CN104714051B - 一种mems加速度计读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MEMS加速度计读出电路，其中，包括输出模块，所述输出模块为一个差分输出与单端输出的输出转换模块，所述输出转换模块为双端差动式信号检测处理结构。可在外部搭建电容桥，可适用于各种加速度计表头，解决直流偏移问题，且电路精度高输出信号的分辨率高。

Description

一种MEMS加速度计读出电路

技术领域

本发明涉及MEMS微惯性仪表领域，尤其涉及一种MEMS加速度计读出电路。

背景技术

MEMS电容式微加速度计的结构微小，输出的信号输出的信号非常微弱，并且是模拟信号，电容变化量非常微小，一般都在10^-15F左右，并且受寄生电容，各种噪声等的影响严重，对这一输出信号进行检测并将这一信号转换成电信号的测试电路难度非常大。且MEMS加速度计随集成工艺的改变比较大，器件参数有很高的不确定性以及各种非线性；其输出的微弱信号检测问题一直是困扰研究工作人员的突出问题。

现有的MEMS加速度计读出电路结构有单端检测结构和差动式检测结构两种。

单端检测结构一般存在：连续时间电压检测(图2)和连续时间电流检测(图3)两种方式，这两种检测结构主要有两个缺点，一是为电路提供直流偏压的电阻Rb要求阻抗非常大，在集成CMOS工艺中，大电阻会占用相当大的芯片面积，产生很大的寄生电容，从而使电路的精度降低；二是这两种检测结构都是用了调制解调方式，因为电路中的低通滤波器会对信号转移函数会使得相位延迟，所以这两种检测电路不适合用反馈电路。虽然增大驱动信号幅度，可以提高单端电路结构的分辨率，但是芯片电源电压幅值和微加速度计的静电力这两种因素限制了驱动信号幅度的提高。当然还可以通过减小运放的输入等效噪声电压和增大运放的带宽来提高电路的分辨率，但是作为代价，其电路的复杂度和功耗要增加。另外单端读出电路结构最棘手的是输入电压V_S的振幅与相位所造成的误差。

差动式读出电路结构(如图4所示)的输入信号源相同，所以不会有输入电压V_S的振幅与相位所造成的误差。差动式结构除了具有单端检测结构的优点外，还可以克服外界的误差以及具有输入端不发生浮动的特性。在如图5中采用的差动式读出电路结构，此结构不仅有差动式检测电路结构的所有优点，而且在模拟集成电路中用开关电容电路来代替大电阻，使得大电阻的实现更加容易，集成化程度也得到了一定程度的提高。但是此结构的输出信号为单端输出，会有较大的不确定的直流偏移问题，另外此结构只有开环工作模式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能具有开环闭环工作模式、又能解决直流偏移问题，且电路精度高输出信号的分辨率高的一种MEMS加速度计读出电路。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种MEMS加速度计读出电路，其中，包括输出模块，所述输出模块为一个差分输出与单端输出的输出转换模块，所述输出转换模块为双端差动式信号检测处理结构。

优选的，还包括前端检测放大器模块，所述前端检测放大器模块为开放式结构。

优选的，还包括一个内部温度传感模块，所述内部集成温度传模块包括温度传感器和运算放大器，所述转换输出模块输出端与温度传感器输出端连接所述运算放大器的输入端。

优选的，还包括自检测模块，所述自检测模块具有单独的一个输入端和输出端。

优选的，还包括标定电容模块，所述标定电容模块包括两片精确匹配的固定电容。

优选的，还包括开关电容低通滤波器模块、连续时间低通滤波器模块和通过外接电容可构成闭环控制的控制器模块。

优选的，所述控制器模块包括PI控制器和Lead-Lag控制器。

优选的，还包括为电路提供电源以及基准电压的电源与基准电压模块。

优选的，还包括时钟信号发生器模块。

优选的，还包括可输出可用于加速度计闭环系统反馈控制的高压模块。

本发明采用双端差动式信号检测处理结构(输出信号有差分输出和单端输出两种输出形式；有开环和闭环两种工作模式；内部集成电压基准，可以给系统内部运算放大器提供精准的、温度系数好的2.5V基准电压；内部集成温度传感器，可对系统中无法内部温度补偿的模块进行温度补偿；内部有两片精确匹配的固定电容，可以用来单独标定电路性能，无需连接表头；具备加速度计表头自检功能；具备高压输出，可用于加速度计闭环系统反馈控制。解决直流偏移问题，且电路精度高输出信号的分辨率高。

附图说明

以下结合附图对本发明做进一步详细说明：

图1是本发明的MEMS加速度计读出电路实施例1的电路示意图；

图2是现有技术中单端连续时间电压检测电路示意图；

图3是现有技术中单端连续时间电流检测电路示意图；

图4是现有技术中差动式检测电路示意图；

图5是采用的差动式读出电路示意图；

图6是本发明的MEMS加速度计读出电路实施例1的0g标定电路示意图；

图7是本发明的MEMS加速度计读出电路实施例1的5g标定电路示意图；

图8是本发明的MEMS加速度计读出电路实施例1的自检测功能电路示意图；

图9是本发明的MEMS加速度计读出电路实施例1的开环电路示意图；

图10是本发明的MEMS加速度计读出电路实施例1的闭环PI控制电路示意图；

图11是本发明的MEMS加速度计读出电路实施例1的闭环Lead-Lag控制电路示意图；

图12是本发明的MEMS加速度计读出电路实施例1的闭环Lead-Lag控制外部温度补偿电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详述：

符号说明：

HVDD：高压模拟电源电压【15V】；

AVDD：模拟电源电压【5V】；

DVDD：数字电源电压【5V】；

AVSS：模拟地【0V】；

DVSS：数字地【0V】；

V_{cm_hv}：高压基准电压输出【7.5V@27℃】；

V_Tsen：温度计电压输出；

V_ref：基准电压输出【2.5V@27℃】；

V_{cm_ct}：模拟地【连续时间】【2.5V】；

S_dtop：加速度计驱动表头上极板连接端；

S_top：加速度计检测表头上极板连接端；

S_ctr：加速度计表头中极板连接端；

S_bot：加速度计检测表头下极板连接端；

S_dbot：加速度计驱动表头下极板连接端；

V_PIin：第二级控制器【PI】运放反相输入端；

V_PIip：第二级控制器【PI】运放正相输入端；

V_LLin：第一级控制器【Lead-Lag】运放反相输入端；

V_LLip：第一级控制器【Lead-Lag】运放正相输入端；

V_LLon：第一级控制器【Lead-Lag】运放反相输出端；

V_LLop：第一级控制器【Lead-Lag】运放正相输出端；

V_PIon：第二级控制器【PI】运放反相输出端；；

V_PIop：第二级控制器【PI】运放正相输出端

V_sto：自检测输出【0–加表正常，1–加表不正常】；

D_st：正常/自检测选择【0–正常(非自检)状态，1–自检状态】；

V_ctfp：连续时间滤波器正相输出端；

V_ctfn：连续时间滤波器反相输出端；

C_5gbot：5g标定电容下极板；

C_5gctr：5g标定电容中极板；

C_5gtop：5g标定电容上极板；

C_0gbot：0g标定电容下极板；

C_0gctr：0g标定电容中极板；

C_0gtop：0g标定电容上极板；

V_inp：差分转单端运放正相输入端；

V_inn：差分转单端运放正相输入端；

V_out：差分转单端运放输出端；

T_ch1：数字时钟Tch1输出；

T₂：数字时钟T₂输出；

T₁：数字时钟T₁输出。

实施例：

如图1所示，一种MEMS加速度计读出电路，其包括：输出模块，所述输出模块为一个差分输出与单端输出的输出转换模块，所述输出转换模块为双端差动式信号检测处理结构；前端检测放大器模块，所述前端检测放大器模块为开放式结构；一个内部温度传感模块，所述内部集成温度传模块包括温度传感器和运算放大器，所述转换输出模块输出端与温度传感器输出端连接所述运算放大器的输入端；自检测模块，所述自检测模块具有单独的一个输入端和输出端；包括标定电容模块，所述标定电容模块包括两片精确匹配的固定电容；包括开关电容低通滤波器模块、连续时间低通滤波器模块和通过外接电容可构成闭环控制的控制器模块。所述控制器模块包括PI控制器和Lead-Lag控制器。还包括为电路提供电源以及基准电压的电源与基准电压模块。还包括时钟信号发生器模块。还包括可输出可用于加速度计闭环系统反馈控制的高压模块。

本发明内部有两片精确匹配的固定电容，在不连接表头的情况下，可以用来单独标定电路性能，如图6所示，将标定电容模块0g电容输出端C_0gbot、C_0gctr、C_0gtop分别连接前端检测放大器模块输入端S_top、S_ctr、S_bot即可得到开环差分输出V_ctfp、V_ctfn，将差分输出端V_ctfp、V_ctfn与差分转单端模块输入端V_inp、V_inn连接即可得到单端输出信号V_out。同样的连接方式可标定5g加速度开环输出，如图7所示。

本发明具有表头自检功能，连接加速度计表头时，将自检测模块输入端D_st连接5V电压，如图8所示，可检测表头是否能正常工作，若自检测模块输出端V_sto输出为0(0V)，则表示表头可以正常工作；若V_sto输出为1(5V)，则表示表头不能正常工作。不用此自检功能时将自检测模块输入端D_st接地。

本发明可实现开环和闭环两种信号处理方式。

本发明连接加速度计表头，表头驱动极板接地，如图9所示，即可得到开环差分输出V_ctfp、V_ctfn，将差分输出端V_ctfp、V_ctfn与差分转单端模块输入端V_inp、V_inn连接即可得到单端输出信号V_out。

本发明连接加速度计表头，表头驱动极板与本发明的高压运放模块输出S_dtop、S_dbot连接，通过本发明的控制模块外接电容电阻，构成闭环控制回路(如图10所示的本发明的加速度计读出电路PI控制闭环电路，如图11所示的本发明的加速度计读出电路Lead-Lag控制闭环电路)，可得到闭环差分输出V_PIon、V_PIop，将差分输出端V_PIon、V_PIop与差分转单端模块输入端V_inn、V_inp连接即可得到单端输出信号V_out。

本发明内部的电压基准源模块，可为本加速度计读出电路中的运放提供集成高精度、低温度系数基准电压。本发明内部的温度传感模块，可对本加速度计读出电路输出V_out进行温度补偿，将系统输出V_out与温度传感器输出V_Tsen连接到一个运放，如图12所示，可得到低温度漂移的输出信号。

开放的前端检测放大器结构，可在外部搭建电容桥，可适用于各种加速度计表头；采用双端差动式信号处理，且差分输出和单端输出两种输出形式；有开环和闭环两种信号处理回路；内部集成电压基准，可以给系统内部运算放大器提供精准的、温度系数好的2.5V基准电压；内部集成温度传感器，可对系统中无法内部温度补偿的模块进行温度补偿；内部有两片精确匹配的固定电容，可以用来单独标定电路性能，无需连接表头；具备加速度计表头自检功能；具备高压输出，可用于加速度计闭环系统反馈控制。解决直流偏移问题，且电路精度高输出信号的分辨率高。

需要强调的是，本发明的保护范围包含但不限于上述具体实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应被视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种MEMS加速度计读出电路，其特征在于，包括输出模块，所述输出模块为一个差分输出与单端输出的输出转换模块，所述输出转换模块为双端差动式信号检测处理结构；

还包括前端检测放大器模块，所述前端检测放大器模块为开放式结构；

还包括标定电容模块，所述标定电容模块包括两片精确匹配的固定电容；

所述加速度计读出电路实现开环和闭环两种信号处理方式；

连接加速度计表头，表头驱动极板接地，得到开环差分输出V_ctfp、V_ctfn，将差分输出端V_ctfp、V_ctfn与差分转单端模块输入端V_inp、V_inn连接得到单端输出信号V_out；

连接加速度计表头，表头驱动极板与高压运放模块输出S_dtop、S_dbot连接，通过控制模块外接电容电阻，构成闭环控制回路，得到闭环差分输出V_PIon、V_PIop，将差分输出端V_PIon、V_PIop与差分转单端模块输入端V_inn、V_inp连接得到单端输出信号V_out。

2.根据权利要求1所述的MEMS加速度计读出电路，其特征在于，还包括一个内部温度传感模块，所述内部集成温度传模块包括温度传感器和运算放大器，所述转换输出模块输出端与温度传感器输出端连接所述运算放大器的输入端。

3.根据权利要求1所述的MEMS加速度计读出电路，其特征在于，还包括自检测模块，所述自检测模块具有单独的一个输入端和输出端。

4.根据权利要求1所述的MEMS加速度计读出电路，其特征在于，还包括开关电容低通滤波器模块、连续时间低通滤波器模块和通过外接电容可构成闭环控制的控制器模块。

5.根据权利要求4所述的MEMS加速度计读出电路，其特征在于，所述控制器模块包括PI控制器和Lead-Lag控制器。

6.根据权利要求1所述的MEMS加速度计读出电路，其特征在于，还包括为电路提供电源以及基准电压的电源与基准电压模块。

7.根据权利要求1所述的MEMS加速度计读出电路，其特征在于，还包括时钟信号发生器模块。

8.根据权利要求1所述的MEMS加速度计读出电路，其特征在于，还包括可输出可用于加速度计闭环系统反馈控制的高压模块。