CN114199221A - 一种频率可调的mems陀螺仪自激启动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，属于集成电路领域；包括CV转换电路、放大电路、选频滤波器、移相电路、低通滤波器、驱动电路；其中，CV转换电路的输入端连接MEMS陀螺仪表头第一模态的检测电极；CV转换电路输出端连接放大电路输入端；放大电路输出端连接选频滤波器的输入端；选频滤波器输出端连接移相电路得输入端；移相电路输出端连接低通滤波器的输入端；低通滤波器的输出端连接驱动电路的输入端；驱动电路的输出端连接MEMS陀螺仪表头第一模态的驱动电极；本发明自激启动电路在单芯片中实现，避免了分立元件方案体积大、互连复杂、功耗高、可靠性差等缺点。

Description

一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路
技术领域
本发明属于集成电路领域，涉及一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路。
背景技术
MEMS陀螺仪具有成本低、尺寸小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点，在航空航天、汽车电子、消费电子、工业控制等领域都有着广泛的应用。MEMS陀螺仪基于柯里奥利效应来工作，系统包括驱动环路和检测支路两个核心部分。MEMS陀螺仪稳定可靠工作的基础是其驱动环路能稳频稳幅振荡，此时，当敏感轴有角速度输入时，基于柯里奥利效应，检测支路就会有与输入角速度成比例的输出。
通常，陀螺仪的闭环驱动环路有数字闭环驱动和模拟闭环驱动两种驱动方式，多数通过标准商用元器件搭建实现，存在系统体积大、互连复杂、功耗高、可靠性差等缺点。常见的模拟闭环驱动方式采用AGC(自动增益控制，Automatic Gain Control)环路实现，存在稳定时间长的缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，该自激启动电路在单芯片中实现，避免了分立元件方案体积大、互连复杂、功耗高、可靠性差等缺点。
本发明解决技术的方案是：
一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，包括CV转换电路、放大电路、选频滤波器、移相电路、低通滤波器、驱动电路；其中，CV转换电路的输入端连接MEMS陀螺仪表头第一模态的检测电极；CV转换电路输出端连接放大电路输入端；放大电路输出端连接选频滤波器的输入端；选频滤波器输出端连接移相电路得输入端；移相电路输出端连接低通滤波器的输入端；低通滤波器的输出端连接驱动电路的输入端；驱动电路的输出端连接MEMS陀螺仪表头第一模态的驱动电极。
在上述的一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，自激启动电路的工作过程为：
CV转换电路：接收MEMS陀螺仪传来的电容变化量，将电容变化量转化为电压信号，并将电压信号发送至放大电路；
放大电路：接收CV转换电路传来的电压信号，对电压信号进行放大处理，生成放大后的电压信号，并将放大后的电压信号发送至选频滤波器；
选频滤波器：接收放大电路传来的放大后的电压信号，从放大后的电压信号中提取与MEMS陀螺仪表头谐振频率同频的信号，将谐振频率不同的信号滤掉，获得谐振信号；并将谐振信号发送至移相电路；
移相电路：接收选频滤波器传来的谐振信号，将谐振信号相移90°，得到移相后的信号，并将移相后的信号发送至低通滤波器；
低通滤波器：接收移相电路传来的移相后的信号，对移相后的信号进行滤波处理，生成滤波后的移相信号；并将滤波后的移相信号发送至驱动电路；
驱动电路：接收低通滤波器传来的滤波后的移相信号，进行增强驱动能力处理，获得增强驱动后的移相信号，并将增强驱动后的移相信号发送至MEMS陀螺仪表头第一模态的驱动电极。
在上述的一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，移相电路将谐振信号相移90°后，抵消了MEMS陀螺仪表头的驱动力与位移之间的90°相位差，满足陀螺仪自激振动的条件。
在上述的一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，MEMS陀螺仪表头通过自激启动电路构成自激闭环电路，实现MEMS陀螺仪表头在固有的谐振频率上快速谐振。
在上述的一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，其特征在于：所述选频滤波器的中心频率在6KHZ～26KHZ范围可调；移相电路在相应频率上产生的相移大小保持90°，实现激启动电路适应谐振频率范围为6-26KHZ的MEMS陀螺仪表头。
在上述的一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，放大电路的放大倍数设计为1～32倍的调整范围，低通滤波器的放大倍数设计为1～16倍的调整范围，驱动电路的放大倍数分别设计为1-4倍的调整范围，实现不同表头的MEMS陀螺仪快速启动。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明中自激启动电路激励陀螺仪表头起振后，表头的谐振信号作为锁相环的初始频率信号，使基于锁相技术的驱动环路快速实现稳频稳幅振荡，为MEMS陀螺仪高性能工作奠定基础；
(2)本发明的自激启动电路在单芯片中实现，避免了分立元件方案体积大、互连复杂、功耗高、可靠性差等缺点；
(3)本发明的移相电路用于产生90°相移，以抵消MEMS陀螺仪表头的驱动力与位移之间的90°相位差，满足陀螺仪自激振动的条件；
(4)本发明中放大电路、低通滤波器、驱动电路的放大倍数分别设计了1～32倍、1～16倍、1-4倍的调整范围保证不同表头的陀螺仪系统快速启动要求。
附图说明
图1为本发明自激启动电路示意图；
图2为本发明中心频率可调的选频滤波器电路原理图及频率特性曲线示意图；
图3为本发明相移大小可调的移相电路原理图及频率特性曲线示意图；
图4为本发明带宽可调的低通滤波器电路原理图及频率特性曲线示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提出了一种频率可调的MEMS陀螺仪快速自激启动电路，自激启动电路激励陀螺仪表头起振后，表头的谐振信号作为锁相环的初始频率信号，使基于锁相技术的驱动环路快速实现稳频稳幅振荡，为MEMS陀螺仪高性能工作奠定基础。该自激启动电路在单芯片中实现，避免了分立元件方案体积大、互连复杂、功耗高、可靠性差等缺点。
频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，如图1所示，具体包括CV转换电路、放大电路、选频滤波器、移相电路、低通滤波器、驱动电路；其中，CV转换电路的输入端连接MEMS陀螺仪表头第一模态的检测电极；CV转换电路输出端连接放大电路输入端；放大电路输出端连接选频滤波器的输入端；选频滤波器输出端连接移相电路得输入端；移相电路输出端连接低通滤波器的输入端；低通滤波器的输出端连接驱动电路的输入端；驱动电路的输出端连接MEMS陀螺仪表头第一模态的驱动电极。
自激启动电路的工作过程为：
CV转换电路：接收MEMS陀螺仪传来的电容变化量，将电容变化量转化为电压信号，并将电压信号发送至放大电路；
放大电路：接收CV转换电路传来的电压信号，对电压信号进行放大处理，生成放大后的电压信号，并将放大后的电压信号发送至选频滤波器；
选频滤波器：接收放大电路传来的放大后的电压信号，从放大后的电压信号中提取与MEMS陀螺仪表头谐振频率同频的信号，将谐振频率不同的信号滤掉，获得谐振信号；并将谐振信号发送至移相电路；
移相电路：接收选频滤波器传来的谐振信号，将谐振信号相移90°，得到移相后的信号，并将移相后的信号发送至低通滤波器；
低通滤波器：接收移相电路传来的移相后的信号，对移相后的信号进行滤波处理，生成滤波后的移相信号；并将滤波后的移相信号发送至驱动电路；
驱动电路：接收低通滤波器传来的滤波后的移相信号，进行增强驱动能力处理，获得增强驱动后的移相信号，并将增强驱动后的移相信号发送至MEMS陀螺仪表头第一模态的驱动电极。
移相电路将谐振信号相移90°后，抵消了MEMS陀螺仪表头的驱动力与位移之间的90°相位差，满足陀螺仪自激振动的条件。
MEMS陀螺仪表头通过自激启动电路构成自激闭环电路，实现MEMS陀螺仪表头在固有的谐振频率上快速谐振。
选频滤波器的中心频率在6KHZ～26KHZ范围可调；移相电路在相应频率上产生的相移大小保持90°，实现激启动电路适应谐振频率范围为6-26KHZ的MEMS陀螺仪表头。
放大电路的放大倍数设计为1～32倍的调整范围，低通滤波器的放大倍数设计为1～16倍的调整范围，驱动电路的放大倍数分别设计为1-4倍的调整范围，实现不同表头的陀螺仪快速启动。
本发明提出了一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路。电路包含了CV转换电路、放大电路、选频滤波器、移相电路、低通滤波器、驱动电路等主要电路模块。其中，CV转换电路的输入端连接MEMS陀螺仪表头第一模态的检测电极，CV转换电路输出端连接放大电路输入端，放大电路输出端连接选频滤波器输入端，选频滤波器输出连接移相电路输入端，移相电路输出端连接低通滤波器输入端，低通滤波器输出端连接驱动电路输入端，驱动电路输出端连接表头第一模态的驱动电极。
本发明提出了一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路。其中，CV转换电路用于将MEMS陀螺仪的电容变化量转化为电压信号；信号经过放大级放大后送给选频滤波器；选频滤波器负责将与MEMS陀螺仪表头谐振频率同频的信号提取出来；移相电路用于产生90°相移，以抵消MEMS陀螺仪表头的驱动力与位移之间的90°相位差，满足陀螺仪自激振动的条件；移相后的信号经过滤波处理后传送到驱动电路，驱动能力得以增强后输出到MEMS陀螺仪表头第一模态的驱动电极。
本发明提出了一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路。为了适应不同表头谐振频率的差异性，其中选频滤波器的中心频率、移相电路的相移、低通滤波器的带宽、放大电路及驱动电路的放大倍数等都设计成可调整结构，可根据不同表头的实际情况，通过寄存器对其进行配置。
实施例
如图1所示是本发明一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路示意图。其中MEMS陀螺仪表头部分只给出了第一模态(驱动模态)的等效图，Cs1代表第一模态的检测电容，Cd1代表第一模态的驱动电容，S1_P、S1_N代表第一模态的正负检测电极，DR1_P、DR1_N代表第一模态的正负驱动电极。电路部分包含了CV转换电路、放大电路、选频滤波器、移相电路、低通滤波器、驱动电路等主要电路模块。MEMS陀螺仪表头的第一模态检测电极连接到CV转换电路输入端，CV转换电路输出端连接放大电路输入端，放大电路输出端连接选频滤波器输入端，选频滤波器输出端连接移相电路输入端，移相电路输出端连接低通滤波器输入端，低通滤波器输出端连接驱动电路输入端，驱动电路输出端连接表头的驱动电极。
CV转换电路用于将MEMS陀螺仪的电容变化量转化为电压信号，信号经过放大级放大后送给选频滤波器，选频滤波器负责将与MEMS陀螺仪表头谐振频率同频的信号提取出来。如图2所示是本发明中心频率可调的选频滤波器电路原理图及频率特性曲线，该选频滤波器为带通滤波器。图中Vin为选频滤波器的差分输入信号，Vout为选频滤波器的差分输出信号，电阻R1、R2以及电容C1、C2的大小均可通过寄存器进行配置，通过该选频滤波器的传输函数：
Figure BDA0003382140470000061
可知其放大倍数及中心频率均可随电阻R1、R2以及电容C1、C2的大小而改变。图2中右侧的波形图为该选频滤波器的幅频特性及相频特性曲线，设计时需将滤波器的中心频率设计成表头的谐振频率，并且在该频率上的相位设计成0°。本发明中因为电阻R1、R2以及电容C1、C2的大小均可通过寄存器进行配置，所以中心频率可根据不同表头之间谐振频率的差异性进行灵活配置。
如图3所示是本发明相移大小可调的移相电路原理图及频率特性曲线，该移相电路为带通滤波器，设计时将表头的谐振频率设置在右侧波形图中fc所在的位置即可实现90°相移。移相电路产生90°相移，以抵消MEMS陀螺仪表头的驱动力与位移之间的90°相位差，满足陀螺仪自激振动的条件。图中Vin为移相电路的差分输入信号，Vout为移相电路的差分输出信号，通过该移相电路的传输函数：
Figure BDA0003382140470000071
可知因为电阻R2、电容C1、C2的大小均可通过寄存器进行配置，所以电路的相移大小可根据不同表头之间谐振频率的差异性进行灵活配置。
如图4所示是本发明带宽可调的低通滤波器电路原理图及频率特性曲线。图中Vin为低通滤波器的差分输入信号，Vout为低通滤波器的差分输出信号，该电路的传输函数为：
Figure BDA0003382140470000072
因为电阻R2的大小可通过寄存器进行配置，所以低通滤波器的增益和带宽可根据不同表头之间谐振频率的差异性进行灵活配置。
低通滤波器的输出传送到驱动电路，驱动能力得以增强后输出到MEMS陀螺仪表头的驱动电极。本发明的驱动电路结构与图4所示低通滤波器结构类似，区别之处一是驱动电路的可调元件为R1，这样驱动电路只有放大倍数可配置。另一个区别之处是运算放大器，该运算放大器在普通运放的基础上增加了classAB结构的高压输出级，以增大其驱动能力。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，其特征在于：包括CV转换电路、放大电路、选频滤波器、移相电路、低通滤波器、驱动电路；其中，CV转换电路的输入端连接MEMS陀螺仪表头第一模态的检测电极；CV转换电路输出端连接放大电路输入端；放大电路输出端连接选频滤波器的输入端；选频滤波器输出端连接移相电路得输入端；移相电路输出端连接低通滤波器的输入端；低通滤波器的输出端连接驱动电路的输入端；驱动电路的输出端连接MEMS陀螺仪表头第一模态的驱动电极。
2.根据权利要求1所述的一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，其特征在于：自激启动电路的工作过程为：
CV转换电路：接收MEMS陀螺仪传来的电容变化量，将电容变化量转化为电压信号，并将电压信号发送至放大电路；
放大电路：接收CV转换电路传来的电压信号，对电压信号进行放大处理，生成放大后的电压信号，并将放大后的电压信号发送至选频滤波器；
选频滤波器：接收放大电路传来的放大后的电压信号，从放大后的电压信号中提取与MEMS陀螺仪表头谐振频率同频的信号，将谐振频率不同的信号滤掉，获得谐振信号；并将谐振信号发送至移相电路；
移相电路：接收选频滤波器传来的谐振信号，将谐振信号相移90°，得到移相后的信号，并将移相后的信号发送至低通滤波器；
低通滤波器：接收移相电路传来的移相后的信号，对移相后的信号进行滤波处理，生成滤波后的移相信号；并将滤波后的移相信号发送至驱动电路；
驱动电路：接收低通滤波器传来的滤波后的移相信号，进行增强驱动能力处理，获得增强驱动后的移相信号，并将增强驱动后的移相信号发送至MEMS陀螺仪表头第一模态的驱动电极。
3.根据权利要求2所述的一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，其特征在于：移相电路将谐振信号相移90°后，抵消了MEMS陀螺仪表头的驱动力与位移之间的90°相位差，满足陀螺仪自激振动的条件。
4.根据权利要求3所述的一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，其特征在于：MEMS陀螺仪表头通过自激启动电路构成自激闭环电路，实现MEMS陀螺仪表头在固有的谐振频率上快速谐振。
5.根据权利要求4所述的一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，其特征在于：所述选频滤波器的中心频率在6KHZ～26KHZ范围可调；移相电路在相应频率上产生的相移大小保持90°，实现激启动电路适应谐振频率范围为6-26KHZ的MEMS陀螺仪表头。
6.根据权利要求5所述的一种频率可调的MEMS陀螺仪自激启动电路，其特征在于：放大电路的放大倍数设计为1～32倍的调整范围，低通滤波器的放大倍数设计为1～16倍的调整范围，驱动电路的放大倍数分别设计为1-4倍的调整范围，实现不同表头的陀螺仪快速启动。
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