CN117767883A - 微机电系统振荡器 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种微机电系统振荡器，微机电系统振荡器包括控制电路、谐振器和振荡电路；振荡电路包括TIA振荡子电路；TIA振荡子电路分别与谐振器和控制电路电性连接；控制电路用于调节TIA振荡子电路的带宽，以使谐振器的目标频点之频率位于TIA振荡子电路之带宽的覆盖范围内；TIA振荡子电路基于带宽来驱使谐振器以目标频点振动，并接收谐振器输出的振荡信号以获取频率信号。本申请能够使微机电系统振荡器在目标频点振荡。

Description

微机电系统振荡器

技术领域

本申请涉及电路技术领域，具体涉及一种微机电系统振荡器。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)谐振器是使机械结构在其固有频率振动，MEMS谐振器与振荡电路集成，构成MEMS振荡器。基于MEMS谐振器的振荡器不仅具有高频高Q，而且其制造工艺与IC技术兼容，可实现MEMS谐振器与维持电路在同一芯片集成，促使整个系统小型化。近年来，基于MEMS谐振器的振荡器引起人们越来越多的关注。

MEMS谐振器可以具有多个可稳定振动的频点，然而，现有的MEMS振荡器一般仅使用MEMS谐振器中Q值最高的谐振频率，往往忽略其他满足电路需求的频率点，导致使其输出频率单一，如在需要多个时钟的现代电路系统中，需要利用多个不同种类的MEMS振荡器来实现。

发明内容

鉴于此，本申请提供了一种微机电系统振荡器，以使微机电系统振荡器能够在不同的频点振荡。

本申请提供了一种微机电系统振荡器，所述微机电系统振荡器包括控制电路、谐振器和振荡电路；所述振荡电路包括TIA振荡子电路；所述TIA振荡子电路分别与所述谐振器和所述控制电路电性连接；所述控制电路用于调节所述TIA振荡子电路的带宽，以使所述谐振器的目标频点之频率位于所述TIA振荡子电路之带宽的覆盖范围内；所述TIA振荡子电路基于所述带宽来驱使所述谐振器以所述目标频点振动，并接收所述谐振器输出的振荡信号以获取频率信号。

可选地，所述控制电路用于为所述TIA振荡子电路提供多个供电电压，通过调节所述多个供电电压来调整所述TIA振荡子电路的带宽。

可选地，所述控制电路包括LDO模块；所述LDO模块用于提供多个可调的供电电压。

可选地，所述控制电路还包括数字模块；所述数字模块用于控制所述LDO模块的供电电压，以使所述LDO模块输出相应的供电电压。

可选地，所述TIA振荡子电路采用带通滤波器结构，所述带通滤波器结构包括低通滤波模块和高通滤波模块，所述低通滤波模块和所述高通滤波模块分别接入一供电电压。

可选地，所述TIA振荡子电路还包括放大模块；所述多个供电电压包括第一电压和第二电压；所述低通滤波模块的输入端用于接入所述振荡信号，电压控制端用于接入所述第一电压，输出端连接所述高通滤波模块的输入端；所述高通滤波模块的电压控制端用于接入所述第二电压，输出端用于输出以驱使所述谐振器振动的驱动电压，并连接所述放大模块的输入端；所述放大模块的输出端用于输出所述频率信号。

可选地，所述目标频点为所述谐振器的主谐振点。

可选地，所述低通滤波模块对应上限频率，所述高通滤波模块对应下限频率，所述上限频率的大小与所述第一电压的大小正相关，所述下限频率的大小与所述第二电压的大小负相关。

可选地，所述低通滤波模块包括第一电阻和第一反相放大器；所述第一反相放大器的输入端作为所述低通滤波模块的输入端，并连接所述第一电阻的第一端，所述第一反相放大器的输出端作为低通滤波模块的输出端，并连接所述第一电阻的第二端。

可选地，所述高通滤波模块包括第二电阻、第一电容、第二电容和第二反相放大器；所述第一电容的第一端作为所述高通滤波模块的输入端，第二端分别连接所述第二反相放大器的输入端、所述第二电阻的第一端和所述第二电容的第一端；所述第二反相放大器的输出端作为所述高通滤波模块的输出端，并分别连接所述第二电阻的第二端和所述第二电容的第二端。

本申请提供的上述微机电系统振荡器，设置控制电路调节TIA振荡子电路的带宽，以使MEMS振荡器能够在目标频点振荡，在这种情况下，同一种类的MEMS振荡器可输出不同的频率信号，能够更好应用在电路系统中。进一步地，控制电路可以通过LDO模块提供多个可调的供电电压，通过数字模块控制LDO模块的供电电压，以达到根据应用需求调节MEMS振荡器谐振点的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例的MEMS振荡器的结构框图；

图2是本申请一实施例的MEMS振荡器的电路结构示意图；

图3是本申请另一实施例的MEMS振荡器的结构框图；

图4是本申请一实施例的TIA振荡子电路的电路结构示意图；

图5是本申请一实施例中TIA振荡子电路的带通示意图；

图6是本申请一实施例中TIA振荡子电路的带通范围变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。

本申请提供了一种微机电系统振荡器，也可以称为MEMS振荡器。参见图1，该微机电系统振荡器1包括谐振器10和振荡电路20，其中，谐振器10可以包括用于振动的谐振子，谐振子即图1中示出的Resonator。谐振器10和振荡电路20电性连接，谐振器10被配置为由振荡电路20维持使其以对应频率振动。

在本实施例中，振荡电路20可以包括TIA振荡子电路21，其中，TIA振荡子电路即图1中示出的TIA。TIA振荡子电路21可以与谐振器10电性连接；TIA振荡子电路21用于对谐振器10施加驱动电压V_drive驱使谐振器10振动，并接收谐振器10输出的振荡信号以获取频率信号CLK_TIA。在一些实施例中，振荡电路20可以包括电荷泵子电路22，其中，电荷泵子电路即图1中示出的charge pump。电荷泵子电路22可以与谐振器10电性连接；电荷泵子电路22用于为谐振器10施加偏置电压V_bias，以有效降低谐振器10的阻抗等，便于谐振器10起振。

具体而言，参见图2，谐振器10可以包括驱动电极Drive、用于振动的振子Resonator以及感测电极Sense，在MEMS振荡器1工作时，对驱动电极Drive施加交流驱动信号(如一交流电压信号)，并对振子Resonator施加偏置电压V_bias(如一直流电压信号)，从而在驱动电极Drive和振子Resonator上建立的相反或相同电荷之间施加静电力，在静电力的驱动下振子Resonator来回振动，导致感测电极Sense和振子Resonator之间的电容发生变化，从而使得感测电极Sense上产生交流电流I_sense。TIA振荡子电路21的输入端和感测电极Sense电连接，以接收该交流电流I_sense进行放大(或增益)并转化为电压信号V_drive输出，TIA振荡子电路21的输出端和谐振器10中的驱动电极Drive电性连接，驱动电极Drive接收该电压信号以作为驱动信号V_drive维持振子Resonator振动，从而形成一个“电能→机械动能→电能”的闭环系统。因此，MEMS振荡器1的谐振器10可进行固定频率的物理振动，以产生交流电流I_sense，即振荡信号。

此外，TIA振荡子电路21可以将增益后的电压信号V_drive传输给TIA振荡子电路21中后续模块进行处理以产生频率信号CLK_TIA。

在本申请的实施例中，谐振器10可以具有多个谐振点(也称频点)，谐振器10在谐振点工作可较为稳定的输出振荡信号I_sense。例如，谐振器10可以以不同的模态振动，各模态对应不同的谐振点；或者，谐振器10以一固定模态振动时，也可具有多个谐振点。

参见图1，MEMS振荡器1还包括控制电路30，其中，控制电路即图1中示出的Control。控制电路30与TIA振荡子电路21电性连接。控制电路30用于调节TIA振荡子电路21的带宽。TIA振荡子电路21基于自身的带宽来驱使谐振器10以带宽内的一频点振动。也就是说，TIA振荡子电路21之带宽至少覆盖谐振器10所需工作的目标频点，在这种情况下，当MEMS振荡器上电后，TIA振荡子电路21基于自身的带宽施加驱动电压V_drive以驱使谐振器10以带宽内的目标频点振动，实现配置MEMS谐振器10谐振点的目的。其中，目标频点从谐振器10具有的多个频点中选取，由电路需求确定。不同的电路需求可对应不同的目标频点。在这种情况下，控制电路30能够使MEMS振荡器1在不同的频点振荡，由此，同一种类的MEMS振荡器可输出不同的频率信号，更好应用在电路系统中。

在一些实施例中，控制电路30用于为TIA振荡子电路21提供多个供电电压，通过调节多个供电电压来调整TIA振荡子电路21的带宽，从而实现配置谐振器10工作的目标频点。在这种情况下，谐振器10在控制电路30调节下能够在不同的谐振点工作。由此，同一种类的MEMS振荡器可输出不同的频率信号，能够更好应用在电路系统中。

在一些实施例中，参见图3，控制电路30包括LDO(Low-Dropout Regulator，低压差线性稳压器)模块31。LDO模块31用于提供多个可调的供电电压，如第一电压VDD_LO和第二电压VDD_HI等等，该供电电压可驱使TIA振荡子电路21中的相应模块工作。在这种情况下，通过调节多个供电电压的大小，可影响TIA振荡子电路21中相应模块的工作状态，从而来改变TIA振荡子电路21的带宽。

在一个示例中，如图3所示，控制电路30还包括数字模块32，其中，数字模块即图3中示出的Digital。数字模块32用于控制LDO模块31的供电电压，以使LDO模块31输出适当的供电电压。可选地，数字模块32可以采用单片机和/或FPGA(Field Programmable GateArray，可编程阵列逻辑)等能够读取用户设定的供电电压的信号处理模块实现。

进一步地，在谐振器10起振以后，MEMS振荡器1工作正常的情况下，可通过数字模块32控制VLDO_ADJ<n:0>动态调整LDO模块31输出的供电电压，从而调整TIA振荡子电路21的带宽范围，这样可以实现芯片工作过程中调整谐振器10工作的谐振点，以动态调整输出频率。

在一些实施例中，参见图4，TIA振荡子电路21采用带通滤波器结构。带通滤波器结构可以包括低通滤波模块211和高通滤波模块212。带通滤波器结构的工作原理：带通滤波器结构可以看作是由高通部分(如高通滤波模块212)和低通部分(如低通滤波模块211)协同作用的结果，高通滤波模块212和低通滤波模块211的截止频率可作为带通滤波器结构通带的下限频率和上限频率，上限频率和下限频率之差就是带通滤波器结构的带宽。其中，高通滤波模块212对应下限频率，低通滤波模块211对应上限频率。

在一些实施例中，低通滤波模块211和高通滤波模块212分别接入一供电电压，经由各自接入的供电电压来自身的滤波参数。也即，低通滤波模块211接入的供电电压可用于调节上限频率。高通滤波模块212接入的供电电压可用于调节下限频率。由此，能够实现TIA振荡子电路21之带宽的调整。

具体地，低通滤波模块211的输入端用于接入振荡信号I_sense，电压控制端用于接入第一电压VDD_LO，输出端连接高通滤波模块212的输入端；高通滤波模块212的电压控制端用于接入第二电压VDD_HI，输出端用于输出驱动电压V_drive。在这种情况下，第一电压VDD_LO用于调节低通滤波模块211的低通滤波参数(即TIA振荡子电路21之上限频率)，第二电压VDD_HI用于高通滤波模块212的高通滤波参数(即TIA振荡子电路21之下限频率)。可以理解的是，在其他条件不变的情况下，上限频率的大小与第一电压VDD_LO的大小正相关，下限频率的大小与第二电压VDD_HI的大小负相关，也即，低通滤波模块211接入的第一电压VDD_LO或高通滤波模块212所接入的第二电压VDD_HI越高，所对应部分的带宽越大。当然不限于此，上限频率的大小与第一电压VDD_LO的大小负相关。或者下限频率的大小与第二电压VDD_HI的大小正相关等，具体设置与电路结构相关。

在本实施例中，参见图4，低通滤波模块211包括第一电阻R1和第一反相放大器T1；第一反相放大器T1的输入端作为低通滤波模块211的输入端，并连接第一电阻R1的第一端，输出端作为低通滤波模块211的输出端，并连接第一电阻R1的第二端。

具体地，如图4所示，高通滤波模块212包括第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2和第二反相放大器T2。第一电容C1的第一端作为高通滤波模块211的输入端，第二端分别连接第二反相放大器T2的输入端、第二电阻R2的第一端和第二电容C2的第一端；第二反相放大器T2的输出端作为高通滤波模块212的输出端，并分别连接第二电阻R2的第二端和第二电容C2的第二端。在一些实施例中，第一反相放大器T1可以具有低通滤波模块211的电压控制端。第二反相放大器T2可以具有高通滤波模块212的电压控制端。

在一些实施例中，TIA振荡子电路21还可以包括放大模块213，放大模块213可以对高通滤波模块212输出的驱动电压V_drive进行放大等处理以输出具有合适幅度的频率信号CLK_TIA。具体地，放大模块213可以包括放大器。放大器的输入端与高通滤波模块212的输出端电连接。

图5示出了图4中TIA振荡子电路21的带通示意图，其中，横坐标F为输入信号(如振荡信号I_sense)的频率，纵坐标P为输入信号的幅度。图5中示出了TIA振荡子电路21的带宽范围(或称带通范围)。

在一些实施例中，TIA振荡子电路21的带宽范围内覆盖谐振器10的多个谐振点，在这种情况下，谐振器10倾向于在具有更高Q值的谐振点工作。

例如，参见图5，TIA振荡子电路21的带宽范围覆盖谐振器10的主谐振点fout和其他谐振点fsel，其中，主谐振点fout是指该谐振器10具有最高Q值的谐振点。若TIA振荡子电路21的带宽范围覆盖主谐振点fout，则将激发谐振器10工作在主谐振点fout并输出其频率。可以理解的是，为了得到主谐振点fout，只要TIA振荡子电路21的带宽范围内包括fout，即可激发谐振器10在该谐振点工作并输出fout。

若在不同的应用场景中，可能该谐振器10的其它频率点可更好的满足工作需求，此时，调节控制电路30来调整TIA振荡子电路21之带宽，以实现工作在目标频点。具体地，为了谐振器10工作在Q值低于主谐振点fout的其他谐振点，控制电路30改变供电电压来将fout排除在TIA振荡子电路21的带宽以外，从而可激发谐振器10工作在其他谐振点并输出相应频率。

例如，参见图6，相关人员根据电路或客户需求得知该谐振器10所需工作的第一谐振点fsel1，且fsel1的大小低于fout，通过降低低通部分的第一电压VDD_LO，从而降低低通部分的上限频率，将fout排除在TIA振荡子电路21的带宽以外，且第一谐振点fsel1之频率位于TIA振荡子电路21的带宽范围，在这种情况下，TIA振荡子电路21可激发谐振器10工作在第一谐振点fsel1并输出相应频率。

或者，若相关人员根据电路或客户需求得知谐振器10所需工作的第二谐振点fsel2，且fsel2高于fout，通过降低高通部分的第二电压VDD_HI，从而调高高通部分的下限频率，将fout排除在TIA振荡子电路21的带宽以外，且第二谐振点fsel2之频率位于TIA振荡子电路21的带宽范围，由此，可激发谐振器10工作在第二谐振点fsel2并输出相应频率。

以上微机电系统振荡器1，设置控制电路30调节TIA振荡子电路21的带宽，以使MEMS振荡器能够在不同的谐振点振荡，在这种情况下，同一种类的MEMS振荡器可输出不同的频率信号，能够更好应用在电路系统中。其中控制电路30可以通过LDO模块31提供多个可调的供电电压，通过数字模块32控制LDO模块31的供电电压，以达到根据应用需求调节MEMS振荡器谐振点的目的。

尽管已经相对于一个或多个实现方式示出并描述了本申请，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本申请包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本说明书的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。

即，以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

另外，对于特性相同或相似的结构元件，本申请可采用相同或者不相同的标号进行标识。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词是用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何一个实施例不一定被解释为比其它实施例更加优选或更加具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，本申请给出了以上描述。在以上描述中，为了解释的目的而列出了各个细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实施例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

Claims (10)

1.一种微机电系统振荡器，其特征在于，所述微机电系统振荡器包括控制电路、谐振器和振荡电路；所述振荡电路包括TIA振荡子电路；

所述TIA振荡子电路分别与所述谐振器和所述控制电路电性连接；

所述控制电路用于调节所述TIA振荡子电路的带宽，以使所述谐振器的目标频点之频率位于所述TIA振荡子电路之带宽的覆盖范围内；

所述TIA振荡子电路基于所述带宽来驱使所述谐振器以所述目标频点振动，并接收所述谐振器输出的振荡信号以获取频率信号。

2.根据权利要求1所述的微机电系统振荡器，其特征在于，所述控制电路用于为所述TIA振荡子电路提供多个供电电压，通过调节所述多个供电电压来调整所述TIA振荡子电路的带宽。

3.根据权利要求2所述的微机电系统振荡器，其特征在于，所述控制电路包括LDO模块；

所述LDO模块用于提供多个可调的供电电压。

4.根据权利要求3所述的微机电系统振荡器，其特征在于，所述控制电路还包括数字模块；

所述数字模块用于控制所述LDO模块的供电电压，以使所述LDO模块输出相应的供电电压。

5.根据权利要求2所述的微机电系统振荡器，其特征在于，所述TIA振荡子电路采用带通滤波器结构，所述带通滤波器结构包括低通滤波模块和高通滤波模块，所述低通滤波模块和所述高通滤波模块分别接入一供电电压。

6.根据权利要求5所述的微机电系统振荡器，其特征在于，所述TIA振荡子电路还包括放大模块；所述多个供电电压包括第一电压和第二电压；

所述低通滤波模块的输入端用于接入所述振荡信号，电压控制端用于接入所述第一电压，输出端连接所述高通滤波模块的输入端；所述高通滤波模块的电压控制端用于接入所述第二电压，输出端用于输出以驱使所述谐振器振动的驱动电压，并连接所述放大模块的输入端；所述放大模块的输出端用于输出所述频率信号。

7.根据权利要求1所述的微机电系统振荡器，其特征在于，所述目标频点为所述谐振器的主谐振点。

8.根据权利要求6所述的微机电系统振荡器，其特征在于，所述低通滤波模块对应上限频率，所述高通滤波模块对应下限频率，所述上限频率的大小与所述第一电压的大小正相关，所述下限频率的大小与所述第二电压的大小负相关。

9.根据权利要求6所述的微机电系统振荡器，其特征在于，所述低通滤波模块包括第一电阻和第一反相放大器；

所述第一反相放大器的输入端作为所述低通滤波模块的输入端，并连接所述第一电阻的第一端，所述第一反相放大器的输出端作为低通滤波模块的输出端，并连接所述第一电阻的第二端。

10.根据权利要求6所述的微机电系统振荡器，其特征在于，所述高通滤波模块包括第二电阻、第一电容、第二电容和第二反相放大器；

所述第一电容的第一端作为所述高通滤波模块的输入端，第二端分别连接所述第二反相放大器的输入端、所述第二电阻的第一端和所述第二电容的第一端；所述第二反相放大器的输出端作为所述高通滤波模块的输出端，并分别连接所述第二电阻的第二端和所述第二电容的第二端。