CN108614136A - 一种基于mems传感器的数字电源电路 - Google Patents

Abstract

一种基于MEMS传感器的数字电源电路，本发明涉及电路测试技术领域，解决现有技术其电流源功耗高、稳定性差且现有技术环路振荡器中存在大量脉冲噪声且通用性低等技术问题。本发明包括高精度振荡电路；多电流镜电路，其输出具有固定偏置的电流；单脉冲产生电路，其输出交变电流脉冲；缓冲频率匹配电路，接收单脉冲产生电路输出的交变电流脉冲；基准MEMS传感器，输出具有其计时环路性能特征的反馈基准时钟；还包括第一待测MEMS传感器，接收第一方波脉冲序列且输出具有其计时环路性能特征的第一反馈时钟；第二待测MEMS传感器，接收第二方波脉冲序列且输出具有其计时环路性能特征的第二反馈时钟。

Description

一种基于MEMS传感器的数字电源电路

技术领域

本发明涉及电路测试技术领域，具体涉及一种基于MEMS传感器的数字电源电路。

背景技术

时序电路需要处理的脉冲为大动态范围的交变电流脉冲。主流测试方法为直接接入MEMS电源，进行测试。但目前的主流测试设备并不配备高速交流电流型脉冲源，所以在进行MEMS传感器量产抽检测试时，很难进行交流信号测试。有些厂商因此而放弃交流测试，在量产测试过程中只进行直流测试，从而导致芯片匹配能力与耐受性没有被充分测试，测试覆盖率大大降低。有些厂商为了保证测试覆盖率，购买定制的专用测试脉冲源，但由于定制测试设备的成本较高，从而导致大大提高了芯片的测试成本。

目前，虽然现有的信号发生器已经相当成熟了，但是电磁噪声对信号发生器的干扰一直存在，直接影响产品的长期稳定性和可靠性。另一方面，在数字电路、模拟传感器、精密仪器仪表等方面，对信号发生器中输出波形的要求越来越高。传统的电路，形式比较复杂，使用较多的微信号器件，容易受恶劣环境的干扰，长期使用存在一定的隐患，其长期可靠性不能够得到保证。现有技术方波发生器的稳定性和频率特性都有待提高。

发明内容

针对上述现有技术，本发明目的在于提供，解决现有技术不能同时检测多个MEMS传感器、其电流源功耗高且稳定性差，现有技术环路振荡器中存在大量脉冲噪声且通用性低等技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于MEMS传感器的数字电源电路，包括：

高精度振荡电路，其输出三角波脉冲、具有相对相位差第一方波脉冲序列和第二方波脉冲序列，其中包括由场效应晶体管电路和反相器电路构成三条对应脉冲的输出路径；

多电流镜电路，其输出具有固定偏置的电流；

单脉冲产生电路，其两个输入端分别连接到所述高精度振荡电路和所述多电流镜电路的输出端、其输出时钟脉冲调制所述三角波脉冲TCLK和所述电流且输出交变电流脉冲；

缓冲频率匹配电路，接收单脉冲产生电路输出的交变电流脉冲；

基准MEMS传感器，接收缓冲频率匹配电路输出的相关交变电流脉冲且对应相关交变电流脉冲输出具有其计时环路性能特征的反馈基准时钟；

还包括

第一待测MEMS传感器，接收第一方波脉冲序列且输出具有其计时环路性能特征的第一反馈时钟；

第二待测MEMS传感器，接收第二方波脉冲序列且输出具有其计时环路性能特征的第二反馈时钟；

其中，所述的反馈基准时钟，通过与第一反馈时钟比较获得第一时钟差以及与第二反馈时钟比较获得第二时钟差；

其中，所述的第一时钟差和第二时钟差，与经验时钟差比较，满足相对经验时钟差偏离变化±5%以内的第一待测MEMS传感器或第二待测MEMS传感器为合格品。

上述方案中，所述单脉冲产生电路包括第一NMOS管，其漏极连接到所述多电流镜电路的输出端，其栅极连接到所述高精度振荡电路的输出端，其源极连接到所述单脉冲产生电路的输出端。

上述方案中，所述第一NMOS管的源极通过第一电阻连接到所述单脉冲产生电路的输出端。

上述方案中，所述单脉冲产生电路还包括第二NMOS管，其栅极通过反相器连接到所述高精度振荡电路的输出端，其漏极连接到所述多电流镜电路的输出端，其源极通过串联连接的第二电阻和二极管连接型的第三NMOS管接地。

上述方案中，所述高精度振荡电路，包括

用于提供环路充放电的电流源电路、用于切换环路输出的反相器电路和用于提供相位差的缓冲电路，电流源电路和反相器电路构成环路振荡结构。

上述方案中，所述的脉冲发生单元，还包括过冲保护电路，接收反相器电路的输出时钟，并选择地泄放电流源电路的输入电源。

上述方案中，所述的电流源电路，包括

第一电源；

第一电流源，其高电势端连接第一电源；

第一场效应管，其源极连接第一电流源的低电势端；

第二场效应管，其源极连接第一电流源的低电势端且漏极接地；

第三场效应管，其漏极连接第一场效应管的漏极；

第四场效应管，其源极连接第三场效应管的源极；

第二电源，连接第四场效应管的漏极；

第二电流源，其高电势端连接第三场效应管的源极且低电势端接地；

第一电容，用于充放电电荷缓冲，其一端连接第一电源且另一端连接第一场效应管的漏极。

上述方案中，所述的反相器电路，用于形成内环振荡和自反馈电压切换输出，包括

第五场效应管，其栅极连接第一场效应管的漏极；

第六场效应管，其栅极连接第一场效应管的漏极且漏极连接第五场效应管的漏极；

第七场效应管，其栅极、漏极均连接第六场效应管的源极且源极接地；

第八场效应管，用于作为偏置电压开关，其漏极连接第六场效应管的源极且源极接地；

第三电源；

第九场效应管，其栅极、漏极均连接第五场效应管的源极且源极连接第三电源；

第十场效应管，用于作为偏置电压开关，其源极连接第三电源且漏极连接第五场效应管的源极；

第一反相器，其输入端连接第五场效应管的漏极；

第二反相器、第三反相器和第二电容，依次串联第一反相器，第二电容还连接至第五反馈回路的栅极，构成反相器电路的反馈回路；

第三电容，用于提供内环振荡回路充电、放电，其一端连接第一场效应管的漏极且另一端接地；

所述的第十场效应管、第八场效应管，栅极均连接至第三反相器的输出端，用于输出切换；

所述的第二场效应管、第四场效应管，栅极均连接至第二反相器的输出端，用于充放电切换。

上述方案中，所述的缓冲电路，用于获得两路延时输出，包括

第四反相器，其输入端连接第二反相器的输出端；

第五反相器、第六反相器，构成锁存器，锁存器串联第四反相器；

第七反相器，其输入端连接锁存器输出端；

第一缓冲器，串联第七反相器，输出第一方波脉冲序列；

第二缓冲器，串联第四反相器，输出第二方波脉冲序列；

所述的第一场效应管、第三场效应管，栅极均连接至第四反相器的输出端，用于充放电切换；

所述的第一电容，其电压变化端连接有分压电阻，分压电阻输出三角波脉冲。

上述方案中，所述的过冲保护电路，用于过振荡时电源快速泄放，包括

比较器，其高电端连接有参考电压且低电端连接第五场效应管的栅极；

与非门，其输入端口连接比较器的输出端且接收一使能脉冲；

第十一场效应管，其栅极连接与非门的输出端，漏极连接第一场效应管的漏极且源极接地。

上述方案中，所述的第三场效应管，其源极还连接有第四电容，第四电容还接地。

与现有技术相比，本发明的有益效果：功耗低且提供频率匹配；提高了其脉冲发生器的稳定性，在不影响输出特性的前提下，实现了更加平滑的环路振荡充放电过程。

附图说明

图1为本发明的模块示意图；

图2为本发明高精度振荡电路原理示意图；

图3为本发明高精度振荡电路内部分电位点电压变化示意图；

图4为本发明第一电流源的电路原理图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1

高精度振荡电路，其输出三角波脉冲TCLK、具有相对相位差第一方波脉冲序列PCLK1和第二方波脉冲序列PCLK2，其中包括由场效应晶体管电路和反相器电路构成三条对应脉冲的输出路径；

多电流镜电路，其输出具有固定偏置的电流；

单脉冲产生电路，其两个输入端分别连接到所述高精度振荡电路和所述多电流镜电路的输出端、其输出时钟脉冲调制所述三角波脉冲TCLK和所述电流且输出交变电流脉冲；

缓冲频率匹配电路，接收单脉冲产生电路输出的交变电流脉冲；

基准MEMS传感器，接收缓冲频率匹配电路输出的相关交变电流脉冲且对应相关交变电流脉冲输出具有其计时环路性能特征的反馈基准时钟BK；

还包括

第一待测MEMS传感器，接收第一方波脉冲序列PCLK1且输出具有其计时环路性能特征的第一反馈时钟TK1；

第二待测MEMS传感器，接收第二方波脉冲序列PCLK2且输出具有其计时环路性能特征的第二反馈时钟TK2；

其中，通过反馈基准时钟BK与第一反馈时钟TK1的时钟差ΔK1以及反馈基准时钟与第二反馈时钟TK2的时钟差ΔK2，与经验时钟差ΔK比较，满足相对经验时钟差ΔK偏离变化±5%以内的MEMS传感器为合格品。

本发明还包括电平抑制电路，其包括第一节点，所述第一节点通过第四PMOS管连接到辅助电源并且通过第五NMOS管接地，所述第四PMOS管和第五NMOS管的栅极均连接到辅助电源，其中，所述第一节点与所述高精度振荡电路的使能端相连接。所述多电流镜电路包括串联连接的第六和第七PMOS管，所述第六PMOS管的源极连接到辅助电源，所述第七PMOS管的漏极连接到所述多电流镜电路的输出端，所述第六和第七PMOS管的栅极分别连接第一和第二偏置电压，所述第一偏置电压大于所述第二偏置电压。

为了更高的通用性和低成本，本发明使用两个缓冲寄存器和一个可编程延时器构成频率匹配环，作为缓冲频率匹配电路，两个缓冲寄存器输入端均接收单脉冲产生电路输出的交变电流脉冲，其中一个缓冲寄存器的输出端连接可编程延时器的输入端，相关交变电流脉冲由可编程延时器的输出脉冲和另一个缓冲寄存器的输出脉冲共同构成。

所述的高精度振荡电路，结合图2和图3，场效应管Q8、Q12等效为二极管，场效应管Q9、Q13作为反馈控制的偏置电压开关，场效应管Q10、Q11构成由场效应管Q9、Q13控制的等效反相器，反相器电路的输出时钟波形为电位点C处时钟波形，电流源电路的输入电源包括电流源I1和电流源I2；基准时钟SCLK可以在电位点A处输入，也可以在场效应管Q5栅极处输入，电路初始条件设置为电位点A为接地电压，场效应管Q5、Q10、Q9处于导通状态，电流源I1对电容C1充电，当电容C1电压升到足以使得场效应管Q10截止，等效反相器发生偏转，电位点D电压从电压VCC变为接地电压，场效应管Q9截止且场效应管Q13导通，场效应管Q4导通，电流源I1被泄放，电流源I2对电容C1进行放电，直到场效应管Q10再次被导通，不断重复这一过程，进而输出振荡方波。由于脉冲发生器中使用电容和电流源，考虑实际使用器件的完美程度，充放电可能存在重叠的窗口，导致回路中可能有较高的尖峰电压值，并且极可能发生在电位点C处，所以设置比较器进行检测，用于及时对尖峰电压放电，还可以进一步设置与非门逻辑电路，使用处理芯片的使能信号进行驱动。

如图4，所述的第一电流源I1包括电阻101、NMOS管102、NMOS管103、NMOS管104、NMOS管105、PMOS管106、PMOS管107和PMOS管108：所述电阻101的一端接地，另一端接所述NMOS管102的源极；所述NMOS管102的栅极接所述NMOS管103的栅极和漏极和所述NMOS管105的源极，漏极接所述NMOS管104的源极，源极接所述电阻101的一端；所述NMOS管103的栅极和漏极接在一起再接所述NMOS管105的源极和所述NMOS管102的栅极，源极接地；所述NMOS管104的栅极接所述PMOS管106的漏极和所述NMOS管105的栅极和漏极，漏极接所述PMOS管106的栅极和所述PMOS管107的栅极和漏极和所述PMOS管108的栅极，源极接所述NMOS管102的漏极；所述NMOS管105的栅极和漏极接在一起再接所述PMOS管106的漏极和所述NMOS管104的栅极，源极接所述NMOS管103的栅极和漏极和所述NMOS管102的栅极；所述PMOS管106的栅极接所述PMOS管107的栅极和漏极和所述PMOS管108的栅极和所述NMOS管104的漏极，漏极接所述NMOS管105的栅极和漏极和所述NMOS管104的栅极，源极接电源电压VCC；所述PMOS管107的栅极和漏极接在一起再接所述PMOS管106的栅极和所述PMOS管108的栅极和所述NMOS管104的漏极，源极接电源电压VCC；所述PMOS管108的栅极接所述PMOS管106的栅极和所述PMOS管107的栅极和漏极和所述NMOS管104的漏极，漏极作为电流输出端IOUT，源极接电源电压VCC。

所述电阻101两端的电压为所述NMOS管103的阈值电压，所述电阻101上的电流为所述NMOS管103的阈值电压除以所述电阻101的电阻值，该电流再通过所述PMOS管107镜像给所述PMOS管106和所述PMOS管108，从所述PMOS管108的漏极输出电流IOUT。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于MEMS传感器的数字电源电路，其特征在于，包括：

高精度振荡电路，其输出三角波脉冲TCLK、具有相对相位差第一方波脉冲序列PCLK1和第二方波脉冲序列PCLK2，其中包括由场效应晶体管电路和反相器电路构成三条对应脉冲的输出路径；

多电流镜电路，其输出具有固定偏置的电流；

单脉冲产生电路，其两个输入端分别连接到所述高精度振荡电路和所述多电流镜电路的输出端、其输出时钟脉冲调制所述三角波脉冲TCLK和所述电流且输出交变电流脉冲；

缓冲频率匹配电路，接收单脉冲产生电路输出的交变电流脉冲；

基准MEMS传感器，接收缓冲频率匹配电路输出的相关交变电流脉冲且对应相关交变电流脉冲输出具有其计时环路性能特征的反馈基准时钟；

还包括

第一待测MEMS传感器，接收第一方波脉冲序列PCLK1且输出具有其计时环路性能特征的第一反馈时钟；

第二待测MEMS传感器，接收第二方波脉冲序列PCLK2且输出具有其计时环路性能特征的第二反馈时钟。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的数字电源电路，其特征在于，所述的反馈基准时钟，通过与第一反馈时钟比较获得第一时钟差以及与第二反馈时钟比较获得第二时钟差。

3.根据权利要求2所述的一种基于MEMS传感器的数字电源电路，其特征在于，所述的第一时钟差和第二时钟差，与经验时钟差比较，满足相对经验时钟差偏离变化±5%以内第一待测MEMS传感器或第二待测MEMS传感器为合格品。

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的数字电源电路，其特征在于，所述单脉冲产生电路包括第一NMOS管，其漏极连接到所述多电流镜电路的输出端，其栅极连接到所述高精度振荡电路的输出端，其源极连接到所述单脉冲产生电路的输出端。

5.根据权利要求4所述的一种基于MEMS传感器的数字电源电路，其特征在于，所述第一NMOS管的源极通过第一电阻连接到所述单脉冲产生电路的输出端。

6.根据权利要求5所述的一种基于MEMS传感器的数字电源电路，其特征在于，所述单脉冲产生电路还包括第二NMOS管，其栅极通过反相器连接到所述高精度振荡电路的输出端，其漏极连接到所述多电流镜电路的输出端，其源极通过串联连接的第二电阻和二极管连接型的第三NMOS管接地。

7.根据权利要求6所述的一种基于MEMS传感器的数字电源电路，其特征在于，所述高精度振荡电路，包括

用于提供环路充放电的电流源电路、用于切换环路输出的反相器电路和用于提供相位差的缓冲电路，电流源电路和反相器电路构成环路振荡结构。

8.根据权利要求7所述的一种基于MEMS传感器的数字电源电路，其特征在于，所述的脉冲发生单元，还包括过冲保护电路，接收反相器电路的输出时钟，并选择地泄放电流源电路的输入电源。

9.根据权利要求8所述的一种基于MEMS传感器的数字电源电路，其特征在于，所述的电流源电路，包括

第一电源；

第一电流源I1，其高电势端连接第一电源；

第一场效应管Q5，其源极连接第一电流源I1的低电势端；

第二场效应管Q4，其源极连接第一电流源I1的低电势端且漏极接地；

第三场效应管Q7，其漏极连接第一场效应管Q5的漏极；

第四场效应管Q6，其源极连接第三场效应管Q7的源极；

第二电源，连接第四场效应管Q6的漏极；

第二电流源I2，其高电势端连接第三场效应管Q7的源极且低电势端接地；

第一电容C2，用于充放电电荷缓冲，其一端连接第一电源且另一端连接第一场效应管Q5的漏极。

10.根据权利要求9所述的一种基于MEMS传感器的数字电源电路，其特征在于，所述的反相器电路，用于形成内环振荡和自反馈电压切换输出，包括

第五场效应管Q10，其栅极连接第一场效应管Q5的漏极；

第六场效应管Q11，其栅极连接第一场效应管Q5的漏极且漏极连接第五场效应管Q10的漏极；

第七场效应管Q12，其栅极、漏极均连接第六场效应管Q11的源极且源极接地；

第八场效应管Q13，用于作为偏置电压开关，其漏极连接第六场效应管Q11的源极且源极接地；

第三电源；

第九场效应管Q8，其栅极、漏极均连接第五场效应管Q10的源极且源极连接第三电源；

第十场效应管Q9，用于作为偏置电压开关，其源极连接第三电源且漏极连接第五场效应管Q10的源极；

第一反相器U15，其输入端连接第五场效应管Q10的漏极；

第二反相器U16、第三反相器U17和第二电容C3，依次串联第一反相器U15，第二电容C3还连接至第五反馈回路Q10的栅极，构成反相器电路的反馈回路；

第三电容C1，用于提供内环振荡回路充电、放电，其一端连接第一场效应管Q5的漏极且另一端接地；

所述的第十场效应管Q9、第八场效应管Q13，栅极均连接至第三反相器U17的输出端，用于输出切换；

所述的第二场效应管Q4、第四场效应管Q6，栅极均连接至第二反相器U16的输出端，用于充放电切换。