。

数模转换器和电容补偿阵列可使检测电路达到更高动态范围。

图7为本发明读出电路的工作流程图，具体流程如下所示：

S01、通过信号，启动复位状态；

S02、将各寄存器、数模转换器、杂散电容补偿阵列进行初始化；

S03、等待一段时间让参考电压源提供的VREF稳定；

S04、停止拉升传感器质量块，让MEMS传感器上、下极板与中间极板之间的电容c1、c2分别相等；

S05、杂散电容校正，当MEMS传感器上、下极板与中间极板之间电容c1＝c2时，那么转为S08步骤，

当MEMS传感器上、下极板与中间极板之间电容c1≠c2时，那么转为S06步骤；

S06、利用杂散电容补偿阵列，通过改变杂散电容值大小，用以与MEMS传感器电容c1、c2并联，达到使传感器电容平衡时大小相等；

S07、校正加载到传感器中央极板电压大小(且典型值为数模转换器的输出电压Vdac)；

S09、调整杂散电容，其中根据S06步骤中环路滤波补偿电路输出与S07步骤中环路滤波补偿输出进行对比；

S10、判断加载到MEMS传感器中间极板的电压是否等于数模转换器的输出电压值Vdac，当加载到中间极板的电压等于数模转换器输出电压Vdac时，那么转为S11步骤，

当加载到中间极板的电压不等于数模转换器输出电压Vdac时，那么转为S06步骤；

S08、校正加载到MEMS传感器中间极板上电压(典型值等于数模转换器输出电压Vdac)；

S11、等待数模转换器输出稳定；

S12、完成上面步骤之后，那么该步骤之后则运行传感器与MEMS加速度传感器读出电路；

S13、通过内部输出超过负载指示，可以用来判断是否满足过载检测条件，当不满足过载条件时，则转为步骤S04，当满足过载条件时，则转为步骤S13。上述是对本发明一种实施方式的描述，在本发明的范围内可以进行各种改变、变换实施例，在不改变本发明实质内容的前提下所作出的各种改变，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种MEMS加速度传感器伺服读出电路，其特征在于：包括读出放大电路、参考电压源、环路滤波补偿电路、采样/保持缓冲器、动态锁存比较器和多相时钟源，所述多相时钟源的输出端与读出放大电路、环路滤波补偿电路相连，待测电容的上下极板与多相时钟源相连，待测电容中间极板与读出放大电路相连；读出放大电路的输出端与环路滤波补偿电路的输入端相连，环路滤波补偿电路的输出端分别与采样/保持缓冲器的输入端、动态锁存比较器的输入端相连，采样/保持缓冲器的输出端输出与待测电容成正比的电压信号，动态锁存比较器的输出端与多相时钟源的输入端相连，所述参考电压源与读出放大电路相连。

2.如权利要求1所述的MEMS加速度传感器伺服读出电路，其特征在于：还包括杂散电容补偿阵列，所述杂散电容补偿阵列具有三个输出端口，第一输出端口与第三输出端口分别连接待测电容上极板与下极板，第二输出端口连接待测电容中间极板。

3.如权利要求1或2所述的MEMS加速度传感器伺服读出电路，其特征在于：所述参考电压源包括基准电压源、缓冲器、运算放大器、第一电阻和第二电阻，基准电压源输出基准电压，缓冲器的输入端与基准电压源的输出端相连，缓冲器的输出端经第一电阻后与运算放大器的反相输入端相连，运算放大器的同相输入端接地，第二电阻的一端与运算放大器的反相输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连，运算放大器的输出端与读出放大电路相连。

4.如权利要求3所述的MEMS加速度传感器伺服读出电路，其特征在于：所述读出放大电路上集成有8bit电容补偿阵列。