CN110470861A - 一种mems电容式加速度计接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种MEMS电容式加速度计接口电路，包括敏感单元和读出装置；读出装置包括：开关、反馈电容、前置放大器和正参考电压以及共模电压产生电路；正参考电压以及共模电压产生电路包括升压电荷泵以及第一低噪声线性稳压器和第二低噪声线性稳压器；其中，第一低噪声线性稳压器和升压电荷泵构成正参考电压产生电路，第二低噪声线性稳压器和升压电荷泵构成共模电压产生电路；其中，正参考电压产生电路用于产生一个相对于输入电源电压两倍或者更高的高压，并转化为相当于输入电源电压两倍的正参考电压；共模电压产生电路用于产生一个相对于输入电源电压两倍或者更高的高压，并转化为相当于输入电源电压一半的共模电压。

Description

一种MEMS电容式加速度计接口电路

技术领域

本发明涉及电容式惯性传感器，特别涉及一种微机电系统(Micro ElectroMechanical System，MEMS)电容式加速度计接口电路。

背景技术

电容式惯性传感器一般包括加速度计和陀螺仪等惯性传感器，由这些惯性传感器实时测量运载体相对于地面运动的加速度等参数，以确定运载体的位置和地球重力场参数，并将被测量的变化转化为电容的变化。

以MEMS电容式加速度计为例，随着MEMS技术的日益成熟，MEMS电容式加速度计由于具有体积小、灵敏度高、直流特性稳定、漂移小、功耗低、温度系数小等优点被广泛的运用，然而MEMS电容式加速度计的电容变化小，所以要求MEMS电容式加速度计伺服电路具有精度高，线性度好，动态范围大等特性。

现有MEMS电容式加速度计伺服电路从结构分为闭环结构和开环结构两种，从输出信号分为模拟信号输出和数字信号输出。开环结构的电容式加速度计伺服电路在线性度和测量量程以及动态范围等都受到制约；闭环结构的电容式加速度计实现方案分为两种，一种是基于模拟闭环的负反馈方案，一种是基于数字闭环的负反馈方案，基于数字闭环的负反馈方案拥有更好的的动态测量精度以及温度稳定性，还可以实现数字化输出。不管是闭环电路还是开环电路，都要包含接口电路。

现有MEMS电容式加速度计伺服电路的输入电源通常是双电源或者是高压的单电源，方便实现MEMS敏感单元的正负参考电压以及高输出灵敏度。高压电路中所采用的高压器件性能往往不如低压器件，限制了整个系统的性能。同时高输入电源意味着高功耗，在物探、惯导等需要电池供电的应用中，不适宜长时间作业。而降低输入电源的电压通常也会减小MEMS敏感单元的正负参考电压值，在闭环应用中不能提供足够的反馈力。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供了一种MEMS电容式加速度计接口电路，该接口电路中可以采用较低的输入电源，达到低功耗，并具有优秀的噪声抑制能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种MEMS电容式加速度计接口电路，包括MEMS敏感单元和读出装置；所述读出装置包括：开关、反馈电容、前置放大器和正参考电压以及共模电压产生电路；其中，所述正参考电压以及共模电压产生电路包括升压电荷泵以及第一低噪声线性稳压器LDO1和第二低噪声线性稳压器LDO2；所述第一低噪声线性稳压器LDO1和所述升压电荷泵构成正参考电压产生电路，所述正参考电压产生电路，用于产生一个相对于输入电源电压两倍或者更高的高压，并将所述相对于输入电源电压两倍或者更高的高压转化为相当于所述输入电源电压两倍的正参考电压；所述第二低噪声线性稳压器LDO2和所述升压电荷泵构成共模电压产生电路，所述共模电压产生电路，用于产生一个相对于所述输入电源电压两倍或者更高的高压，并将所述相对于所述输入电源电压两倍或者更高的高压转化为相当于所述输入电源电压一半的共模电压。

进一步的，所述正参考电压产生电路的输出作为所述MEMS敏感单元的正参考电压，地作为所述MEMS敏感单元的负参考电压，所述共模电压产生电路的输出作为所述MEMS敏感单元和所述前置放大器的共模电压。

进一步的，所述前置放大器为斩波放大器，通过输入电源供电，采用低压MOS管设计。

进一步的，所述接口电路应用于低功耗开环或者闭环加速度计接口电路。

进一步的，所述MEMS敏感单元的输出信号为电容的变化信号。

本发明的有益效果在于：区别于目前通常的双电源或者高压单电源接口电路，实现了低压单电源输入的MEMS电容式加速度计接口电路。前置放大器在低电压下工作，可以采用高性能的低压MOS管设计，有利于实现更低的噪声和更高的带宽。在降低输入电源的电压的情况下，利用升压电荷泵实现了MEMS敏感单元高参考电压。可根据需求应用于低功耗开环或者闭环加速度计伺服电路。

附图说明

图1为现有通用电容式加速度计接口电路图；

图2为图1电路中PH1和PH2两个阶段的等效电路图；

图3为现有双电源电容式加速度计接口电路中的正负参考电压的产生电路图；

图4为本发明实施例提供的一种MEMS电容式加速度计接口电路的系统框图；

图5为本发明实施例提供的一种MEMS电容式加速度计接口电路图；

图6为图4电路中PH1和PH2两个阶段的等效电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本技术领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

图1为现有通用电容式加速度计接口电路图，该接口电路包括MEMS敏感单元101(也称为MEMS敏感芯片)和读出装置，图1中虚线框内部的结构可以理解为MEMS敏感单元101，虚线框外部的结构可以理解为读出装置，通常的加速度敏感芯片等效为一个二阶系统模型，可以嵌入到加速度计开环或者闭环系统中。

参照图1，图1中通用电容式加速度计接口电路，包括：前置放大器OTA；与加速度计三个极板相接的三个电极：top、ctr和bot，其中top连接传感器的上极板，ctr连接传感器的中间极板，bot连接传感器的下极板；极板上所连接的三个电压：Vp、Vn和Vcom，其中Vp是正参考电压，Vn是负参考电压，Vcom是共模电压，在图1应用中Vcom通常会连接到Gnd；电容Cf是反馈电容，控制放大器OTA的增益大小；传感器、参考电压、反馈电容以及前置放大器通过7个开关进行连接；时钟控制信号ph1与ph2是非重叠时钟，控制开关的接通与断开。

图2为图1电路中PH1和PH2两个阶段的等效电路图。在PH1阶段，时钟控制信号ph1为高电平，传感器的上极板top接Vp，下极板bot接Vn，反馈电容Cf的左极板接OTA的反相输入端，反馈电容Cf的右极板接共模电压。三个电容Ct、Cb、Cf上的电荷分别为：

Qt(PH1)＝(Vcom-Vp)Ct

Qb(PH1)＝(Vcom-Vn)Cb

Qf(PH1)＝Vcom·Cf

在PH2阶段，时钟控制信号ph2为高电平，传感器的上极板top接Vn，下极板bot接Vp，Ct和Cb上的电荷向反馈电容Cf转移。三个电容Ct、Cb、Cf上的电荷分别为：

Qt(PH2)＝(Vcom-Vn)Ct

Qb(PH2)＝(Vcom-Vp)Cb

Qf(PH2)＝(Vcom-Vx)Cf

根据电荷守恒定律得：Vx＝(Ct-Cb)(Vp-Vn)/Cf

图3为现有双电源电容式加速度计接口电路中的正负参考电压的产生电路图，该接口电路包括：带隙基准源BandGap，用来产生基准电压Vbg；缓冲器Buffer，用来产生正参考电压；反相器，用来产生负参考电压Vn。其中Vp和Vn是绝对值相等且相对于Vcom对称的参考电压。

图4为本发明实施例提供的一种MEMS电容式加速度计接口电路的系统框图，包括敏感单元和读出装置；读出装置包括：开关、反馈电容、前置放大器和正参考电压以及共模电压产生电路；正参考电压以及共模电压产生电路包括：升压电荷泵以及第一低噪声线性稳压器LDO1和第二低噪声线性稳压器LDO2；其中，第一低噪声线性稳压器LDO1和升压电荷泵构成正参考电压产生电路，第二低噪声线性稳压器LDO2和升压电荷泵构成共模电压产生电路；其中，正参考电压产生电路用于产生一个相对于输入电源电压两倍或者更高的高压HVDD，并将相对于输入电源电压两倍或者更高的高压转化为相当于输入电源电压两倍的正参考电压Vp；共模电压产生电路用于产生一个相对于输入电源电压两倍或者更高的高压HVDD，并将相对于输入电源电压两倍或者更高的高压转化为相当于输入电源电压一半的共模电压Vcom。

图5为本发明实施例提供的一种MEMS电容式加速度计接口电路图。该接口电路包括MEMS敏感单元401(也称为MEMS敏感芯片)和读出装置，图5中虚线框内部的结构可以理解为MEMS敏感单元401，虚线框外部的结构可以理解为读出装置。

如图5所示，MEMS电容式加速度计接口电路，包括:前置放大器OTA；与加速度计三个极板相接的三个电极：top、ctr和bot，其中top连接传感器的上极板，ctr连接传感器的中间极板，bot连接传感器的下极板；极板上所连接的三个电压：Vp、Gnd和Vcom，其中Vp是正参考电压，Gnd是参考地，Vcom是共模电压；电容Cf是反馈电容，控制前置放大器的增益大小；敏感单元、参考电压、反馈电容以及前置放大器通过5个开关进行连接，相对于图1去掉了和反馈电容右边相连的两个开关，改变了分时反馈的方式；时钟控制信号ph1与ph2是非重叠时钟，控制开关的接通与断开。

图6为图5电路中PH1和PH2两个阶段的等效电路图。在PH1阶段，时钟控制信号ph1为高电平，传感器的上极板top接Vp，下极板bot接Gnd，反馈电容Cf的两个极板被短路。三个电容上的电荷分别为：

Qt(PH1)＝(Vcom-Vp)Ct

Qb(PH1)＝Vcom·Cb

Qf(PH1)＝0

在PH2阶段，时钟控制信号ph2为高电平，传感器的上极板top接Gnd，下极板bot接Vp，Ct和Cb上的电荷向反馈电容Cf转移。三个电容上的电荷分别为：

Qt(PH2)＝Vcom·Ct

Qb(PH2)＝(Vcom-Vp)Cb

Qf(PH2)＝(Vcom-Vx)Cf

根据电荷守恒定律得：Vx＝(Ct-Cb)Vp/Cf+Vcom

本发明实施例中开关电容的反馈方式相对于图1中通用电容式加速度计接口电路的反馈方式不同，从而得到输出Vx的计算公式也不同，本发明实施例中输出Vx可以不受输入加速度正负的影响都高于参考地，实现了单电源的转换。

图5所示的本发明实施例提供的一种MEMS电容式加速度计接口电路和图1所示的通用电容式加速度计接口电路，区别在于：反馈回路的连接方式，采用了低电源供电，调整了正负参考电压值和共模电压值。输入电源通过升压电荷泵产生相当于电源两倍或者更高的高压，再通过两个低噪声线性稳压器，分别产生相当于电源电压两倍的正参考电压Vp，以及相当于电源电压一半的共模电压Vcom，等效负参考电压Vn是Gnd。

本发明实施例实现了低功耗电容式加速度计接口电路。前置放大器可以采用斩波放大器实现，并且可以采用高性能低压MOS管设计，可以达到更低的噪声和更高的带宽；升压电荷泵保证了MEMS敏感单元参考电压值的大小，在闭环应用中可以提供合适的反馈力。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所以理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式之一而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种微机电系统MEMS电容式加速度计接口电路，包括MEMS敏感单元和读出装置；其特征在于，所述读出装置包括：开关、反馈电容、前置放大器和正参考电压以及共模电压产生电路；开关、反馈电容、前置放大器和MEMS敏感单元的等效电容构成了分时的反馈环路，正参考电压和共模电压为该反馈环路提供参考电压；

其中，所述正参考电压以及共模电压产生电路包括升压电荷泵以及第一低噪声线性稳压器LDO1和第二低噪声线性稳压器LDO2；

所述第一低噪声线性稳压器LDO1和所述升压电荷泵构成正参考电压产生电路，所述正参考电压产生电路，用于产生一个相对于输入电源电压两倍或者更高的高压，并将所述相对于输入电源电压两倍或者更高的高压转化为相当于所述输入电源电压两倍的正参考电压；

所述第二低噪声线性稳压器LDO2和所述升压电荷泵构成共模电压产生电路，所述共模电压产生电路，用于产生一个相对于所述输入电源电压两倍或者更高的高压，并将所述相对于所述输入电源电压两倍或者更高的高压转化为相当于所述输入电源电压一半的共模电压。

2.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，所述正参考电压产生电路的输出作为所述MEMS敏感单元的正参考电压，地作为所述MEMS敏感单元的负参考电压，所述共模电压产生电路的输出作为所述MEMS敏感单元和所述前置放大器的共模电压。

3.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，所述前置放大器为斩波放大器，通过输入电源供电，采用低压MOS管设计。

4.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，所述接口电路应用于低功耗开环或者闭环加速度计接口电路。

5.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，所述MEMS敏感单元的输出信号为电容的变化信号。