CN104614552A - 五电极微机械加速度计数字闭环控制电路及其接口电路以及五电极微机械加速度计系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其包括依次连接的电容读出前端电路、控制器、Σ-Δ调制器以及反馈电压产生电路，其中，所述控制器包括一积分器，该积分器用于使低频域的输入为零的所述电压信号输出不为零。此外，本发明还提供了一种包含该数字闭环控制电路的五电极微机械加速度计接口电路以及五电极微机械加速度计系统。

Description

五电极微机械加速度计数字闭环控制电路及其接口电路以及五电极微机械加速度计系统

技术领域

本发明属于MEMS惯性器件领域，具体涉及一种五电极微机械加速度计数字闭环控制电路及其接口电路以及五电极微机械加速度计系统。

背景技术

微机械加速度计结合了MEMS工艺和IC工艺的技术优势，具有体积小、功耗小、成本低等特点，在民用和军事应用中均具有巨大潜力，已成为各国研究机构或公司的研究热点。其中电容式微加速度计由于低功耗、高灵敏度、结构简单、温度敏感性低等优点而逐渐成为微加速度计研究的主流。

加速度计可以工作在开环状态或者闭环状态。开环工作状态下，加速度计的输出由动极板的位移和位移检测电路决定，但动极板偏离平衡位置会使输出存在非线性。闭环工作状态下，由输出决定的反馈力被加载到加速度计敏感结构上，使动极板回到平衡位置，加速度计克服位移引起的非线性影响。闭环工作的加速度计的输出与需要保持动极板在平衡位置的静电力成正比，对敏感结构和电路的工艺偏差也更不敏感。

现有技术中通常采用高阶Σ-Δ微加速度计结构，实现了低噪声数字输出微机械加速度计系统。但系统的输出仍与动极板的位移直接相关，存在较大的非线性，对敏感结构和电路的工艺偏差非常敏感。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种可以使动极板保持在平衡位置且对敏感结构和电路的工艺偏差不敏感的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路及其接口电路，以及采用该数字闭环控制电路的五电极微机械加速度计系统。

一种五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其包括：

电容读出前端电路，用于检测所述五电极微机械加速度计的检测极板间差分电容，并转换为成比例的电压信号；

控制器，接收所述电容读出前端电路输出的电压信号，并调节以改变所述五电极微机械加速度计和数字闭环控制电路组成的系统的开环传递函数，保证该系统的稳定性和动态性能，该控制器包括一积分器，该积分器用于使低频区域输入为零的所述电压信号输出不为零；

Σ-Δ调制器，用于将所述控制器输出的信号转换成位流信号，并提供数字输出，以及

反馈电压产生电路，包括检测电路和反馈电路，所述检测电路给所述五电极微机械加速度计的检测极板施加所述位流信号产生的载波，所述反馈电路根据所述位流信号产生的反馈信号作用于所述五电极微机械加速度计的反馈极板以及动极板上并产生反馈静电力，使所述五电极微机械加速度计的动极板处于平衡位置。

一种五电极微机械加速度计接口电路，其包括时钟产生电路、参考电压产生电路、偏置电流产生电路以及所述数字闭环控制电路，其中，所述时钟产生电路为所述电容读出前端电路、控制器、Σ-Δ调制器以及反馈电压产生电路提供时钟信号，所述参考电压产生电路为所述电容读出前端电路、控制器、Σ-Δ调制器以及反馈电压产生电路提供参考电压，所述偏置电流产生电路为所述电容读出前端电路、控制器以及Σ-Δ调制器提供偏置电流。

一种五电极微机械加速度计系统，包括五电极微机械加速度计以及所述五电极微机械加速度计接口电路。

相对于现有技术，本发明通过使用包含积分器的控制器来实现所述五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，采用该控制器可以使在低频区域所述电容读出前端电路输出的电压信号为零时，该数字闭环控制电路的输出信号仍然不为零，即可以很好地控制所述五电极微机械加速度计的动极板即使在有加速度信号输入的情况下仍然能保持在平衡位置，从而克服了动极板位移造成的非线性。此外，该数字闭环控制电路对加速度计的敏感结构和电路的工艺偏差不敏感，从而有效地提高了所述五电极微机械加速度计系统的稳定性和动态性能，且适于大批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计系统的功能框图。

图2是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计接口电路的功能框图。

图4是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路的功能框图。

图5是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计系统的功能模块连接框图。

图6是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路中电容读出前端电路的原理图。

图7是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路中采用全差分开关电容积分器作为控制器的电路原理图。

图8是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路工作所述的主时钟、第一时钟相、第二时钟相以及控制器中斩波电路不交迭时钟的时序图。

图9是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路中采用单端控制器作为控制器的电路原理图。

图10是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路中单端转差分电路的电路原理图。

图11是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路中Σ-Δ调制器的功能模块连接框图。

图12是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计数字闭环电路的工作时序图。

图13是本发明实施例提供的五电极微机械加速度计系统的开环传递函数波特图。

主要元件符号说明

五电极微机械加速度计系统             100

五电极微机械加速度计                 10

敏感质量块、动极板                   12

梁                                   14

检测上极板                           15

检测下极板                           16

反馈上极板                           17

反馈下极板                          18

接口电路                            20

数字闭环控制电路                    30

电容读出前端电路                    32

控制器                              34

带斩波电路的全差分开关电容积分器    34a，34b

斩波电路                            342，342’

Σ-Δ调制器                         36

第一级积分器                        362

第二级积分器                        364

第三级积分器                        366

量化器                              368

电压反馈产生电路                    38

检测电路                            382

反馈电路                            384

时钟产生电路                        40

参考电压产生电路                    42

偏置电流产生电路                    44

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路及其接口电路以及五电极微机械加速度计系统。

请参阅图1，本发明实施例首先提供一种五电极微机械加速度计系统100，该五电极微机械加速度计系统100包括五电极微机械加速度计10以及与该五电极微机械加速度计10连接的接口电路20，该接口电路20可获取输入到所述五电极微机械加速度计10的加速度信息，并产生载波和反馈信号加载到五电极微机械加速度计10。

请参阅图2，所述五电极微机械加速度计10为一电容式加速度计，其包括敏感质量块12、梁14、检测上极板15、检测下极板16、反馈上极板17以及反馈下极板18。所述五电极微机械加速度计10包括两根所述梁14连接在所述敏感质量块12沿敏感方向上的两端。当外界输入加速度时，所述敏感质量块12会沿所述敏感方向运动，该敏感质量块12可引出电极作为该五电极微机械加速度计10的动极板(中间极板)。所述检测上极板15、检测下极板16、反馈上极板17以及反馈下极板18为定极板。本发明实施例中为简化说明，采用标号12同时表示所述动极板。所述动极板12在所述外界输入加速度的作用下，相对于固定不动的检测上极板15、检测下极板16、反馈上极板17以及反馈下极板18会产生位移，从而所述定极板与动极板之间的差分电容会发生变化，进而来检测外界输入的加速度的大小。电容式的五电极加速度计均适用于本发明。本发明实施例中，所述五电极微机械加速度计10为梳齿电容式加速度计。该梳齿电容式加速度计的所述敏感质量块12沿敏感方向的两边设置有多对动梳齿，可随所述敏感质量块运动。所述检测上极板15、检测下极板16、反馈上极板17以及反馈下极板18也均沿敏感方向可设置一对或多对定梳齿。

请参阅图3，所述接口电路20包括数字闭环控制电路30、时钟产生电路40、参考电压产生电路42以及偏置电流产生电路44。所述接口电路20通过所述数字闭环控制电路30连接于所述五电极微机械加速度计10，所述时钟产生电路40、参考电压产生电路42以及偏置电流产生电路44分别为所述数字闭环控制电路30工作提供所需的时钟信号、参考电压以及偏置电流。

请一并参阅图3-5，所述数字闭环控制电路30包括依次连接的电容前端读出电路32、控制器34、Σ-Δ调制器调制器36以及反馈电压产生电路38。

所述五电极微机械加速度计10的检测极板与动极板间产生的差分电容输入到所述电容读出前端电路32中，并被该电容读出前端电路32转化为与该差分电容成正比例的电压信号。

请参阅图6，本发明实施例中，所述电容读出前端电路32包括前置放大器A₁、输入电容C_i、反馈电容C_f以及开关S_R1、S_R2以及S_R3。其中，所述输入电容C_i的一个电极接前置放大器A₁的反相输入端，另一个电极接所述五电极微机械加速度计10的动极板12，同时和所述电容读出前端电路32或前置放大器A₁的输出端V_SENSE之间接有反馈电容C_f，所述开关S_R1并联在所述前置放大器A₁的反相输入端与输出端V_SENSE之间，所述前置放大器A₁的同相输入端接地，所述五电极微机械加速度计10的检测上极板15与动极板12以及检测下极板16与动极板12产生的等效电容C_RS1和C_RS2通过所述输入电容C_i输入到所述前置放大器A₁的反相输入端。所述开关S_R2与所述五电极微机械加速度计10的检测上极板15连接，所述开关S_R3与所述五电极微机械加速度计10的检测下极板16连接。进一步地，该电容读出前端电路32可包括一寄生电容C_P，该寄生电容C_P的一个电极接地，另一个电极接所述五电极微机械加速度计10的动极板12。所述电容读出前端电路32的输出对所述寄生电容C_P不敏感。

所述开关S_R1在第一时钟相Φ₁时闭合。所述开关S_R2在所述第一时钟相Φ₁时接共模电压V_m，在第二时钟相Φ₂时接地。所述开关S_R3在所述第一时钟相Φ₁时接共模电压-V_m，在所述第二时钟相Φ₂时接地。所述共模电压V_m可根据需求设置，可以为参考电压也可以为电源电压。

所述前置放大器A₁用于将来自加速度计的微小差分电容进行低噪声放大，并输出为与该差分电容成正比例的电压信号。本发明实施例中，所述前置放大器A₁采用摆率增强的两级折叠式Cascode结构的运算放大器。

所述电容读出前端电路32输出的电压信号V_SENSE为：

$V_{\mathrm{SENSE}}=\frac{V_m}{C_f}(C_{\mathrm{RS}2}-C_{\mathrm{RS}1});$

输出电压V_SENSE对动极板位移x关系为：

$V_{\mathrm{SENSE}}=\frac{V_m{C}_{\mathrm{RS}0}}{C_f{d}_0}x;$

其中，C_RS0为所述动极板12处于平衡位置时的等效差分电容，当所述动极板12处于平衡位置时，C_RS1＝C_RS2＝C_RS0，d₀为为动极板12在平衡位置时与检测上、下极板15、16的间距。

从公式中也可以看出，输出电压V_SENSE与所述动极板位移x成正比。

所述控制器34用于改变所述五电极微机械加速度计系统100的开环传递函数，调节从所述电容前端读出电路32输出的电压信号以保证所述五电极微机械加速度计系统100的稳定性和动态性能。该控制器34包括一积分器，该积分器可利用其积分的特性保证在低频区域从所述电容前端读出电路32输出的电压信号为零时，该控制器34输出的信号不为零，从而可很好地克服所述五电极微机械加速度计10的动极板位移造成的非线性。所述积分器可以为单端积分器或全差分积分器。所述积分器也可以为离散时间或连续时间的积分器。所述控制器34可以为比例-积分控制器或比例-积分-微分(PID)控制器。本发明第一实施例中，所述控制器34采用全差分开关电容积分器。

更为优选地，请参阅图7，所述控制器34采用带斩波电路的全差分开关电容积分器34a。该带斩波电路的全差分开关电容积分器34a的每一路包括积分电容C_IC、反馈电容C_FC、斩波电路342以及开关S_I1、S_I2、S_I3、S_I4。所述积分电容C_IC的一个电极同时与所述开关S_I1的一端以及开关S_I2的一端连接，所述开关S_I1的另一端接所述电容读出前端电路32的输出，所述积分电容C_IC的另一个电极接所述开关S_I3的一端以及开关S_I4的一端，并通过所述开关S_I4的另一端与所述斩波电路342的输入端连接，所述反馈电容C_FC并联在所述斩波电路342的输入端和输出端之间，所述开关S_I1在第一时钟相Φ_1d闭合，所述开关S_I2在第二时钟相Φ_2d时闭合接参考电压V_ref，所述开关S_I3在第一时钟相Φ₁时闭合接参考电压V_ref，所述开关S_I4在第二时钟相Φ₂闭合接所述斩波电路342。

请参阅图8，所述时钟产生电路40提供工作时钟相Φ₁、Φ_1d、Φ₂、Φ_2d，为该开关电容积分器提供工作时序。其中，所述第一时钟相Φ₁、Φ_1d为采样相，所述第二时钟相Φ₂、Φ_2d为积分相。所述第一时钟相Φ₁、Φ_1d、与所述第二时钟相Φ₂、Φ_2d为两相不交迭时钟。其中，所述第一时钟相Φ₁比第一时钟相Φ_1d、所述第二时钟相Φ₂比第二时钟相Φ_2d提前关断以保证开关电容积分器中电容的电压值不受开关波动的影响。所述第一时钟相Φ₁、Φ_1d与该数字闭环控制电路30的主时钟f_S相同，所述第二时钟相Φ₂、Φ_2d与该数字闭环控制电路30的主时钟f_S相反。

所述斩波电路342可将低频的噪声如1/f噪声、晶体管热噪声等搬移出关心的频带而保留信号的频谱，从而可提升了该数字闭环控制电路30的噪声性能。所述斩波电路342采用的运算放大器采用全差分垮导放大器，该运算放大器采用两级结构，利用共模反馈使用开关电容电路实现。该斩波电路342通过所述时钟产生电路40产生的斩波时钟相Φ_C1、Φ_C1d、Φ_C2、Φ_C2d控制四对开关管实现斩波的功能。所述斩波电路342采用的时钟f_SC同样采用两相不交迭时钟，通过所述斩波时钟相Φ_C1、Φ_C1d、Φ_C2、Φ_C2d实现。同样地，斩波时钟相Φ_C1比Φ_C1d、Φ_C2比Φ_C2d提前关断以保证开关电容积分器中电容的电压值不受开关波动的影响。所述斩波电路342的时钟f_SC可由所述主时钟f_S分频产生。本发明实施例中，所述斩波电路342的时钟f_SC为主时钟f_S的32分频。

该控制器34输入信号V_IN对输出信号V_OUT离散时间函数为：

$\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}}}=\frac{C_{\mathrm{IC}}}{C_{\mathrm{FC}}}\frac{1}{z-1},$

利用双线性变换得到连续时间传递函数为：

其中，z＝e^STs，T_S为主时钟周期，s＝jω＝j2πf。

可通过片外调节所述积分电容C_IC和反馈电容C_FC的值来调节该控制器34的增益，从而可使该五电极微机械加速度计系统100具有更好的稳定性和动态性能。

此外，所述控制器34也可以采用单端控制器实现。请参阅图9，本发明另一实施例中，所述控制器34为单端PID控制器，该单端PID控制器具有两级电路，第一级为比例环节，第二级为积分环节。该单端PID控制器包括放大器A₂、A₃、电阻R_P1、R_P2、R_P3、R_P4、R_P5、R_Pi、R_Pj以及电容C_P1、C_P2。所述电阻R_P1的一端接所述电容读出前端电路32的输出，另一端接所述放大器A₂的反相输入端，所述电阻R_P2和电容C_P1串联后与所述电阻R_P3并联，并跨接在所述放大器A₂的反相输入端和输出端之间，所述电阻R_Pi一端接所述放大器A₂的正相输入端，另一端接参考电压V_ref；所述放大器A₂的输出端通过所述电阻R_P4接所述放大器A₃的反相输入端，所述电阻R_P5和电容C_P2串联后跨接在所述放大器A₃的反相输入端和输出端之间，所述电阻R_Pj一端接所述放大器A₃的正相输入端，另一端接参考电压V_ref。

该单端PID控制器输入对输出的传递函数为：

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{R_{P3}}{R_{P1}{R}_{P4}{C}_{P2}}\frac{1+s{R}_{P2}{C}_{P1}}{s}\frac{1+s{R}_{P5}{C}_{P2}}{1+s(R_{P2}+R_{P3})C_{P1}};$

当所述控制器34为所述单端控制器时，该数字闭环控制电路30进一步包括一单端转差分电路串联在所述控制器34与所述Σ-Δ调制器36之间。优选地，所述单端转差分电路为带斩波电路的全差分开关电容电路34b。请参阅图10，本发明实施例采用所述带斩波电路的全差分开关电容电路34b作为所述单端转差分电路，该带斩波电路的全差分开关电容电路34b具有两个差分输入端，一个差分输入端接所述单端控制器的输出，另一差分输入端接参考电压V_ref。该带斩波电路的全差分开关电容电路34b的每一路包括积分电容C_IB、反馈电容C_FB、斩波电路342’以及开关S_B1、S_B2、S_B3、S_B4、S_B5。所述积分电容C_IB的一个电极同时与所述开关S_B1的一端以及开关S_B2的一端连接，所述开关S_B1的另一端接所述单端控制器的输出，所述积分电容C_IB的另一个电极接所述开关S_B3的一端以及开关S_B4的一端，并通过所述开关S_B4的另一端与所述斩波电路342’的输入端连接，所述反馈电容C_FB并联在所述斩波电路342’的输入端和输出端之间。

所述开关S_B1在第二时钟相Φ_2d闭合，所述开关S_B2在第一时钟相Φ_1d时闭合接参考电压V_ref，所述开关S_B3在第二时钟相Φ₂时闭合接参考电压V_ref，所述开关S_B4在第一时钟相Φ₁闭合接所述斩波电路342’。其中，第一时钟相Φ₁、Φ_1d为放大相，第二时钟相Φ₂、Φ_2d为采样相。

所述斩波电路342’与所述斩波电路342相同，在此不再赘述。

该单端转差分电路输出对输入的放大倍数为：C_IB/C_FB。

所述Σ-Δ调制器36用于将所述控制器输出的模拟信号转换成位流信号。习知的Σ-Δ调制器均可用于本发明。优选地，所述Σ-Δ调制器36可以积分器级联的反馈馈拓扑结构(cascade of integrators,feedback form，CIFB)、积分器级联的前馈拓扑结构(cascade of integrators,feed forward form,CIFF)、谐振器级联的反馈馈拓扑结构(cascade of resonators,feedback form，CRFB)或谐振器级联的前馈拓扑结构(cascade of resonators,feed forward form，CRFF)。请参阅图11，本发明实施例中，所述Σ-Δ调制器36选取三阶一位量化器的积分器级联前馈结构(CIFF)。该Σ-Δ调制器36包括依次连接的第一级积分器362、第二级积分器364、第三级积分器366以及量化器368。其中，从该Σ-Δ调制器36输入的信号到所述第二级积分器364以及第三级积分器366均有通路，从而实现了前馈。本发明实施例中，该Σ-Δ调制器36的输入端与所述第二级积分器364的输入端之间以及该Σ-Δ调制器36的输入端与所述第三级积分器366的输入端之间均分别并联有前馈采样电容。

所述第一级积分器362、第二级积分器364以及第三级积分器366的输入端均分别接有采样电容，且输入端与输出端之间均分别接有反馈电容。所述第一级积分器362优选地采用所述带斩波电路的全差分开关电容积分器34a来实现。所述第一级积分器362、第二级积分器364以及第三级积分器366中采用的运算放大器优选为所述全差分垮导放大器。采用CIFF结构的该Σ-Δ调制器36的各级积分器中采样电容对反馈电容的比值(分别为A，B和C)均比较小且所述第三级积分器366的输出幅度较小，从而可最大程度地保证了所述Σ-Δ调制器36的稳定性和输入幅度。优选地，所述各级积分器中采样电容对反馈电容的比值A、B、C小于0.3。1/(z-1)是各级积分器在z域的传递函数。

所述量化器368为一位量化器，优选地采用高速比较器来实现。所述Σ-Δ调制器36一方面将输入的信号转换成位流信号，同时把低频区域的噪声搬移至高频区域，实现了噪声整形，但信号没有受到影响，因此可以认为在低频区域其传递函数为1。采用一位Σ-Δ调制器可具有高输入范围和稳定性，从而可使所述五电极微机械加速度系统100具有更大的输入，实现更高的量程。

所述电压反馈产生电路38包括检测电路382和反馈电路384，所述检测电路382给所述五电极微机械加速度计10的检测极板施加所述位流信号产生的载波。所述反馈电路384根据所述位流信号产生的反馈信号作用于所述五电极微机械加速度计10的反馈极板以及动极板上并产生反馈静电力，使所述五电极微机械加速度计10的动极板处于平衡位置。

加载在所述五电极微机械加速度计10敏感结构上的反馈静电力F_e与所述Σ-Δ调制器36输出的位流信号D的传递函数为：

$\frac{F_e}{D}=\frac{C_{\mathrm{SF}0}}{2d_0}{V_{\mathrm{fb}}}^2{z}^{-\frac{1}{2}};$

即为 $\frac{F_e}{D}=\frac{C_{\mathrm{SF}0}}{2d_0}{V_{\mathrm{fb}}}^2{e}^{-S\frac{T_S}{2}};$

其中，V_fb为反馈电压，所述反馈电压V_fb越大，该加速度计系统100的量程越大。d₀为为动极板12在平衡位置时与上、下极板16、18的间距，C_SF0为所述动极板处于平衡位置时，所述反馈极板与所述动极板间的等效差分电容。

请返回参阅图5，所述时钟产生电路40为该五电极微机械加速度计系统100提供所需的工作时序。具体地，所述时钟产生电路40为所述电容读出前端电路32、控制器34、Σ-Δ调制器36以及反馈电压产生电路38提供时钟信号。该时钟产生电路40可通过片载时钟发生器和两相不交迭电路为所述五电极微机械加速度计系统100提供正确的工作时序。

所述参考电压产生电路42可通过片载参考电压发生器为所述五电极微机械加速度计系统100提供参考电压。具体地，所述参考电压产生电路42为所述电容读出前端电路32、控制器34、Σ-Δ调制器36以及反馈电压产生电路38提供参考电压V_ref。

所述偏置电流产生电路44为所述电容读出前端电路32、控制器34以及Σ-Δ调制器36提供偏置电流。

此外，所述数字闭环控制电路30包括一电源(图未示)为所述五电极微机械加速度计系统100提供工作电压V_DD。

所述接口电路20可采用全CMOS集成电路工艺制作成一集成芯片。该集成芯片由于包含所述数字闭环控制电路，从而可以利用单块芯片实现所述五电极微机械加速度计10的电路模块，大大减小了所述五电极微机械加速度计系统100的体积和功耗、降低了成本、提高了性能。

请一并参阅图6和图12，该五电极微机械加速度计系统100在工作时，所述时钟产生电路40产生频率为f_S的主电路时钟以及频率为f_R的电容读出前端电路时钟。所述检测上极板15和检测下极板16以f_R的频率与电源电压V_DD、地GND或参考电压V_ref接通形成载波，所述动极板12悬空，所述电容读出前端电路读出敏感结构的差分电容。所述反馈上极板17和反馈下极板18在所述Σ-Δ调制器36输出的位流信号控制下以f的频率与反馈电压V_fb和地GND接通，产生反馈信号，并在反馈极板以及动极板上形成反馈静电力。后级所述控制器34、Σ-Δ调制器36也在主时钟f_S的控制下工作，以实现数字闭环电路。其中，所述主时钟f_S越快，噪声越低，所述电容读出前端电路时钟f_R的频率不能太快。所述主时钟f_S与所述电容读出前端电路时钟f_R的大小比例关系为f_S：f_R＝8：1至12：1，优选地，f_S：f_R＝10：1。

本发明实施例采用所述全差分开关电容积分器作为所述控制器时，所述提供的五电极微机械加速度计系统的开环传递函数H₀为：

$H_0=e^{-S\frac{T_S}{2}}\frac{1}{{\mathrm{ms}}^2+\mathrm{bs}+k}\frac{V_m{V_{\mathrm{fb}}}^2{C}_{\mathrm{SR}0}{C}_{\mathrm{SF}0}}{2C_f{d_0}^2}\frac{C_{\mathrm{IC}}}{C_{\mathrm{FC}}{T}_S}\frac{1}{s},$

其中，m为所述敏感质量块的质量，b为阻尼系数，k为刚度。

本发明实施例采用所述单端PID控制器作为所述控制器时，所述五电极微机械加速度计系统的开环传递函数H₀为：

$H_0=e^{-S\frac{T_S}{2}}\frac{1}{{\mathrm{ms}}^2+\mathrm{bs}+k}\frac{V_m{V_{\mathrm{fb}}}^2{C}_{\mathrm{SR}0}{C}_{\mathrm{SF}0}}{2C_f{d_0}^2}\frac{R_{P3}}{R_{P1}{R}_{P4}{C}_{P2}}\frac{1+{\mathrm{sR}}_{P2}{C}_{P1}}{s^2}\frac{1+{\mathrm{sR}}_{P5}{C}_{P2}}{1+s(R_{P2}+R_{P3})C_{P1}};$

请参阅图13，从本发明实施例采用所述单端控制器作为所述控制器的所述五电极微机械加速度计系统100的波特图中可以看出，为典型的I型系统，幅度曲线以-20dB/dec的斜率过零点，相位裕度较大，系统的稳定性非常高。

本发明通过使用包含积分器的控制器来实现所述五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，采用该积分器可以使在低频区域所述电容读出前端电路输出的电压信号为零时，该数字闭环控制电路的输出信号仍然不为零，即可以很好地控制所述五电极微机械加速度计的动极板即使在有加速度信号输入的情况下仍然能保持在平衡位置，从而克服了动极板位移造成的非线性。此外，该数字闭环控制电路对加速度计的敏感结构和电路的工艺偏差不敏感，从而有效地提高了所述五电极微机械加速度计系统的稳定性和动态性能。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (13)

1.一种五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，包括：

电容读出前端电路，用于检测五电极微机械加速度计检测极板间差分电容，并转换为成比例的电压信号；

控制器，接收所述电容读出前端电路输出的电压信号，并调节以改变所述五电极微机械加速度计和数字闭环控制电路组成的系统的开环传递函数，保证该系统的稳定性和动态性能，该控制器包括一积分器，该积分器用于使低频域输入为零的所述电压信号输出不为零；

Σ-Δ调制器，用于将所述控制器输出的信号转换成位流信号，并提供数字输出，以及

反馈电压产生电路，包括检测电路和反馈电路，所述检测电路给所述五电极微机械加速度计的检测极板施加所述位流信号产生的载波，所述反馈电路根据所述位流信号产生的反馈信号作用于所述五电极微机械加速度计的反馈极板以及动极板上并产生反馈静电力，使所述五电极微机械加速度计的动极板处于平衡位置。

2.如权利要求1所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述电容读出前端电路包括前置放大器A₁、输入电容C_i、反馈电容C_f以及开关S_R1、S_R2以及S_R3，其中，所述输入电容C_i的一个电极接前置放大器A₁的反相输入端，另一个电极接所述五电极微机械加速度计的动极板，同时和所述前置放大器A₁的输出端V_SENSE之间接有反馈电容C_f，所述开关S_R1并联在所述前置放大器A₁的反相输入端与输出端V_SENSE之间，所述前置放大器A₁的同相输入端接地，所述五电极微机械加速度计极板间产生的等效电容通过所述输入电容C_i输入到所述前置放大器A₁的反相输入端，所述开关S_R2与所述五电极微机械加速度计的检测上极板连接，所述开关S_R3与所述五电极微机械加速度计的检测下极板连接；所述开关S_R1在第一时钟相Φ₁时闭合，所述开关S_R2在所述第一时钟相Φ₁时接共模电压V_m，在第二时钟相Φ₂时接地，所述开关S_R3在所述第一时钟相Φ₁时接共模电压-V_m，在所述第二时钟相Φ₂时接地，所述第一时钟相Φ₁和第二时钟相Φ₂反相。

3.如权利要求1所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述控制器为比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。

4.如权利要求1所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述控制器采用单端PID控制器。

5.如权利要求4所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，该单端PID控制器具有两级电路，第一级为比例环节，第二级为积分环节，该单端PID控制器包括放大器A₂、A₃、电阻R_P1、R_P2、R_P3、R_P4、R_P5、R_Pi、R_Pj以及电容C_P1、C_P2，所述电阻R_P1的一端接所述电容读出前端电路的输出，另一端接所述放大器A₂的反相输入端，所述电阻R_P2和电容C_P1串联后与所述电阻R_P3并联，并跨接在所述放大器A₂的反相输入端和输出端之间，所述电阻R_Pi一端接所述放大器A₂的正相输入端，另一端接参考电压V_ref；所述放大器A₂的输出端通过所述电阻R_P4接所述放大器A₃的反相输入端，所述电阻R_P5和电容C_P2串联后跨接在所述放大器A₃的反相输入端和输出端之间，所述电阻R_Pj一端接所述放大器A₃的正相输入端，另一端接参考电压V_ref。

6.如权利要求5所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述五电极微机械加速度计数字闭环控制电路进一步包括一单端转差分电路，该单端转差分电路串联在所述控制器与所述Σ-Δ调制器之间，所述单端转差分电路为带斩波电路的全差分开关电容电路。

7.如权利要求6所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，该带斩波电路的全差分开关电容电路具有两个差分输入端，一个差分输入端接所述单端PID控制器的输出，另一差分输入端接参考电压V_ref，该带斩波电路的全差分开关电容电路的每一路包括积分电容C_IB、反馈电容C_FB、斩波电路以及开关S_B1、S_B2、S_B3、S_B4、S_B5，所述积分电容C_IB的一个电极同时与所述开关S_B1的一端以及开关S_B2的一端连接，所述开关S_B1的另一端接所述单端PID控制器的输出，所述积分电容C_IB的另一个电极接所述开关S_B3的一端以及开关S_B4的一端，并通过所述开关S_B4的另一端与所述斩波电路的输入端连接，所述反馈电容C_FB并联在所述斩波电路的输入端和输出端之间，所述开关S_B1在第二时钟相Φ_2d闭合，所述开关S_B2在第一时钟相Φ_1d时闭合接参考电压V_ref，所述开关S_B3在第二时钟相Φ₂时闭合接参考电压V_ref，所述开关S_B4在第一时钟相Φ₁闭合接所述斩波电路，其中，第一时钟相Φ₁、Φ_1d为放大相，第二时钟相Φ₂、Φ_2d为采样相，其中，所述第一时钟相Φ₁、Φ_1d与所述第二时钟相Φ₂、Φ_2d为两相不交迭时钟，所述第一时钟相Φ₁比第一时钟相Φ_1d、所述第二时钟相Φ₂比第二时钟相Φ_2d提前关断。

8.如权利要求1所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述Σ-Δ调制器采用积分器级联的反馈馈拓扑结构、积分器级联的前馈拓扑结构、谐振器级联的反馈馈拓扑结构或谐振器级联的前馈拓扑结构。

9.如权利要求1所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述Σ-Δ调制器采用积分器级联的前馈拓扑结构，包括依次连接的第一级积分器、第二级积分器、第三级积分器以及量化器，其中，从该Σ-Δ调制器输入的信号到所述第二级积分器以及第三级积分器均有通路。

10.如权利要求9所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述第一级积分器为带斩波电路的全差分开关电容积分器。

11.一种五电极微机械加速度计接口电路，其特征在于，包括时钟产生电路、参考电压产生电路、偏置电流产生电路以及如权利要求1-10中任意一项所述的数字闭环控制电路，其中，所述时钟产生电路为所述电容读出前端电路、控制器、Σ-Δ调制器以及反馈电压产生电路提供时钟信号，所述参考电压产生电路为所述电容读出前端电路、控制器、Σ-Δ调制器以及反馈电压产生电路提供参考电压，所述偏置电流产生电路为所述电容读出前端电路、控制器以及Σ-Δ调制器提供偏置电流。

12.一种五电极微机械加速度计系统，其特征在于，包括五电极微机械加速度计以及如权利要求11所述的五电极微机械加速度计接口电路。

13.如权利要求12所述的五电极微机械加速度计系统，其特征在于，所述五电极微机械加速度计包括检测上极板、检测下极板、反馈上极板、反馈下极板以及动极板，其中所述上极板和下极板为定极板，该五电极微机械加速度计系统在工作时，所述时钟产生电路产生频率为f_S的主电路时钟以及频率为f_R的电容读出前端电路时钟，所述检测上极板和检测下极板以f_R的频率与电源电压V_DD、地GND或参考电压V_ref接通形成载波，所述动极板悬空，所述电容读出前端电路读出敏感结构的差分电容，所述反馈上极板和反馈下极板在所述Σ-Δ调制器输出的位流信号控制下以f_S的频率与反馈电压V_fb和地GND接通，产生反馈信号，并在反馈极板以及动极板上形成反馈静电力，后级所述控制器、Σ-Δ调制器也在主时钟f_S的控制下工作，以实现数字闭环电路。