CN115876177A - Mems陀螺仪的控制电路、mems陀螺仪及控制方法 - Google Patents

Mems陀螺仪的控制电路、mems陀螺仪及控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及MEMS陀螺仪的控制电路、MEMS陀螺仪及控制方法。用于MEMS陀螺仪的控制电路被配置为接收具有正交分量和感测分量的测量信号。控制电路具有：输入级，其获取输入信号，生成采集信号，其中输入信号是测量信号和正交抵消信号的函数；处理级，其提取采集信号的第一分量，第一分量指示测量信号的感测分量并且具有感测频带；以及正交校正级，其提取采集信号的第二分量并且从参考信号生成正交抵消信号，第二分量指示测量信号的正交分量。正交抵消信号是以在感测频带之外的更新频率根据采集信号的第二分量调制的信号。

Description

MEMS陀螺仪的控制电路、MEMS陀螺仪及控制方法
技术领域
本公开涉及一种MEMS陀螺仪的控制电路、涉及一种MEMS陀螺仪、并且涉及一种控制方法。
背景技术
使用MEMS(“微机电系统”)技术制造的陀螺仪被形成在一个或多个半导体材料(例如，硅)的管芯中，其中形成了相互耦合的振荡系统、驱动电路和感测电路。
振荡系统由悬浮在衬底上的一个或多个可移动质量块形成，并且以一个或多个自由度相对于衬底自由振荡。振荡系统还包括：驱动结构，被耦合到驱动电路并被配置为引起一个或多个可移动质量块沿驱动方向振荡；以及感测结构，被耦合到感测电路并被配置为感测一个或多个可移动质量块沿垂直于驱动方向的感测方向的移动。
在一些MEMS陀螺仪中，驱动和感测可以是基于不同的操作原理，例如，电磁操作原理、压电操作原理或电容操作原理。
当MEMS陀螺仪绕旋转轴以角速度旋转时，以沿垂直于旋转轴的方向的线速度振荡的可移动质量块受到沿垂直于旋转轴并垂直于线速度方向的方向定向的科里奥利力。
在使用时，驱动电路向驱动结构提供驱动信号(例如，在电容性驱动的情况下提供电压)，引起振荡结构沿驱动方向振荡。
感测结构感测振荡系统沿感测方向的移动，并且向感测电路提供对应的感测信号。
在一些MEMS陀螺仪中，由于与MEMS陀螺仪的制造过程相关联的可变性和缺陷，甚至在没有MEMS陀螺仪的旋转的情况下，驱动信号也会生成一个或多个可移动质量块沿感测方向的伪移动。感测结构感测到该伪移动，从而生成伪信号(被称为正交误差)，该伪信号添加到源自MEMS陀螺仪旋转的感测信号中。
这会降低MEMS陀螺仪的灵敏度。
为了减少正交误差对感测信号的影响，感测电路可以包括微调电路(trimmingcircuit)，该微调电路生成被配置为抵消伪正交信号的校正信号。然而，校正信号值是在MEMS陀螺仪的初始校准步骤期间被设置的。因此，这种方法不允许在使用MEMS陀螺仪的同时对伪正交信号的任何变化进行校正。
微调电路可以在MEMS陀螺仪的生命周期期间进行多次重新校准。然而，这种重新校准会在MEMS陀螺仪输出信号中引入噪声，从而损害其感测性能。
发明内容
本发明的技术方案克服了现有技术的不足。
根据本发明，公开了一种MEMS陀螺仪的控制电路、MEMS陀螺仪及其控制方法。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在参考附图仅通过非限制性示例的方式来描述其一些实施例，在附图中：
图1示出了根据实施例的当前MEMS陀螺仪的框图；
图2示出了图1的MEMS陀螺仪的详细框图；
图3示出了图2的MEMS陀螺仪的一部分的电路图；
图4示出了图2的MEMS陀螺仪的波形随时间变化的趋势图；以及
图5示出了根据不同实施例的当前MEMS陀螺仪的框图。
具体实施方式
图1和图2示出了MEMS陀螺仪1，MEMS陀螺仪1包括可操作地耦合的振荡系统3和控制电路4。
振荡系统3和控制电路4可以被形成在半导体材料(例如，硅)的单个管芯中或被形成在单独的管芯中。
振荡系统3使用MEMS技术制成并且包括相互耦合的驱动结构8、感测结构10、和具有共振频率fr的可移动和/或可变形结构(以下称之为可移动结构6)。
驱动结构8被配置为接收来自控制电路4的驱动信号SD，并且使用例如电磁式、压电式或静电式的致动原理引起可移动结构6沿驱动方向的移动(例如，振荡)。
例如，考虑包括第一轴X、第二轴Y和第三轴Z的笛卡尔参考系XYZ，驱动方向可以平行于第一轴X。
此外，在该实施例中，驱动结构8生成指示可移动结构6沿驱动方向的移动的位置信号SR，并且将位置信号SR提供给控制电路4。
例如，如果驱动信号SD引起可移动质量块6在共振频率fr处的振荡，则位置信号SR是周期性信号(例如，正弦信号)，该周期性信号具有共振频率fr并且其幅度是可移动结构6的位置变化的函数。
根据具体应用，位置信号SR可以使用电容式、压电式、压阻式或电磁式的感测原理来生成。
感测结构10被配置为感测可移动结构6沿感测方向的移动(例如，垂直于驱动方向，例如，平行于第二轴Y)，并且生成对应的测量信号SM，测量信号SM被提供给控制电路4。
在该实施例中，如图2中所示，感测结构10根据电容感测原理进行操作并且由处于静止状态具有电容CMEMS的感测电容器13形成。
然而，感测结构10可以使用例如电磁式或压电式的不同的感测原理来生成测量信号SM。
在此，感测电容器13被示意性地表示为平行板电容器；然而，感测电容器13可以有不同的类型，例如，叉指型电容器(interdigitated capacitor)。
感测电容器13具有第一端子和第二端子，该第一端子处于可以由控制电路4施加的转子电压VROT，该第二端子处于形成测量信号SM的定子电压VSTAT。
例如，转子电压VROT是允许设置感测电容器13的电势差的期望初始值的DC电压，其在具体应用中是有用的，例如用以调节感测电容器13的感测灵敏度。
控制电路4向振荡系统3提供驱动信号SD，并且从振荡系统3接收测量信号SM。
在该实施例中，控制电路4也接收来自振荡系统3的位置信号SR。
此外，控制电路4从测量信号SM生成数字类型的输出信号SO，输出信号SO具有例如被包括在10Hz和10kHz之间的输出数据速率(或频率)fo。
详细地，控制电路4包括接收位置信号SR的驱动模块15。
驱动模块15生成具有驱动频率为fD的驱动信号SD，例如随时间具有正弦特性的电压、例如脉冲序列或方波，并且将驱动信号SD提供给驱动结构8以用于可移动结构6的致动。
在设计步骤中，可以根据振荡系统3的电气和/或机械特性(例如，根据可移动结构6的谐振频率fr)、以及根据控制电路4的电气和/或机械特性，来选择驱动频率fD。
驱动模块15可以调整驱动信号SD，例如，驱动模块15可以在正弦信号的情况下可以调整其幅度或者在方波的情况下可以调整占空比，以使得可移动结构6的移动随时间遵循期望的轮廓(profile)，例如，具有所期望的振荡幅度，该振荡幅度可以在设计步骤中进行选择。
在这方面，例如通过将位置信号SR与一个或多个指示可移动结构6的期望移动轮廓的值进行比较，驱动模块15可以根据位置信号SR来调整驱动信号SD。
再次参考图1，驱动模块15还生成同相时钟信号CK0和异相时钟信号CK90(例如，两个周期性方波信号)，同相时钟信号CK0和异相时钟信号CK90具有驱动频率fD并且相互相移(例如，相移90°)。
作为第一近似，除去由驱动模块15引入的延时，同相时钟信号CK0和异相时钟信号CK90分别相对于位置信号SR正交和同相。
详细地，同相时钟信号CK0的上升(或下降)沿与位置信号SR的峰值(或谷值)同步。
异相时钟信号CK90的上升沿和下降沿与位置信号SR的过零(zero crossings)同步。
此外，由于作为第一近似位置信号SR处于驱动频率fD并且相对于驱动信号SD相移90°，并且因而同相时钟信号CK0和异相时钟信号CK90分别相对于驱动信号SD同相和正交。
如下文详细描述的，驱动模块15还生成校正时钟信号CKFS(例如，周期性方波信号)，校正时钟信号CKFS具有在MEMS陀螺仪1的感兴趣频带BW之外的频率fFS，例如，大于输出信号SO的输出频率fo。
此外，校正时钟信号CKFS的频率fFS可以等于或不同于驱动频率fD，例如大于驱动频率fD，例如等于驱动频率fD的两倍。
根据实施例，校正时钟信号CKFS的上升(或下降)沿与位置信号SR的过零同步。如本文所述，这在使用MEMS陀螺仪1时很有用。
在一些实施例中，也如本文所讨论的，控制电路4使用位置信号SR作为参考信号。
控制电路4具有输入加法器节点17和感测电路20，输入加法器节点17接收测量信号SM和抵消信号SCANC，感测电路20被耦合到输入加法器节点17的输出并且被配置为提供感测信号SS。
在操作中，感测电路20接收由测量信号SM和抵消信号SCANC的叠加给出的组合信号SM+SCANC。
在一些实施例中，如图2中所示，感测电路20包括放大器(AMP)23和反馈电容器24，反馈电容器24具有电容CFB且被耦合在放大器23的输入和输出之间。
此外，在一些实施例中，放大器23的输入通过输入加法器节点17被直接耦合到感测电容器13的第二端子(即，被耦合到定子电压VSTAT)，并且放大器23的输出提供感测信号SS。
控制电路4包括信号处理模块30，信号处理模块30接收感测信号SS和同相时钟信号CK0并且提供输出信号SO。
详细地，信号处理模块30包括解调器32和模数转换器(ADC)33。
解调器32接收感测信号SS和同相时钟信号CK0并且提供解调的感测信号SS-DEM。
解调的感测信号SS-DEM由感测信号SS的分量形成，该分量与位置信号SR正交(并且因此与驱动信号SD同相)并且指示由MEMS陀螺仪1的旋转引起的可移动质量块6的移动。
解调的感测信号SS-DEM包括感兴趣频带BW，感兴趣频带BW被包括在最小频率和最大频率之间，该最小频率例如在0Hz和50Hz之间，该最大频率例如在100Hz和10kHz之间。
感兴趣频带BW被用于确定MEMS陀螺仪1的旋转程度(例如，旋转角速度)，并且感兴趣频带BW可以在设计步骤期间根据振荡系统3(例如，可移动结构6和感测结构10)的电气和机械特性、并且根据信号处理模块30的电气特性进行选择。
模数转换器33接收解调的感测信号SS-DEM并且使用采样频率fSS对其进行离散化，生成离散化信号SSS。
根据具体应用，采样频率fSS可以在设计步骤中根据感兴趣频带BW进行选择。
采样频率fSS可以低于或等于可以根据感兴趣频带BW而选择的最大值，例如，等于感兴趣频带BW的最大频率的两倍。
根据具体的应用，模数转换器33还可以包括放大器和/或滤波器，该放大器和/或滤波器被配置为在解调的感测信号SS-DEM的离散化之前，对解调的感测信号SS-DEM进行调节。
此外，在该实施例中，信号处理模块30还包括数字处理器(DSP)35，数字处理器35被配置为对离散化信号SSS执行进一步处理(诸如例如对离散化信号SSS进行滤波和增益)，生成输出信号SO。
此外，数字处理器35可以被配置为修改离散化信号SSS的采样率。详细地，输出频率fo可以不同，例如，低于或等于离散化信号SSS的采样频率fSS。
如下文所述，控制电路4还包括校正模块37，校正模块37作为量化噪声整形器操作，并且生成校正信号SCANC。
在一些实施例中，校正模块37包括相互耦合的正交解调器40、滤波级42、量化器43和校正调制器45。
在一些实施例中，校正模块37是sigma-delta(Σ-Δ)调制器。
正交解调器40包括解调器47，解调器47在输入接收感测信号SS和异相时钟信号CK90，并且提供解调的正交信号SQ-DEM。
解调的正交信号SQ-DEM由感测信号SS的分量形成，该分量与位置信号SR同相并因此相对于驱动信号SD正交。
滤波级42具有截止频率，接收解调的正交信号SQ-DEM并生成滤波信号Sf。
滤波级42的截止频率可以根据具体的应用在设计步骤中进行选择。
例如，滤波级42的截止频率根据感兴趣频带BW和/或根据采样频率fSS进行选择，例如，该截止频率可以等于感兴趣频带BW的最大频率。
在一些实施例中，滤波级42包括接收解调的正交信号SQ-DEM的低通滤波器(LPF)50、以及具有增益k的放大器51，放大器51被耦合到低通滤波器50的输出并且被配置为提供滤波信号Sf。
图3详细示出了滤波级42的实施例的电路图，在此滤波级42由二阶RC型有源电路形成。例如，滤波级42包括通过电容为CZ的电容器55相互级联耦合的两个RC滤波级53、54，其中每个RC滤波级包括相应的放大器(AMP)56、电容器57和电阻器58。
然而，滤波级42可以是除了两阶之外的N阶并且可以是不同的类型，例如，可以由跨导元件形成或者可以是无源类型并且由电感器和电容器的网络形成。
返回参考图1和图2，量化器43接收滤波信号Sf和校正时钟信号CKFS。
量化器43例如具有单比特或多比特架构，例如是并联比较(FLASH)类型或逐次逼近寄存器(SAR)类型，量化器43根据滤波信号Sf的值生成离散的精细电容信号NC，精细电容信号NC的频率等于校正时钟信号CKFS的频率fFS。
根据实施例，量化器43可以被配置为在校正时钟信号CKFS的每个事件处(例如，上升沿或下降沿)将滤波信号Sf的值与阈值Vth进行比较。
例如，阈值Vth可以等于0，并且如果滤波信号Sf的模(modulus)大于阈值Vth，则量化器43可以将精细电容信号NC的值增加(或减少)1个单位。
例如，量化器43可以生成精细电容信号NC，以使得精细电容信号NC等于滤波信号Sf和转换参考信号之间的比率的数值(例如，二进制格式)，例如等于阈值Vth。
然而，量化器43可以被配置为以不同方式修改精细电容信号NC的值，例如通过使用例如测温类型(thermometric type)的非二进制编码代码。
附加地或替代地，量化器43可以被配置为具有对精细电容信号NC的抖动功能(dithering function)。
在操作中，量化器43以等于校正时钟信号CKFS的频率fFS的频率对精细电容信号NC的值进行更新。
在一些实施例中，量化器43还提供精细符号信号sC，精细符号信号SC指示滤波信号Sf的符号，并且因此指示解调的正交信号SQ-DEM的符号。在操作中，精细符号信号sC指示感测信号SS的正交分量相对于位置信号SR的相移符号(phase-shift sign)，例如，感测信号SS的正交分量相对于位置信号SR是相移0°还是相移180°。
校正调制器(MOD)45接收精细电容信号NC和位置信号SR，并且生成抵消信号SCANC。
在该实施例中，校正调制器45包括第一可变电容器60，第一可变电容器60的电容值由精细电容信号NC控制。例如，第一可变电容器60可以由多个并联耦合的电容模块形成，多个电容模块中的每个电容模块可以根据由精细电容信号NC指示的值被激活或去激活。
校正调制器45还包括第一相移器63和衰减器65，第一相移器63接收位置信号SR和精细符号信号sC，衰减器65被耦合到第一相移器63的输出。
第一相移器63将相移信号Sdp提供给衰减器65。相移信号Sdp等于位置信号SR或等于具有根据由精细符号信号sC指示的符号值的相移(例如，180°的相移)的位置信号SR。
衰减器65使相移信号Sdp衰减，生成精细抵消电压VCANC-C。
第一可变电容器60具有第一端子61和第二端子62，第一端子61被耦合到输入加法器节点17，第二端子62被耦合到衰减器65的输出(即，被耦合到精细抵消电压VCANC-C)。
在该实施例中，校正调制器45还包括寄存器68、第二可变电容器70和第二相移器72。
寄存器68为第二可变电容器70提供粗略电容信号NH，粗略电容信号NH被配置为设置第二可变电容器70的电容值。
例如，第二可变电容器70可以由多个并联耦合的电容模块形成，多个电容模块中的每个电容模块可以根据由粗略电容信号NH指示的值来被激活或去激活。
粗略电容信号NH的值可以在MEMS陀螺仪1的初始校准步骤期间被确定和/或可以在MEMS陀螺仪1的后续校准步骤的情况下被修改。
寄存器68还向第二相移器72提供粗略符号信号sH，粗略符号信号sH指示在初始校准步骤中测量的感测信号SS的正交分量和位置信号SR之间的相移的初始符号。
第二相移器72接收位置信号SR并且提供粗略抵消电压VCANC-H。粗略抵消电压VCANC-H等于位置信号SR或等于具有根据由粗略符号信号sH指示的符号值的相移(例如，180°的相移)的位置信号SR。
第二可变电容器70具有第一端子71和第二端子72，第一端子71被耦合到输入加法器节点17，第二端子72被耦合到第二相移器72的输出(即，被耦合到粗略抵消电压VCANC-H)。
在操作中，驱动信号SD引起驱动结构8沿驱动方向(例如，第一轴X)的振荡。在MEMS陀螺仪1绕横向于(transverse to)驱动方向的轴(例如，绕第三轴Z)进行旋转的情况下，可移动结构6沿感测方向发生位移，该感测方向在所考虑的示例中平行于第二轴Y。可移动结构6的移动修改了感测电容器13的电容值CMEMS。作为结果，感测电容器13生成测量电流ICor，测量电流ICor指示MEMS陀螺仪1的旋转。
由于振荡系统3的制造缺陷，即使在MEMS陀螺仪1没有旋转的情况下，驱动信号SD也可能会引起可移动结构6沿感测方向的伪移动。伪移动可以被感测电容器13感测到，因此这也生成正交电流IQ，正交电流IQ添加到测量电流ICor上。
正交电流IQ相对于测量电流ICor相移(例如，相移90°)，从而在测量信号SM中引入正交分量。
在此，校正信号SCANC包括由第一和第二可变电容器60、70从参考信号(在此是位置信号SR)生成的抵消电流ICANC。详细地，精细可变电容器60的电容和粗略可变电容器70的电容使抵消电流ICANC具有在模上(in modulus)等于正交电流IQ的幅度，如图4的曲线图所示，其中正交电流IQ用虚线表示。
此外，再次如图4中所示，第一和第二相移器63、72使抵消电流ICANC相对于正交电流IQ具有相反的符号或方向。
在操作中，抵消电流ICANC抵消正交电流IQ；因此，作为第一近似，放大器23仅接收和放大由MEMS陀螺仪1的旋转给出的测量信号SM的分量。
精细可变电容器60的电容在操作中以校正时钟信号CKFS的频率fFS被更新的事实使得：由滤波信号Sf的量化引入的可能噪声处于在解调的感测信号SS-DEM的感兴趣频带BW之外的频率，解调的感测信号SS-DEM被用于感测MEMS陀螺仪1的旋转。
校正时钟信号CKFS的频率fFS可以大于感兴趣频带BW的最大频率。
例如，校正时钟信号CKFS的频率fFS可以大于输出信号SO的输出频率fo。
在操作中，校正模块37(例如，精细可变电容器60)允许以自适应方式对校正信号SCANC进行调制，以便在使用MEMS陀螺仪1时补偿正交电流IQ中的变化，而不会引入感兴趣频带BW中的噪声。因此，MEMS陀螺仪1能够有效地补偿测量信号SM的正交误差分量中的变化，而不损害MEMS陀螺仪1的旋转的感测灵敏度。
根据实施例，例如图4中所示，在分别对应于抵消电流ICANC的峰值和谷值的更新时刻(update time instant)75、76，抵消电流ICANC被更新。
抵消电流ICANC的峰值和谷值对应于粗略抵消电压VCANC-C具有最大斜率(即，当它穿过零值时)的时刻。实际上，校正时钟信号CKFS与位置信号SR的过零同步。
以这种方式，当第一可变电容器60两端的电压具有零值时，第一可变电容器60的电容就会发生变化，从而避免在对相应电容值进行更新期间发生与第一可变电容器60的充放电相关联的峰值电流，这可能会损害MEMS陀螺仪1的性能。
例如，如果校正时钟信号CKFS的频率fFS等于驱动频率fD的两倍，如图4中所示，则可以使粗略电容信号NC的更新频率最大化并因此使抵消电流ICANC的更新频率最大化。
图5示出了当前MEMS陀螺仪的不同实施例，此处由100指示。MEMS陀螺仪100具有与MEMS陀螺仪1的一般结构类似的一般结构；因此，共同元件由相同的附图标记指示并不再赘述。
MEMS陀螺仪100具有差分架构并且再次通过振荡系统(此处由103指示)和控制电路(此处由104指示)形成，该振荡系统包括可移动结构(此处未示出)、第一驱动结构(DRV+)108A和第二驱动结构(DRV-)108B、和第一感测结构110A和第二感测结构110B。
第一和第二感测结构110A、110B相当于MEMS陀螺仪1的感测结构10。详细地，第一感测结构110A形成具有电容CM+的感测电容器13，并且具有电容CM+的感测电容器13的端子分别处于转子电压VROT和正定子电压VSTAT+。
第二感测结构110B形成具有电容CM-的感测电容器13，并且具有电容CM-的感测电容器13的端子分别处于转子电压VROT和负定子电压VSTAT-。
在实践中，第一和第二感测结构110A、110B被配置为以差分方式感测可移动结构沿感测方向的移动。
第一和第二驱动结构108A、108B各自相当于MEMS陀螺仪1的驱动结构8。在该实施例中，第一驱动结构108A接收驱动信号(在此为正驱动电压VD+)并生成位置信号(在此为正位置电压VR+)，并且第二驱动结构108B接收驱动信号(在此为负驱动电压VD-)并生成位置信号(在此为负位置电压VR-)。
在操作中，第一和第二驱动结构108A、108B被配置为驱动可移动结构，并且以差分方式感测可移动结构沿驱动方向的移动。
控制电路104包括感测电路系统(此处由120指示)、信号处理模块30、驱动模块(此处由115指示)、和校正模块(此处由137指示)。
驱动模块115生成正驱动电压VD+和负驱动电压VD-，它们相互相移180°，各自具有驱动频率fD。
驱动模块115接收正位置电压VR+和负位置电压VR-，并且在此再次生成同相时钟信号CK0、异相时钟信号CK90和校正时钟信号CKFS。
同相时钟信号CK0与差异信号VR+-VR-正交，差异信号由正位置电压VR+与负位置电压VR-之差给出。
详细地，同相时钟信号CK0的上升(或下降)沿与差异信号VR+-VR-的峰值(或谷值)同步。异相时钟信号CK90的上升(或下降)沿与差异信号VR+-VR-的过零同步。
感测电路系统120包括差分类型的放大器123，放大器123具有两个输入(正输入113和负输入114)和两个输出(负输出115和正输出116)。
正输入113被耦合到处于正定子电压VSTAT+的第一感测结构110A的端子，负输入114被耦合到处于负定子电压VSTAT-的第二感测结构110B的端子。
感测电路系统120还包括第一反馈电容器124A和第二反馈电容器124B，第一反馈电容器124A具有电容CFB+并且被耦合在放大器123的正输入113和负输出115之间，第二反馈电容器124B具有电容CFB-并且被耦合在放大器123的负输入114和正输出116之间。
放大器123的负输出115和正输出116分别处于正感测电压VS+和负感测电压VS-。
在该实施例中，信号处理模块30接收正感测电压VS+和负感测电压VS-。解调器32使用同相时钟信号CK0来解调正感测电压VS+和负感测电压VS-并生成解调的感测信号(在此由VS-DEM指示)。
模数转换器33和数字处理器35从解调的感测信号VS-DEM生成以输出频率fo的输出信号SO，如上文针对MEMS陀螺仪1所述。
校正模块137包括：正交解调器40，包括解调器47；滤波级42，包括滤波器50和放大器51；量化器43；和校正调制器(在此由145指示)。
解调器47使用异相时钟信号CK90接收并解调正感测电压VS+和负感测电压VS-，从正感测电压VS+和负感测电压VS-分别生成正解调的正交电压VQ-DEM+和负解调的正交电压VQ-DEM-。
滤波级42接收正解调的正交电压VQ-DEM+和负解调的正交电压VQ-DEM-，从正解调的正交电压VQ-DEM+和负解调的正交电压VQ-DEM-分别生成正滤波电压Vf+和负滤波电压Vf-。
量化器43接收正滤波电压Vf+和负滤波电压Vf-并提供精细电容信号NC。
在一些实施例中，精细电容信号NC例如，相对于可以在校准步骤期间确定的阈值电压的值，以校正时钟信号CKFS的频率fFS被更新并且取决于正滤波电压Vf+和负滤波电压Vf-之差。
同样在此，量化器43提供精细符号信号sC，精细符号信号sC指示正滤波电压Vf+和负滤波电压Vf-之差的符号。
校正模块145包括衰减器65、彼此等同的第一和第二精细可变电容器160A、160B、以及第一信号开关或偏差器167。
衰减器65接收正位置电压VR+和负位置电压VR-并使正位置电压VR+和负位置电压VR-衰减，从它们分别生成正抵消电压VC+和负抵消电压VC-。
第一和第二精细可变电容器160A、160B接收精细电容信号NC，精细电容信号NC控制第一和第二精细可变电容器160A、160B的电容值。例如，第一和第二精细可变电容器160A、160B各自可以由相互并联耦合的多个电容模块形成，这些电容模块可以根据由精细电容信号NC指示的值被激活或去激活。
第一和第二精细可变电容器160A、160B各自具有被耦合到第一偏压器167的相应输入的第一端子161、以及分别被耦合到正抵消电压VC+和负抵消电压VC-的第二端子162。
第一偏差器167由精细符号信号sC控制，并且具有被耦合到放大器123的正输入113的第一输出以及被耦合到放大器123的负输入114的第二输出。
例如，当精细符号信号sC指示负符号时，第一偏差器167将第一精细可变电容器160A耦合(如图5中第一偏差器167内的虚线所指示)到放大器123的负输入114，并且将第二精细可变电容器160B耦合到放大器123的正输入113。
相反，当精细符号信号sC指示正符号时，第一偏差器167将第一精细可变电容器160A耦合(如图5中第一偏差器167内的实线所指示)到放大器123的正输入113，并且将第二精细可变电容器160B耦合到放大器123的负输入114。
调制块145还包括存储粗略电容信号NH和粗略符号信号sH的寄存器68、第一和第二粗略可变电容器170A、170B以及第二偏差器172。
第一和第二粗略可变电容器170A、170B接收粗略电容信号NH，粗略电容信号NH控制第一和第二粗略可变电容器170A、170B的电容值。例如，第一和第二粗略可变电容器170A、170B可以各自由相互并联耦合的多个电容模块形成，这些电容模块可以根据由粗略电容信号NH指示的值被激活或去激活。
第一和第二粗略可变电容器170A、170B各自具有被耦合到第二偏压器172的相应输入的第一端子171、以及分别被耦合到正位置电压VR+和负位置电压VR-的第二端子173。
第二偏差器172由粗略符号信号sH控制，并且具有被耦合到放大器123的正输入113的第一输出以及被耦合到放大器123的负输入114的第二输出。
例如，当粗略符号信号sH指示负符号时，第二偏差器172将第一粗略可变电容器170A耦合到放大器123的负输入114并且将第二粗略可变电容器170B耦合到放大器123的正输入113，如图5中第二偏离器172内的虚线所指示。
相反，当粗略符号信号sH指示正符号时，第二偏差器172将第一粗略可变电容器170A耦合到放大器123的正输入113并且将第二粗略可变电容器170B耦合到放大器123的负输入114，如图5中第二偏差器172内的实线所指示。
在操作中，校正调制器145允许生成正抵消电流ICANC+和负抵消电流ICANC-，其方式类似于上文针对MEMS陀螺仪1的校正调制器45所讨论的方式。正抵消电流ICANC+和负抵消电流ICANC-抵消由第一和第二感测结构110A、110B的感测电容器13生成的任何正交分量。
在放大器123的输入处，测量信号SM的正交分量因此得到补偿。MEMS陀螺仪100的输出信号SO不受正交误差的影响，并且MEMS陀螺仪100具有较高的感测灵敏度。
此外，在该实施例中，第一和第二偏差器167、172在使用中允许抵消信号SCANC(在此以差分方式从正抵消电流ICANC+和负抵消电流ICANC-获得)的符号被反转。
最后，清楚的是，可以对本文描述和图示的MEMS陀螺仪1、100进行修改和变化，而不由此脱离如所附权利要求所限定的本公开的范围。
粗略可变电容器70和/或第一和第二粗略可变电容器170A、170B也可以由相应量化器生成的相应电容信号进行控制。
替代地或附加地，校正调制器45可以由包括精细可变电容器60和第一相移器63的单个调制组形成。类似地，校正调制器145可以由包括第一和第二精细可变电容器160A、160B和第一偏压器167的单个调制组形成。
例如，在图2的MEMS陀螺仪1中，衰减器65和第一相移器63的相互布置可以颠倒。
此外，例如，在校正调制器45、145中，抵消信号ICANC、ICANC+、ICANC-可以直接从相应的位置信号SR、VR+、VR-生成，即，位置信号不经受衰减。
校正调制器45、145可以被配置为以不同的方式生成抵消信号SCANC。
例如，参考MEMS陀螺仪1的调制块45，抵消电流ICANC可以通过保持精细抵消电压VCANC-C随时间恒定并且随时间以驱动频率改变精细可变电容器60的电容而被获得。
例如，控制电路4可以包括模数转换器，以使得正交解调器40和/或滤波级42可以使用数字架构而不是模拟架构来实现。
例如，MEMS陀螺仪1、100可以是单轴、双轴或三轴类型。
例如，根据MEMS陀螺仪1、100的具体应用，可移动结构6可以包括一个或多个可移动质量块。在可移动结构6包括多个可移动质量块的情况下，MEMS陀螺仪1、100可以包括一个或多个驱动结构，例如，每个可移动质量块一个驱动结构。替代地，MEMS陀螺仪1、100可以包括被耦合到可移动驱动质量块的单个驱动结构，并且剩余的可移动质量块可以适当地被弹性耦合到可移动驱动质量块。
最后，可以组合所描述的实施例以形成更多解决方案。
一种用于MEMS陀螺仪(1；100)的控制电路(4；104)，被配置为从MEMS陀螺仪接收具有正交分量(IQ)和感测分量(ICor)的测量信号(SM)，控制电路可以被概括为包括输入级(17、20；113、114、120)，输入级被配置为采集输入信号(SM+SCANC)，并且响应于输入信号的采集而生成采集信号(SS；VS+、VS-)，输入信号是测量信号和正交抵消信号(SCANC、ICANC；ICANC+、ICANC-)的函数；处理级(30)，被配置为提取采集信号(SS；VS+、VS-)的第一分量(SS-DEM；VS-DEM)，采集信号的第一分量指示测量信号的感测分量并具有感测频带；正交校正级(37；137)，被配置为提取采集信号(SS；VS+、VS-)的第二分量(SQ-DEM；VQ-DEM+、VQ-DEM-)，并且从参考信号(SR、VCANC-C；VC+、VC-)生成正交抵消信号(SCANC、ICANC；ICANC+、ICANC-)，采集信号的第二分量指示测量信号的正交分量，其中正交抵消信号是以在感测频带之外的更新频率(fFS)根据采集信号的第二分量而被调制的信号。
正交校正级可以是sigma-delta调制器。
正交校正级(37；137)可以包括：滤波级(42)，被配置为对采集信号(SS；VS+、VS-)的第二分量(SQ-DEM；VQ-DEM+、VQ-DEM-)进行滤波，生成滤波信号(Sf；VF+、VF-)；量化器(43)，被配置为接收具有更新频率(fFS)的更新时钟信号(CKFS)，并且从滤波信号生成具有等于更新频率的数据速率的数字校正信号(NC、sC)；以及调制器(45；145)，被配置为生成正交抵消信号(SCANC、ICANC；ICANC+、ICANC-)，根据数字校正信号来调正交抵消信号的幅度和/或相位，从而抵消输入信号(SM+SCANC)中的测量信号的正交分量(IQ)。
输入级(20；120)可以具有被配置为接收测量信号的输入节点(17；113、114)，调制器可以包括具有第一端子(61；162)和第二端子(62；161)的第一可变电容器(60；160A、160B)，第一端子被耦合到输入级的输入节点，第二端子被配置为接收是参考信号的函数的输入电压(VCANC-C；VC+、VC-)，数字校正信号(NC)被配置为修改第一可变电容器的电容并调制正交抵消信号的幅度。
校正信号可以包括指示滤波信号(Sf)的相移符号的符号信号(sC)，调制器还包括相移块(63；167)，相移块被配置为根据符号信号来反转正交抵消信号(SCANC、ICANC；ICANC+、ICANC-)的相位。
更新时钟信号(CKFS)可以与参考信号(SR；VR+、VR-)的过零同步。
参考信号可以具有第一频率(fD)并且更新频率(fFS)可以等于第一频率的两倍。
控制电路被配置为从MEMS陀螺仪的振荡系统(3；103)接收参考信号(SR；VR+、VR-)，控制电路还可以包括驱动模块(15；115)，驱动模块被配置为生成具有第一频率(fD)的驱动信号(SD、VD+、VD-)、并且被配置为引起振荡系统(3；103)的驱动振荡，参考信号指示振荡系统的驱动振荡。
驱动模块可以被配置为生成具有第一频率且相对于参考信号正交的第一解调信号(CK0)、具有第一频率且相对于参考信号同相的第二解调信号(CK90)，处理级(30)被配置为使用第一解调信号来提取采集信号的第一分量，正交校正级(37；137)被配置为使用第二解调信号来提取采集信号的第二分量。
调制器还可以包括第二可变电容器(70；170A、170B)和寄存器(68)，第二可变电容器具有第一端子(71；173)和第二端子(72；171)，第一端子被耦合到输入级(20；120)的输入节点(17；113、114)，第二端子被配置为接收是参考信号的函数的第二输入电压(VCANC-H；VR+、VR-)，寄存器(68)被配置为生成校准校正信号(NH、sH)，校准校正信号(NH)被配置为设置第二可变电容器的校准电容值。
输入级(120)可以具有第一输入(113)和第二输入(114)，并且可以被配置为从MEMS陀螺仪接收差分类型的测量信号，并且从正交校正级(137)接收差分类型的正交抵消信号(ICANC+、ICANC-)。
一种MEMS陀螺仪(1；100)可以被概括为包括根据前述权利要求中任一项所述的控制电路(4；104)和被配置为生成测量信号(SM)的振荡系统(3；103)。
一种用于MEMS陀螺仪(1；100)的控制方法，MEMS陀螺仪可以被概括为包括控制电路(4；104)，控制方法包括由控制电路：从MEMS陀螺仪接收具有正交分量(IQ)和感测分量(ICor)的测量信号(SM)；采集输入信号(SM+SCANC)，该输入信号是测量信号和正交抵消信号(SCANC、ICANC；ICANC+、ICANC-)的函数；响应于输入信号的采集，生成采集信号(SS；VS+、VS-)；提取指示测量信号的感测分量的采集信号(SS；VS+、VS-)的第一分量(SS-DEM；VS-DEM)，采集信号的第一分量具有感测频带；提取指示测量信号的正交分量的采集信号(SS；VS+、VS-)的第二分量(SQ-DEM；VQ-DEM+、VQ-DEM-)；以及从参考信号(SR、VCANC-C；VC+、VC-)生成正交抵消信号(SCANC、ICANC；ICANC+、ICANC-)，其中正交抵消信号是以在感测频带之外的更新频率(fFS)根据采集信号的第二分量而被调制的信号。
生成正交抵消信号可以包括：对采集信号的第二分量进行滤波，生成滤波信号(Sf；Vf+、Vf-)；从滤波信号并且通过由具有更新频率的更新时钟信号(CKFS)控制的量化器(43)，生成具有等于更新频率的数据速率的数字校正信号(NC、sC)；以及根据数字校正信号来调制正交抵消信号的幅度和/或相位，以抵消输入信号(SM+SCANC)中的测量信号的正交分量(IQ)。
更新时钟信号可以与参考信号(SR，VR+、VR-)的过零同步。
可以组合上述各种实施例以提供更多的实施例。如有必要，可以修改实施方案的各个方面，以采用各种实施方案的概念来提供更多的实施例。
可以按照以上详细描述对实施例进行这些和其他的改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这种权利要求有权获得的等价物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种用于MEMS陀螺仪的控制电路，被配置为从所述MEMS陀螺仪接收具有正交分量和感测分量的测量信号，所述控制电路包括：
输入级，被配置为采集输入信号，并且响应于所述输入信号生成采集信号，所述输入信号是所述测量信号和正交抵消信号的函数；
处理级，被配置为获得所述采集信号的第一分量，所述第一分量指示所述测量信号的所述感测分量并且具有感测频带；以及
正交校正级，被配置为提取所述采集信号的第二分量，并且基于参考信号生成所述正交抵消信号，所述采集信号的所述第二分量指示所述测量信号的所述正交分量，
其中所述正交抵消信号是以在所述感测频带之外的更新频率根据所述采集信号的所述第二分量而被调制的信号。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述正交校正级是Sigma-Delta调制器。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述正交校正级包括：
滤波级，被配置为对所述采集信号的所述第二分量进行滤波以生成滤波信号；
量化器，被配置为接收具有所述更新频率的更新时钟信号，并且基于所述滤波信号生成数字校正信号，所述数字校正信号具有等于所述更新频率的数据速率；以及
调制器，被配置为基于所述数字校正信号来调制所述正交抵消信号的幅度或相位中的一者或多者。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其中所述输入级具有被配置为接收所述测量信号的输入节点，并且
其中所述调制器包括第一可变电容器，所述第一可变电容器具有第一端子和第二端子，所述第一端子被耦合到所述输入级的所述输入节点，所述第二端子被配置为接收是所述参考信号的函数的输入电压，所述数字校正信号被配置为修改所述第一可变电容器的电容，以调制所述正交抵消信号的幅度。
5.根据权利要求3所述的控制电路，其中所述数字校正信号包括符号信号，所述符号信号指示所述滤波信号的相移符号，并且
其中所述调制器还包括相移块，所述相移块被配置为根据所述符号信号来反转所述正交抵消信号的相位。
6.根据权利要求3所述的控制电路，其中所述更新时钟信号与所述参考信号的过零同步。
7.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述参考信号具有第一频率并且所述更新频率等于所述第一频率的大约两倍。
8.根据权利要求1所述的控制电路，被配置为从所述MEMS陀螺仪的振荡系统接收所述参考信号，
其中所述控制电路还包括驱动模块，所述驱动模块被配置为生成具有第一频率的驱动信号、并且被配置为引起所述振荡系统的驱动振荡，所述参考信号指示所述振荡系统的驱动振荡。
9.根据权利要求8所述的控制电路，其中所述驱动模块被配置为生成第一解调信号和第二解调信号，所述第一解调信号具有所述第一频率并且相对于所述参考信号正交，所述第二解调信号具有所述第一频率并且相对于所述参考信号同相，所述处理级被配置为使用所述第一解调信号来提取所述采集信号的所述第一分量，所述正交校正级被配置为使用所述第二解调信号来提取所述采集信号的所述第二分量。
10.根据权利要求4所述的控制电路，其中所述调制器还包括第二可变电容器和寄存器，所述第二可变电容器具有第一端子和第二端子，所述第一端子被耦合到所述输入级的所述输入节点，所述第二端子被配置为接收是所述参考信号的函数的第二输入电压，所述寄存器被配置为生成校准校正信号，所述校准校正信号被配置为设置所述第二可变电容器的校准电容值。
11.根据权利要求1所述的控制电路，具有差分架构，其中所述输入级具有第一输入和第二输入，并且被配置为从所述MEMS陀螺仪接收差分类型的测量信号并且从所述正交校正级接收差分类型的正交抵消信号。
12.一种用于MEMS陀螺仪的控制方法，所述MEMS陀螺仪包括控制电路，所述控制方法包括，由所述控制电路：
从所述MEMS陀螺仪接收具有正交分量和感测分量的测量信号；
采集输入信号，所述输入信号是所述测量信号和正交抵消信号的函数；
响应于所述输入信号的采集，生成采集信号；
提取所述采集信号的第一分量，所述采集信号的所述第一分量指示所述测量信号的所述感测分量，所述采集信号的所述第一分量具有感测频带；
提取所述采集信号的第二分量，所述采集信号的所述第二分量指示所述测量信号的所述正交分量；以及
从所述参考信号生成所述正交抵消信号；
其中所述正交抵消信号是以在所述感测频带之外的更新频率基于所述采集信号的所述第二分量而被调制的信号。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其中生成所述正交抵消信号包括：
对所述采集信号的所述第二分量进行滤波以生成滤波信号；
从所述滤波信号、并通过由具有所述更新频率的更新时钟信号控制的量化器，生成数字校正信号，所述数字校正信号具有等于所述更新频率的数据速率；以及
基于所述数字校正信号来调制所述正交抵消信号的幅度/相位中的一者或多者，所述正交抵消信号被配置为抵消所述输入信号中的所述测量信号的所述正交分量。
14.根据权利要求13所述的控制方法，其中所述更新时钟信号与所述参考信号的过零同步。
15.一种MEMS陀螺仪，具有控制电路和振荡系统，所述控制电路包括：
正交校正级，被配置为基于参考信号和所述振荡系统的测量信号的正交分量来生成正交抵消信号，所述正交抵消信号被配置为抵消所述测量信号的所述正交分量。
16.根据权利要求15所述的MEMS陀螺仪，其中所述正交校正级包括第一相移器，所述第一相移器被配置为基于所述测量信号的正交分量来调制所述参考信号的相位。
17.根据权利要求15所述的MEMS陀螺仪，其中所述正交校正级包括第一可变电容器，所述第一可变电容器基于所述测量信号的所述正交分量来改变电容。
18.根据权利要求15所述的MEMS陀螺仪，其中所述第一可变电容器被耦合以接收基于所述参考信号生成的信号。
19.根据权利要求15所述的MEMS陀螺仪，其中所述正交校正级被配置为基于所述参考信号和校准校正信号来生成所述正交抵消信号。
20.根据权利要求19所述的MEMS陀螺仪，其中所述正交校正级包括第二相移器和第二可变电容器，所述第二相移器被配置为基于所述校准校正信号来调制所述参考信号的相位，并且所述第二可变电容器被耦合到所述第二相移器的输出，并且被配置为基于所述校准校正信号来改变所述第二可变电容器的电容值。
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