CN206602509U - 一种低功耗低噪声mems加速度计接口电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种低功耗低噪声MEMS加速度计接口电路，所述接口电路包括：电荷转换器电路、PI控制器电路、差分驱动电路，MEMS加速度计的检测正极SP和检测负极SN分别输入相位相反的脉冲电压，MEMS加速度计的驱动正极和驱动负极分别接差分驱动电路的两个输出端，MEMS加速度计中间电极MASS接电荷转换器电路的输入端；电荷转换器电路的输出端接PI控制器电路的输入端；PI控制器电路的输入为单端输入，输出为差分输出，PC控制器电路的输出接差分驱动电路的输入端，实现了全部控制系统的单片集成，无需外部分立器件，结构更简单，功耗、噪声更低的技术效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及MEMS加速度计领域，具体地，涉及一种低功耗低噪声MEMS加速度计接口电路。
背景技术
MEMS加速度计主要用于测量运动物体相对于惯性空间的加速度，由于其体积小、功耗低、易集成、可批量生产等特点，使其在汽车工程、振动检测、航空导航和军事应用等场合中发挥着越来越重要的作用。
MEMS加速度计根据其工作原理可以分为开环加速度计和闭环加速度计。开环加速度计通过测量质量块位移变化导致的电容变化来测量加速度，精度较低、线性度差。闭环加速度计也称为力平衡加速度计，其工作原理是：当惯性力作用在质量块上时，闭环系统检测质量块位移，并产生与惯性力大小相等、方向相反的静电力，抵消惯性力，使质量块始终处于平衡位置。闭环加速度计因其工作原理，线性度高、噪声低，非常适合于地震监测、倾角测量等高精度测量。
目前比较常用的闭环加速度计接口电路包括：全模拟的PID闭环控制方式和数模混合的Delta-sigma闭环控制方式；相对Delta-sigma闭环控制方式，PID闭环结构简单、功耗低、技术成熟可靠；由于高精度闭环MEMS加速度计谐振频率很低，一般在一两千赫兹左右，传统的PID闭环加速度计中，积分或者微分电路中所需电容很大，无法在ASIC内集成，通常需要采用分立器件，不利于小型化和系统集成。
实用新型内容
本实用新型提供了一种低功耗低噪声MEMS加速度计接口电路，解决了传统的PID闭环加速度计中，无法在ASIC内集成，不利于小型化和系统集成的技术问题，实现了全部控制系统的单片集成，无需外部分立器件，结构更简单，功耗、噪声更低的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种低功耗低噪声MEMS加速度计接口电路，整个系统包括：MEMS加速度计1、电荷转换器电路2、PI控制器电路3和差分驱动电路4。
MEMS加速度计1的检测正极SP和检测负极SN分别输入相位相反的脉冲电压，MEMS加速度计1的驱动正极和驱动负极分别接差分驱动运放4的两个输出端，MEMS加速度中间电极MASS接电荷转换器电路2输入端；电荷转换器电路2输出端接PI控制器电路3输入端；PI控制器电路3输入为单端输入，输出为差分输出，PC控制器电路3输出接差分驱动电路4的输入端。
其中，电荷转换器电路2为本实用新型核心电路之一。电荷转换器电路2的输入端VI_CSA接电阻R1的正端和电容C1的正端；电阻R1的负端接模拟参考电压REF1；电容C1的负端与NMOS管MN1的栅极和电容C2的正端相连；MN1的源极接到模拟地，漏极接电流源Is1负端；电流源Is1正端与电源相连；电流源Is1负端和C2的负端、MN1的漏极一起接到电路转换器输出端VO_CSA。
其中，PI控制器电路3为本实用新型核心电路之一。PI控制器电路的输入端VI_PI接到电容C3的正端；C3的负端分别和开关PH1、PH2和PH3的输入端相连；开关PH1的输出端与电阻R2的正端相接，与运放OP1的负输入端相接；开关PH2的输出端与电阻R3的正端相接，与运放OP2的负输入端相接；开关PH3的输出端和运放OP1、OP2的正输入端一起接到共模地；R2的正端与电容C4的正端相连；C4的负端与运放OP1的输出端相连，并接到PI控制器电路3的输出正极；R3的正端与电容C5的正端相连；C5的负端与运放OP1的输出端相连，并接到PI控制器电路3的输出负极。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本实用新型提出了一种新颖的PI闭环控制加速度计接口电路，该接口电路实现了全部控制系统的单片集成，无需外部分立器件，该接口电路采用先进的开关电容技术实现PI控制器，使积分电容大小降低到可集成的范围，该接口电路采用新颖的、低噪声的、结构简单的电荷转换器，使闭环系统功耗更低、性能更优，相比传统PID闭环控制电路，整个系统结构更简单，功耗、噪声更低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定；
图1是本申请中MEMS加速度计接口电路的结构示意图；
图2是本申请中电荷转换器电路示意图；
图3是本申请中PI控制器电路示意图；
图4是本申请中电荷转换器电路工作实例示意图；
图5是本申请中PI控制器时序示意图；
图6是本申请中闭环系统的瞬态响应示意图。
具体实施方式
本实用新型提供了一种低功耗低噪声MEMS加速度计接口电路，解决了传统的PID闭环加速度计中，无法在ASIC内集成，不利于小型化和系统集成的技术问题，实现了全部控制系统的单片集成，无需外部分立器件，结构更简单，功耗、噪声更低的技术效果。
为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
请参考图1-图6，本申请提供的系统包括：5电极MEMS加速度计1、电荷转换器电路2、PI控制器电路3和差分驱动电路4。
MEMS加速度计1的检测正极SP和检测负极SN分别输入相位相反的脉冲电压，MEMS加速度计1的驱动正极和驱动负极分别接差分驱动运放4的两个输出端，MEMS加速度中间电极MASS接电荷转换器电路2输入端；电荷转换器电路2输出端接PI控制器电路3输入端；PI控制器电路3输入为单端输入，输出为差分输出，PC控制器电路3输出接差分驱动电路4的输入端。
如图2所示为电荷转换器电路2电路图。电荷转换器电路2的输入端VI_CSA接电阻R1的正端和电容C1的正端；电阻R1的负端接模拟参考电压REF1；电容C1的负端与NMOS管MN1的栅极和电容C2的正端相连；MN1的源极接到模拟地，漏极接电流源Is1负端；电流源Is1正端与电源相连；电流源Is1负端和C2的负端、MN1的漏极一起接到电路转换器输出端VO_CSA。
电荷转换器与实际加速度计相连，一起工作时的实例如图4所示。电流源Is1和NMOS管MN1组成简单的单极放大器。该单极放大器与传统的运放相比，结构简单，功耗极小，同时因为器件个数的减少，噪声也随之降低。该结构中，主要的器件噪声为MN1的热噪声。通过适当增加Is1电流和MN1的宽长比，可以有效降低噪声，即使如此，依然可以保证比传统运放更小的功耗。
电容C1将MEMS加速度计中间电极和MN1栅极隔开。MEMS加速度计中间电极没有直接接MN1栅极的原因是，MN1的栅极电压会随着温度变化发生较大的漂移。用C1隔开MEMS加速度计中间电极和MN1栅极的好处还在于：可以通过一个大电阻R1给MEMS加速度计中间电极提供稳定干净的偏置电压REF1，优选地偏置电压REF1接模拟地。
MEMS加速度计的两个检测电极分别输入相位相反的脉冲电压Vs+和Vs-。C1可以将检测电极耦合到中间极板的交流脉冲信号耦合到MN1栅极，也即耦合到MN1和Is1组成的单极放大器输入端。因此，电荷转换器电路输出电压为与Vs+和Vs-成比例的脉冲信号。
假设MN1和Is1组成的单极放大器增益无穷大，则可以推出电荷转换器电路的输出为：
其中，Cs+和Cs-分别为正、负极检测电容，VO_CSA为电荷转换器输出电压。
令ΔCs＝Cs+-Cs-，因为Vs+＝-Vs-，式1.1可变为：
为了增强电荷转换器电路的灵敏度和信噪比，实际电路设计时，尽可能使C1＞＞Cs+，使式1.2简化为：
如图3所示，为PI控制器电路3电路图。PI控制器电路的输入端VI_PI接到电容C3的正端；C3的负端分别和开关PH1、PH2和PH3的输入端相连；开关PH1的输出端与电阻R2的正端相接，与运放OP1的负输入端相接；开关PH2的输出端与电阻R3的正端相接，与运放OP2的负输入端相接；开关PH3的输出端和运放OP1、OP2的正输入端一起接到共模地；R2的正端与电容C4的正端相连；C4的负端与运放OP1的输出端相连，并接到PI控制器电路3的输出正极；R3的正端与电容C5的正端相连；C5的负端与运放OP1的输出端相连，并接到PI控制器电路3的输出负极。
PI控制电路中，电容C3和开关PH1、PH2、PH3组成开关电容电路，不断向积分电容C4和C5转移电荷。
如图5所示，为电路工作的时序图。PH1、PH2和PH3互不交叠。当脉冲信号Vs+和Vs-电平稳定时，开关PH3打开，使C3负端电压为零。PH3关闭后，开关PH1或PH2打开，使C3的负端和运放OP1或OP2的负输入端接通。然后，Vs+和Vs-电平发生翻转，电荷转换器输出电压也随之发生翻转，并通过C3将电荷转移至积分电容C4或C5上，转移的电荷量Q为：
其中，|VO_CSA|表示电荷转换器输出脉冲信号的幅度，Vs表示Vs+和Vs-的幅度。
C3和开关组成的开关电容电路的等效电阻REQ为：
其中，fs为开关频率。
令C4＝C5＝Ci，R2＝R3＝Rp，PI控制器的传输函数HPI(s)为：
因为高精度MEMS加速度计谐振频率很低，一般在一两千赫兹左右，因此要求积分器单位增益带宽很低，才能满足稳定性要求。传统的PI电路一般通过增大积分电容降低积分器单位增益带宽。但是这样带来的问题是积分电容过大而无法实现片内集成。
本实用新型所示的PI控制器电路中，可以很容易地把REQ增大至10M欧姆级别，比如，当C3＝0.8pf，开关频率200KHz时，REQ即可达到约10M欧姆。因此无需非常大的积分电容，便可将积分器单位增益带宽降低，从而可以将积分电容C4和C5集成在片内。
作为示例，本实用新型接口电路与一谐振频率为1.5KHz的MEMS加速度计实现闭环系统。PI控制器电路参数为：C3＝0.8pF，C4＝C5＝250pF，R2＝R3＝50KΩ，完全可以在片内集成。如图6所示，为闭环系统瞬态响应。加速度为2g时，差分输出电压约为1.6V，瞬态响应建立时间约为2.5mS。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本实用新型提出了一种新颖的PI闭环控制加速度计接口电路，该接口电路实现了全部控制系统的单片集成，无需外部分立器件，该接口电路采用先进的开关电容技术实现PI控制器，使积分电容大小降低到可集成的范围，该接口电路采用新颖的、低噪声的、结构简单的电荷转换器，使闭环系统功耗更低、性能更优，相比传统PID闭环控制电路，整个系统结构更简单，功耗、噪声更低。
尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种低功耗低噪声MEMS加速度计接口电路，其特征在于，所述接口电路包括：
电荷转换器电路、PI控制器电路、差分驱动电路，MEMS加速度计的检测正极SP和检测负极SN分别输入相位相反的脉冲电压，MEMS加速度计的驱动正极和驱动负极分别接差分驱动电路的两个输出端，MEMS加速度计中间电极MASS接电荷转换器电路的输入端；电荷转换器电路的输出端接PI控制器电路的输入端；PI控制器电路的输入为单端输入，输出为差分输出，PC控制器电路的输出接差分驱动电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的低功耗低噪声MEMS加速度计接口电路，其特征在于，所述电荷转换器电路包括：电阻R1,电容C1、C2,NMOS管MN1和偏置电流源Is，电荷转换器电路的输入端VI_CSA接电阻R1的正端和电容C1的正端；电阻R1的负端接模拟参考电压REF1；电容C1的负端与NMOS管MN1的栅极和电容C2的正端相连；MN1的源极接到模拟地，漏极接电流源Is1负端；电流源Is1正端与电源相连；电流源Is1负端和C2的负端、MN1的漏极一起接到电路转换器输出端VO_CSA。
3.根据权利要求1所述的低功耗低噪声MEMS加速度计接口电路，其特征在于，所述PI控制器电路包括：电容C3、C4、C5，电阻R2、R3，开关PH1、PH2、PH3和单端运算放大器OP1、OP2，PI控制器电路的输入端VI_PI接到电容C3的正端；C3的负端分别和开关PH1、PH2和PH3的输入端相连；开关PH1的输出端与电阻R2的正端相接，与运放OP1的负输入端相接；开关PH2的输出端与电阻R3的正端相接，与运放OP2的负输入端相接；开关PH3的输出端和运放OP1、OP2的正输入端一起接到共模地；R2的正端与电容C4的正端相连；C4的负端与运放OP1的输出端相连，并接到PI控制器电路3的输出正极；R3的正端与电容C5的正端相连；C5的负端与运放OP1的输出端相连，并接到PI控制器电路3的输出负极。
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