JP2015507737A - 多重チャンネル用低雑音増幅器 - Google Patents

多重チャンネル用低雑音増幅器 Download PDF

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Abstract

増幅器システムは、複数の異なるチャンネルからの複数の入力信号を増幅させるための増幅器と、増幅器からの増幅された入力信号を受信する増幅器にそれぞれが動作可能に結合された複数の復調器とを備える。各復調器は、複数の異なるチャンネルの単一チャンネルからの単一の増幅された入力チャンネル信号を復調するよう構成される。システムはまたこうして雑音を緩和するために復調器のそれぞれに結合された複数のフィルターも有する。【選択図】図3

Description

優先権
本出願は、参照によりその開示の全体が本明細書に援用されるHoward R.Samuelsを発明者とする、「LOW NOISE AMPLIFIER FOR MULTIPLE CHANNELS(多重チャンネル用低雑音増幅器)」と題する、2011年12月16日出願の米国特許仮出願番号第61/576,521号の優先権を主張する。
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその開示の全体が本明細書に援用されるSrinivasan Venkatramanを発明者とする、「SYSTEM AND METHOD OF REDUCING NOISE IN A MEMS DEVICE(MEMSデバイスにおける雑音を低減するシステムおよび方法)」と題する、2011年12月16日出願の米国特許出願番号第13/328,177号に関連する。
本発明は、一般に電子信号増幅に関し、より具体的には、低雑音増幅に関する。
マイクロ電気機械システム(MEMS)は、ますます多くの用途において使用されている。例えば、MEMSは、現在のところ、自動車の安定制御システムのためのジャイロスコープ、音響システムのマイク、および自動車のエアバッグを選択的に開ける加速度計として実装されている。簡略化して言うと、そのようなMEMSデバイスは、一般に基板の上の懸架構造と、その懸架構造の動きを検出することと、検出した動きのデータ(または位置データ)を1つまたは複数の外部デバイス(例えば、外部コンピューター)に配送することとの両方の機能を行なう関連電子機器とを含む。外部デバイスは、検出したデータを処理し、測定されている特性(例えば、ピッチ角、入射音響信号、または加速度)を算出する。
多くの用途において、懸架で可動の質量は固定電極を備える可変コンデンサを形成し得る。例えば、加速度計の質量の動きは、実際の加速度に応じてコンデンサが生成する可変コンデンサ信号で表す。多次元加速度計において、これは2つまたは3つの別々の容量信号をデカルト座標系に沿って、各次元に対して最大1つ生成することができる。
最新の加速度計は、時分割多重化技術を用いてそれらのマルチプル可変コンデンサ信号をMEMS出力に向けてフォワードする。しかしながら、時分割多重化は、エイリアシングノイズを生成し、不適切に信号対雑音比を低下させる。当業者は、この問題に対し、この多重化技術によって発生する雑音を解消するために十分な大きさの信号を生成するMEMSデバイスを使用することによって対応してきた。概してこれは大きなMEMSデバイスを必要とし、時にはより高価で、より多くのパワーを必要とし、より多くの設置面積を消費する。
MEMSデバイス以外のデバイスも同様の問題を抱え得る。従って、MEMSデバイスの議論は例示的なものである。
本発明の一実施形態によると、増幅器システムは、複数の異なるチャンネルからの複数の入力信号を増幅させるための増幅器と、増幅器からの増幅された入力信号を受信する増幅器にそれぞれが動作可能に結合された複数の復調器とを備える。各復調器は、複数の異なるチャンネルの単一チャンネルからの単一の増幅された入力チャンネル信号を復調するよう構成される。さらに、各復調器は、信号チャンネル以外のチャンネル(すなわち、他方の複数のチャンネル)の少なくとも1つに関連する雑音を生成する。例えば、復調中に、Xチャンネル復調器は、Xチャンネル、Yチャンネル、およびZチャンネルの増幅された信号を受信する。Xチャンネル復調器は、ベースバンドXチャンネル信号および、YチャンネルおよびZチャンネル用に受信した信号に関連する雑音を生成する。この雑音は、ベースバンドXチャンネル信号よりもより高い周波数である。システムはまたこうして雑音を緩和するために復調器のそれぞれに結合された複数のフィルターも有する。
復調器の雑音は、クロック周波雑音など(すなわち、クロックに関連する周波数での雑音であり、ベースバンドでのものではない)の高周波雑音を含み得る。従って、フィルターは、高周波雑音を緩和するカットオフを有するローパスフィルターを含むことができる。さらに、入力信号は、直角位相で実質的に同じ周波数を有するクロックを有することができる。同様の方法で、入力信号は、コインシデントエッジおよび2の倍数または0.5の倍数に関する周波数を有するクロックを有することができる。
他のタイプでは、増幅器は、積分器を有し得る。さらに、複数の信号は慣性信号を有することができる。
他の実施形態によると、システムは(1)第1のチャンネルにおいて第1の信号および第2のチャンネルにおいて第2の信号を生成するMEMSデバイスと、(2)第1および第2の信号を受信し、第1および第2の出力信号を生成する増幅器とを有する。第1および第2の出力信号は、異なるチャンネルにおけるものである。
例示的な実施形態において、増幅器は、入力信号(および増幅器の雑音)をサンプリングしないことによって増幅器のエイリアシングノイズを避ける。継続的に一方の極性または他方の極性における信号を読み続け、継続的に復調し続けることによって、変調周波数に変換された入力信号および変調周波数(しかし、その高調波ではない)に近い増幅器の雑音のみが復調器の出力に現れる。例示的な実施形態は、例えば直角位相において2つの入力信号(それらのクロック)の復調を可能にするが、増幅器の雑音の高調波を取り込むことはない。どちらの信号もサンプリングされない。各信号は他方の信号の復調器の出力でクロック周波数雑音として現れる。ローパスフィルターは、ゼロ平均クロック周波数雑音を取り除く。
同様に、第3の信号は、各信号が他方の復調器の出力でゼロ平均クロック周波数信号として現れるよう追加することができる。例えば、第3の信号のクロック周波数は、初めの2つの信号の周波数の半分とすることができる。この技術は3つの信号に制限されない。全ての他の復調器の出力で各チャンネルがゼロ平均信号として現れるようにクロック信号が考案される限り、さらに信号を追加することができる。
他の実施形態によると、信号処理の方法は、複数の異なるチャンネルを有する入力信号を増幅し、複数の異なるチャンネルを有する増幅された入力信号を生成するように増幅器をコントロールする。次に、この方法は、増幅された入力信号を復調し、少なくとも1つの復調された信号を各チャンネルに生成する。しかし、信号の復調は、それぞれの復調された信号が、少なくとも1つの他のチャンネルに関連する雑音を有する原因となる。この方法は、次いでそれぞれの復調された信号にフィルターをかけ、雑音を減少させ、ベースバンド信号を複数のチャンネルのそれぞれについて生成する。各ベースバンド信号はそれから少なくとも1つの出力ノードからフォワードされる。
当業者は、直下に要約された、図面を参照して以下で説明する「発明を実施するための形態」から本発明の様々な実施形態の利点をさらに詳細に理解されよう。
本発明の例示的な実施形態を実装し得るMEMSデバイス10を概略的に示す断面図である。 図1に示される加速度計チップを概略的に示す平面図である。 3軸に沿った加速度を検出し、それらの軸のそれぞれに沿った加速度を表す3つの信号を生成するシステムを概略的に示す回路図である。 図3のシステムにおいて使用するクロック信号を概略的に示す図である。
不適切にエイリアシングノイズを引き起こすサンプリングプロセスを用いるよりも、例示的な実施形態は、実質的に継続的に、歪みまたは雑音を最小限にする方法でデータの多重チャンネルを処理する。そのために、そのような実施形態は、連携して同時にデータのそれらの多重チャンネルを処理する増幅器およびフィルターを用いる。例示的な実施形態の詳細は以下に述べる。
図1は、本発明の例示的な実施形態を実装し得るMEMSデバイス10を概略的に示す断面図である。様々な実施形態はMEMSデバイスまたは加速度計に関して説明されるが、当業者は、そのような実施形態が、データの多重チャンネルを生成するその他のデバイスにも適用することを理解されよう。従って、MEMSデバイスおよび加速度計の説明は、様々な実施形態を明らかにするものであり、本発明の全ての実施形態を限定することを意図していない。
特に、図1のMEMSデバイス10は加速度計システムを実装し、これは、当業者にとって知られているように、加速度を検出する。例えば、加速度計は、自動車安全制御システムにおいて広く使用され、急速な負の加速度を引き起こす衝突の場合にはエアバッグを開く。具体的には、急速な負の加速度を示す加速度計信号を受信すると、潜在する安全システムは、実質的に直ちにそのエアバッグを開き、自動車の乗員を保護する。
そのために、加速度計は、加速度に応じて動く微細構造を有する加速度計チップ12を備える(図2を参照し、さらに詳細に説明される)。その動作をコントロールするために、この加速度計チップ12は、微細構造を備えるオンチップ、またはオフチップに電子回路を有する。例として、図1は、電気的に加速度計チップ12に通信する別の特定用途向け集積回路チップ(本明細書で「ASIC14」と称する)におけるこの回路を示す。
従来の半導体パッケージ16は、実質的に外部環境から分離された内部チャンバ18内に加速度計チップ12およびASIC14を収納する。図1に示す実施形態は、従来のワイヤボンド22を介して加速度計チップ12およびASIC14に電気的に通信する内部電子相互接続を備えるベース20を有する。ベース20の底面のパッド(図示せず)は、加速度計チップ12およびASIC14を下層のプリント回路基板などの外部システムコンポーネントに電気的に通信させる。
任意の多数の異なるパッケージ技術で十分であろう。例えば、特に、パッケージ16は、カバー/蓋を備えるセラミックキャビティパッケージと、カバーを有する基板パッケージまたはプレ成形もしくはポスト成形リードフレームパッケージを組み込み得る。
ベース20に固定された蓋24は、加速度計チップ12およびASIC14を保護し収容する内部チャンバ18を形成する。他の方法では、蓋24は、熱したガラスフリットまたは他の従来の接続プロセスを用いてベース20に固定することができる。いくつかの実施形態は、接地電位を蓋24に印加し、加速度計チップ12との干渉を阻止する。加速度計の動作をさらに保護し、向上させるために、内部チャンバ18は、真空下であってもよく、および/または加速度計微細構造にスクイーズフィルムダンプニングを提供する内部ガスを有することができる。
図2は、図1に示す加速度計チップ12を概略的に示す平面図である。簡略化して述べれば、当業者によって知られているように、加速度計は基板28上に複数のばね30によって懸架された可動質量26を有する。基板28は、パッケージ16のベース20のように、表面にしっかりと固定されるが、質量26は基板28および下層面に対して動くことができる。従って、実質的に一定の速度で動いている加速度計が突然停止した場合、可動質量26は、同方向に進み続ける。当業者にとって知られているように、この質量の動きはその加速度に関連する。ASIC14または他の回路は電気的にこの動きを検出し、それを加速度量を示すデータ信号に変換する。
図2に示す加速度計は、4つのばね30によって、その角のそれぞれで懸架された単一質量26を有する。代替実施形態は、複数の質量を有し得る。例示的な実施形態は、最適な質量コントロールのためにばね30を蛇状に形成する。この加速度計は3つの直交軸、すなわちX軸、Y軸、およびZ軸に沿った加速度を検出することが可能である。そのために、質量26は、そのそれぞれの側面から延びる複数のフィンガー32Aを有する。これらのフィンガー32Aのそれぞれは、基板28に固定された1対の固定フィンガー32Bと共に、差動、可変コンデンサ(一般に、参照番号「34」で示される)を形成する。最初にX軸およびY軸に沿った加速度を「拾い上げる」のは、これらの可変コンデンサ34である。換言すれば、各質量フィンガー32Aは、可変コンデンサ34の第1のプレートを形成する一方、質量フィンガー32Bは、同一の可変コンデンサ34内に固定プレートを形成する。1次元の加速度を測定する可変コンデンサ34の全ては、こうして効果的に単一可変コンデンサ34を形成する。この方法で構成されたフィンガー32Aおよび32Bは、しばしば「相互嵌合」と称される。
また基板28は、質量26の直下に単一固定電極を有し、Z軸(すなわち、XおよびY軸に直交、または換言すると、可動質量26の表面に直交)に沿った加速度を測定する第3の可変コンデンサ34Z(質量26と共に)を形成する。この第3の可変コンデンサ34Zを、図2の断面図において概略的に示す。これらの3つのコンデンサ34および34Zの出力信号は3つの異なるチャンネルとみなされる。
3次元における加速度を検出するので、MEMSシステム10は当技術分野において3軸加速度計として知られている。しかしながら、様々の実施形態は、2次元加速度計などの、3次元より少ない加速度を検出する加速度計にも適用される。
動作中、ASIC14上の回路は、コンデンサ34に電圧印加する。例えば、コンデンサ34のプレートは、停止時にネット電圧がゼロであり得る。質量26の動きはこうして電圧を変化させ、加速度を示す信号(例えば、非ゼロ電圧)を生成する。全ての3つのコンデンサ34からの信号を単一ラインに送信するために、本発明者が知っている先行技術設計は、時分割多重化信号(「TDM信号」)をこれらのコンデンサ34のそれぞれに適用し、それらが加速を待ち受け、検出するようにする。TDM信号を使用する際の1つの問題は、上記で提示したように、それらは効果的に信号をサンプリングし、送信ラインにおいてエイリアシングノイズを生成することである。不適切にも、このエイリアシングノイズは、信号対雑音比を低下させる。従って、この雑音ペナルティを解消するために、より大きいMEMSデバイスが必要とされる。しかし、より大きいMEMSデバイスは、より費用がかかり、時には望ましくない。
この問題を解消するために、本発明者は、実質的に一定の作動信号の可変コンデンサ34への適用、および実質的に継続的な処理(以下で説明する復調器による)がこの雑音を低減し、より小さな加速度計の使用を可能にするということを見出した。
そのために、図3は、3軸に沿った加速度を検出し、それらの軸のそれぞれに沿った加速度を表す3つの信号を生成するシステムの回路図を概略的に示す。従って、システムはX軸に沿った加速度を表すX加速度信号、Y軸に沿った加速度を表すY加速度信号、およびZ軸に沿った加速度を表すZ加速度信号を生成する。この図の回路はASIC14、加速度計10として同一のチップ上、またはチップ12および14の両方にわたって実装することができる。本明細書で述べるように、加速度計のこの特定の例の説明は、例示的なものであり、ジャイロスコープ、異なるタイプの加速度計、またはその他のデバイスなどの他のデバイスに適用することができる。
このシステムは、それらの加速度信号を検出し、3つのチャンネルのそれぞれに出力信号を生成する上記の3つの可変コンデンサ34X、34Y、および34Zを備えるMEMS加速度計12を有する。増幅器52は、コンピュータまたはマイクロプロセッサなどの他のデバイスによる究極的な使用のためにデータのそれらの3つのチャンネルを受信し処理する。従って、増幅器52は、加速度計10の可動質量26に結合された入力を備える増幅器54と、信号を復調し、各チャンネルのベースバンド信号に変換する復調器グループ56とを有する。
より詳細には、増幅器54は演算増幅器(「op−amp」)を備えることが好ましい。そのために、図3は、増幅器54などの一実装の種々のコンデンサ、コンデンサ値、およびスイッチを概略的に示す。言うまでもなく、この増幅器配置のこの特定の値および構成は、多くの潜在的な配置のほんの1つであり、基本的に一実施形態の一例として示す。いくつかの実施形態において、増幅器54は、ロックインアンプを有する。しかし、種々の他の実施形態において、増幅器54は、他の種類の増幅器である。
可動質量26は、op−ampの負の入力「In」に接続されるが、「Vmid」はコモンモードリファレンスである。従って、op−ampは実質的に継続的に、op−ampの負の入力Inである同一の入力を介してX、Y、およびZチャンネルの信号を受信する。効果的にこれらの信号を識別するために、3つのチャンネルは、図4に示されるタイミング/クロック信号によってそれらのそれぞれの信号を生成する。以下で復調器グループ56に関して説明するように、実際に、それらのタイミング信号はシステム全体で使用される。
例示的な実施形態において、タイミング信号は同一の周波数を有し、互いに直角位相(すなわち、信号は互いに90度位相がずれている)である。図4は、そのような信号を示し、ここで信号XP1およびYP1は互いに直角位相であり、信号ZP1はXおよびYチャンネルの周波数の2倍である。他のまたは関連する実施形態において、タイミング信号は、単にコインシデントエッジを有するが、これもまた図4に示す。さらに、同一の周波数とするよりも、タイミング信号は、1つまたは複数の他のタイミング信号の周波数の2倍の倍数とすることができる。
具体的に、信号の周波数は以下の数式に従うことができる。
ここでNは、正または負の整数であり、Aは複数のタイミング信号の1つの周波数である。
例えば、XチャンネルはFの周波数を有することができ、YチャンネルはF2の周波数を有することができ、Zチャンネルは、F4の周波数を有することができる。他の例として、XチャンネルはFの周波数を有することができ、YチャンネルはF/2の周波数を有することができ、Zチャンネルは、F/4の周波数を有することができる。
「op」および「on」のような差動出力として設定されたop−ampの出力は、復調器グループ56の入力(複数可)に結合されるが、これもまた差動入力(複数可)「op」「on」として設定される。他の実施形態において、入力および出力はシングルエンド入力および出力でもよい。
復調器グループ56は、サンプリングなしで、並列の3つのチャンネルを復調する全波復調器のグループを備えることが好ましい。そのために、復調器グループ56は3つの主要な復調器を有するが、これらはXチャンネル復調器56X、Yチャンネル復調器56Y、およびZチャンネル復調器56Zである。各復調器56は、(1)データの全ての3つのチャンネルを含むop−ampの出力を受信するため(2)その設定されたチャンネルを復調するための切り替え配置を備える。従って、各復調器は、図4に示すように、その特定のチャンネルのタイミングチャンネルによって、その対応するチャンネルを適切に復調する。
各復調器56は、こうして、その各信号を下流のコンポーネントにフォワードする対応する出力を有する。図3は、それらの出力を差動出力XopとXon、YopとYon、およびZopとZonとして設定する。しかし、不適切にも、復調器グループ56は、その出力のそれぞれに一定量の雑音を生じさせる。具体的に、いくつかの実施形態において、復調プロセスは各チャンネルの信号が他方の信号の復調器の出力でクロック周波数雑音として現れるようにしてしまう。例えば、復調中に、Xチャンネル復調器56はXチャンネル、Yチャンネル、およびZチャンネルの増幅された信号を受信する。Xチャンネル復調器56は、ベースバンドXチャンネル信号を生成することが望ましいが、不適切にも、それはYチャンネルおよびZチャンネルの受信された信号に関連する雑音も生成する。この雑音はベースバンドXチャンネル信号よりも高い周波数を有する。
従って、システムはその雑音を緩和するために複数のフィルター58も有し、ゼロ平均クロック周波数雑音を取り除いて、より高い信号対雑音比を有する信号を生成する。これらのフィルター58は、増幅器52の一部としてみなされても、またはみなされなくてもよい。
より具体的には、復調器グループ56は、低周波数が望まれる出力信号よりも高い雑音を生成する。フィルター58は、それぞれが実質的に高周波信号を緩和するローパスフィルターであるので、その結果、最初に3つのデータチャンネルの信号を通過させる。換言すれば、各フィルター58は、他のチャンネルの高周波雑音を緩和するために選択されるカットオフを有する。図3は、出力Xを備えるXチャンネルフィルター、出力Yを備えるYチャンネルフィルター、および出力Zを備えるZチャンネルフィルターとして各フィルターを概略的に示す。
上記の説明は、本発明の種々の例示的な実施形態を開示するが、当業者は本発明の真の範囲から逸脱することなく本発明の利点のいくつかを実現する種々の変更を行うことが可能である。例えば、述べたように、種々の実施形態は、3つのチャンネルに限定されない。いくつかの実施形態は、MEMS加速度計に関連する、または関連しない用途において、データの2つのチャンネル、またはデータの3つ以上のチャンネルに適用される。さらに、MEMSデバイス、または加速度計の説明は種々の実施形態を限定することを意図しない。

Claims (21)

  1. 複数の異なるチャンネルからの複数の入力信号を増幅させるための増幅器と、
    前記増幅器からの前記複数のチャンネルの増幅された入力信号を受信するための前記増幅器に動作可能に結合された複数の復調器であって、各復調器は前記複数の異なるチャンネルの単一チャンネルからの単一の増幅された入力チャンネル信号を復調するよう構成され、それぞれが前記単一チャンネル以外の前記チャンネルの少なくとも1つに関連する雑音を生成する複数の復調器と、
    前記復調器に結合された複数のフィルターであって、前記雑音を緩和する複数のフィルターとを備える増幅器システム。
  2. 前記雑音は、クロック周波数雑音を有する請求項1に記載の増幅器システム。
  3. 前記雑音は、高周波雑音を有し、前記フィルターは、前記高周波雑音を緩和するカットオフを備えるローパスフィルターを備える請求項1に記載の増幅器システム。
  4. 前記入力信号は、直角位相であるクロックを有する請求項1に記載の増幅器システム。
  5. 前記入力信号は、実質的に同一の周波数を有するクロックを有する請求項4に記載の増幅器システム。
  6. 前記入力信号は、コインシデントエッジおよび2の倍数または0.5の倍数に関する周波数を有するクロックを有する請求項1に記載の増幅器システム。
  7. 各復調器は、他の復調器によって復調された信号以外のチャンネルの信号を復調する請求項1に記載の増幅器システム。
  8. 前記複数の信号は、MEMSデバイスから生成された慣性信号を含む請求項1に記載の増幅器システム。
  9. 第1のチャンネルにおいて第1の信号、および第2のチャンネルにおいて第2の信号を生成するMEMSデバイスと、
    前記第1および前記第2の信号を受信し、異なるチャンネルに第1および第2の出力信号を生成する増幅器とを備えるシステム。
  10. 前記第1のチャンネルは、第1の軸に関連し、前記第2のチャンネルは第2の軸に関連する請求項9に記載のシステム。
  11. 前記第1および前記第2の信号は直角位相のクロックを有する請求項9に記載のシステム。
  12. 前記第1および前記第2の信号の前記クロックは異なる周波数を有する請求項11に記載のシステム。
  13. 前記第1および前記第2の信号の前記クロックは同一の周波数を有する請求項11に記載のシステム。
  14. 前記増幅器は、複数の異なるチャンネルを有し、さらに前記システムは前記増幅器の異なるチャンネルをそれぞれフィルタリングする複数のフィルターを備える請求項9に記載のシステム。
  15. 複数の異なるチャンネルを有する入力信号を増幅し、前記複数の異なるチャンネルを有する増幅された入力信号を生成するステップと、
    前記増幅された入力信号を復調し、少なくとも1つの復調された信号を各チャンネルに生成し、それぞれの復調された信号が少なくとも1つの他のチャンネルと関連する雑音を有するように復調するステップと、
    それぞれの復調された信号をフィルタリングし、前記雑音を緩和してベースバンド信号を前記複数のチャンネルのそれぞれに生成するステップと、
    を備える増幅器をコントロールするステップと、
    少なくとも1つの出力ノードからの各ベースバンド信号をフォワードするステップとを備える信号を処理する方法
  16. 前記入力信号において各チャンネルは関連するクロックを有し、各チャンネルの前記クロックの全ては、コインシデントエッジおよび2の倍数または0.5の倍数に関連する周波数を有する請求項15に記載の方法。
  17. 前記雑音は、高周波雑音を有し、フィルタリングするステップは、カットオフを用い前記高周波雑音を緩和するローパスフィルタリングステップを有する請求項15に記載の方法。
  18. 前記入力信号において各チャンネルは、関連するクロックを有し、前記入力クロックは直角位相である請求項15に記載の方法。
  19. さらに、MEMSデバイスから前記入力信号を受信するステップを有し、前記複数の異なるチャンネルはデカルト座標系において少なくとも2つの直交する軸に関連する請求項15に記載の方法。
  20. 前記増幅器は、前記入力信号を増幅させるための増幅器と、前記増幅された入力信号を復調するための複数の復調器と、前記復調された信号をフィルタリングするための複数のフィルターとを備え、各チャンネルは少なくとも1つの復調器および少なくとも1つのフィルターをその独占的な使用のために有する請求項15に記載の方法。
  21. 増幅するステップと、復調するステップと、フィルタリングするステップは、サンプリングすることなく継続的に実行される請求項15に記載の方法。
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