WO2010003605A1 - Micro-electromechanical oscillator - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a microelectromechanical oscillator having a vibration exciter, which has at least one actuator and a drive device for it, wherein the actuator is in drive connection with a mass to be vibrated, with a measuring device for detecting a dependent on the vibration of the mass measurement signal, wherein the measuring device is connected to the control device in an oscillator control loop, that the mass is excited to vibrate at a resonant frequency, wherein the measuring device comprises at least one microelectromechanical capacitive sensor having electrodes which in dependence on the deflection of the mass toward and away from each other are movable.
- the oscillator is part of a gyroscope, which has a movably mounted mass which can be deflected from a rest position against a spring force of a first spring in the direction of a first axis and at right angles thereto against a spring force of a second spring in the direction of a second axis
- the movement of the mass in the direction of the first axis is measured by means of a primary capacitive sensor
- the sensor is designed as a differential sensor with a noninverting first measuring signal output and an inverting second measuring signal output.
- the measuring signal of the sensor is amplified by means of an operational amplifier. It has a noninverting amplifier input, an inverting amplifier input, a noninverting amplifier output and an inverting amplifier output.
- the non-inverting amplifier output is connected to the inverting amplifier input via a first ohmic feedback resistor.
- the inverting amplifier output is connected to the non-inverting resistor via a second resistive feedback resistor. connecting amplifier input.
- Rotation of the mass about an axis of rotation perpendicular to the first axis and the second axis produces a Coriolis force which causes secondary oscillation of the mass in the direction of the second axis.
- the corresponding deflection is measured by means of a secondary capacitive sensor whose measuring signal is amplified by means of a measuring amplifier.
- the oscillator has the disadvantage that, due to the phase response of its control circuit, it can also be excited to oscillate with a spurious oscillation whose frequency is higher than the resonant fundamental frequency. In the case of the spurious vibration, however, the measuring device has a lower sensitivity than at the fundamental resonance frequency. It is also unfavorable that the oscillator still has a relatively large phase noise, which causes a Ditter the oscillator oscillation. In addition, the power consumption is still relatively high.
- the object to provide an oscillator of the type mentioned, in which the risk that the oscillator oscillates at a natural resonant frequency which is higher than the resonant fundamental frequency, avoided or at least reduced.
- the oscillator should allow low power consumption and low phase noise.
- the measuring device in the oscillator control loop has a position sensor interface, which is connected to at least one input terminal to the sensor and at least one output terminal to the drive means, and that in the oscillator control loop, a phase shifter is provided ,
- a position sensor interface is understood to be a circuit which provides a signal corresponding to the position of the oscillating mass.
- the phase shift of the phase shifter is chosen such that a resonant circuit is formed and is preferably about 90 °.
- the position sensor interface is preferably designed as a charge integrator and in particular as a time-continuous charge integrator, which allows a low noise in the oscillator control loop and thus a correspondingly lower current consumption of the oscillator.
- the oscillator is therefore particularly well suited for battery or battery operation.
- the microelectromechanical oscillator according to the invention can also be used as a reference oscillator or clock.
- This oscillator according to the invention has the advantage over a conventional quartz oscillator that it can easily be integrated into a semiconductor chip together with other electronic circuit components by means of a standard semiconductor process. This can significantly reduce the cost of providing the reference oscillator and thus the total cost of an electronic circuit.
- the microelectromechanical oscillator according to the invention has the advantage that it consumes much less power than a corresponding quartz oscillator.
- an actuator for adjusting the loop gain of the oscillator control loop is preferably arranged in the oscillator control loop between the position sensor interface and the phase shifter, wherein the actuator is in control connection with an amplitude controller for the oscillator control loop.
- the loop gain of the oscillator control loop is set to be approximately equal to 1 at the resonant frequency of the oscillator and to be less than 1 at frequencies well above the resonant fundamental frequency, so that Oscillator can oscillate only at the resonance frequenzrundfrequenz. It is advantageous if the phase shifter is designed as an integration amplifier. This results in a low noise in the oscillator control loop.
- the actuator for adjusting the loop gain of the oscillator control loop between the output terminal of the position sensor interface and an input of the phase shifter is arranged. This results in a simple structure of existing from the control device and the measuring device electrical circuit.
- the adjusting element for adjusting the loop gain comprises a multiplier which is connected to the output terminal of the position sensor interface with a first multiplier input, to a second multiplier input to a regulator output of an amplitude regulator and to a multiplier output to the input of the phase shifter is, wherein the amplitude controller has a connected to the output terminal of the position sensor Interfdces controller input.
- the loop gain in the oscillator loop is then automatically set to the value 1 at the resonant fundamental frequency such that the oscillator oscillates at the resonant fundamental frequency and that the control loop attenuates higher order frequencies.
- the multiplier has a voltage-controlled current source; in particular, a silver cell.
- the multiplier can then be inexpensively integrated into a semiconductor chip.
- the amplitude controller preferably has a rectifier, which is connected with a rectifier input to the output terminal of the position sensor Interfdces and with a rectifier output with a loop filter and subsequently to the second multiplier input. Also by this measure, an automatic adjustment of the loop gain in the oscillator control loop is made possible in a simple manner.
- an adder and / or subtractor is arranged with the a first input directly or indirectly connected to the rectifier output, to a second input to a reference value transmitter and to an output directly or indirectly connected to the second multiplier input.
- the reference value for the loop gain can then be specified with the aid of the reference value transmitter. If the amplitude is greater than the setpoint, the loop gain in the oscillator loop is automatically reduced, and if the amplitude is greater than the setpoint, the loop gain in the oscillator loop is automatically increased.
- the position sensor interface comprises an operational amplifier having at least the input terminal forming amplifier input and at least one output terminal forming the amplifier output, which is fed back via at least one integration capacitor to the input terminal, and if the at least one input terminal via a high-resistance electrical resistance with connected to a terminal for an electrical common-mode reference potential.
- the integration capacitor can be used without interruption for the measurement.
- the measuring device also allows a defined DC voltage level at the output of the operational amplifier. Furthermore, the measuring device is insensitive to a furnace voltage of the sensor.
- the high-resistance electrical resistance is formed by a FET, in particular a MOSFET, which connects with its source-drain path the input terminal to the terminal for the common-mode reference potential and is applied with its gate to a control voltage.
- the high-impedance resistor can thereby cost-effective and space-saving together with the Operational amplifier and optionally further electrical circuit components are integrated into a semiconductor chip.
- control voltage is less than the threshold voltage of the MOSFET. This allows a very high resistance electrical resistance.
- the measuring device for generating the control voltage has a voltage source whose source output is connected to the gate of the MOSFET, the voltage source having a control input which is in control connection with the common-mode reference potential terminal in the event of a change of the common mode reference potential, the electrical resistance of the source-drain path of the MOSFET remains substantially constant.
- the common mode reference potential can then be easily adjusted without changing the value of the high resistance electrical resistance.
- the capacitive sensor is a differential sensor having a noninverting first measuring signal output and an inverting second measuring signal output and the operational amplifier as a differential operational amplifier having a non-inverting first input terminal, an inverting second input terminal, a non-inverting first output terminal and an inverting second output terminal.
- the first measurement signal output is connected to the first input terminal and the second measurement signal output is connected to the second input terminal, wherein the first output terminal is fed back via a first integral capacitor to the second input terminal and the second output terminal via a second integration capacitor to the first input terminal.
- the measuring device is thus designed as a differential measuring device and thereby enables a greater measuring sensitivity.
- the operational amplifier in addition to the first input terminal, has a first non-inverting help input and a second inverting help input in addition to the second input terminal, the second output terminal being connected to a non-inverting first lowpass input of a lowpass and the first output terminal being connected to an inverting second lowpass input of the lowpass filter, and wherein a non-inverting first low-pass output is connected to the first auxiliary input and an inverting second low-pass output of the low-pass is connected to the second auxiliary input.
- the operating point of the operational amplifier is set with a low-pass filtered signal, so that the auxiliary inputs associated circuit parts of the operational amplifier can be designed low frequency.
- the operational amplifier may have, in addition to the first input terminal, a first non-inverting auxiliary input and a second inverting help input in addition to the second input terminal, the second output terminal having an inverting first low-pass input of a low-pass filter and the first output connector having a non-inverting second low-pass input the low-pass filter is connected, and wherein an inverting first low-bass output is connected to the first auxiliary input and a non-inverting second low-pass output of the low-pass filter is connected to the second auxiliary input.
- the operating point of the operational amplifier is adjusted with a low-pass filtered signal.
- the second output terminal is connected via a first resistor element to the first low-pass input and the first output terminal via a second resistor element to the second Wegbasseingang, and if the first Wegbasseingang is connected via a third resistor element to the second Tiefpasseingang.
- the resistor network thus formed allows a measuring device whose output signal has a high amplitude.
- the low-pass filter has at least one voltage-controlled current source whose output is connected to an integral input of a Miller integrator. The low pass can thus be better integrated into a semiconductor chip. A complex and expensive external capacitor can be saved.
- the first low-pass input is connected to an input of a first transconductor and the second low-pass input to an input of a second transconductor
- the first low-pass output is connected to an output of the first transconductor and the second low-pass output to an output of the second transconductor
- the output of the second transconductor is connected via a first counter coupling branch to a first negative input terminal of the first transconductor and the output of the first transconductor via a second negative feedback branch to a second negative terminal terminal of the second transconductor.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a gyroscope which has a microelectrical oscillator and a measuring device for measuring a deflection of a mass caused by a Coriolis force
- FIG. 3 shows a circuit diagram of a measuring device for measuring a primary oscillation of the mass of the oscillator
- FIG. 4 shows a circuit diagram of an amplifier circuit for a charge integrator, the amplifier circuit having an operational amplifier whose output is fed back via a low-pass filter to the amplifier input of the operational amplifier
- FIG. 5 shows a circuit diagram of a transconductance amplifier (Gm cell) of the low-pass filter
- FIG. 6 shows a circuit diagram of an integration amplifier with adjustable gain
- a gyroscope denoted as a whole by 1 in FIG. 1, has an oscillator with a mass 2, which is micromechanically attached to a non-illustrated in the drawing
- the Holder along a first axis 3 against the restoring force of a pair of first springs 4 and along a perpendicular thereto extending second axis 5 against the remindstellkraff a pair of second springs ⁇ is mounted deflected from a rest position.
- the holder may for example be a semiconductor chip, on or in which the mass 2 is arranged.
- the oscillator has a vibration exciter, by means of which the mass 2 is caused to oscillate about the rest position in the direction of the first axis 3.
- the vibration exciter comprises capacitive actuators 7a, 7b, each having a first and a second electrode.
- the first electrode is respectively connected to the holder and the second electrode is respectively connected to the mass 2.
- the oscillator has a measuring device 8 which has primary capacitive sensors 9a, 9b.
- the mass 2 is arranged between the primary sensors 9a, 9b.
- Each primary sensor 9a, 9b has a first electrode connected to the ground 2 and a second electrode connected to the holder.
- the electrodes of the one primary sensor 9a, 9b move towards each other and the electrodes of the other primary sensor 9b, 9a move away from each other.
- the measurement signals of the primary sensors' 9a, 9b change in mutually opposite directions.
- the measuring device 8 is connected in such a way with a control device 10 driving the actuators 7a, 7b into an oscillator control loop, that the mass 2 is excited to oscillate with a resonant fundamental frequency.
- the gyroscope 1 has a measuring device 1 1; which comprises two secondary microelectromechanical capacitive sensors 12a, 12b and an evaluation circuit 1 3 connected thereto.
- a measuring device 1 1 which comprises two secondary microelectromechanical capacitive sensors 12a, 12b and an evaluation circuit 1 3 connected thereto.
- the mass 2 is arranged between the secondary sensors 12a, 12b.
- Each secondary sensor 12a, 12b has a first electrode connected to the proof mass 2 and a second electrode connected to the support.
- a first electrode of a first primary sensor 9a forming a first measuring signal output is connected via a first protective circuit 14a to a noninverting input terminal 1a of a charge integrator 1 ⁇ serving as a position sensor interface.
- a second electrode of the first primary sensor 9a is connected to a terminal 1 7 for a reference potential.
- a first electrode of a second primary sensor 9b forming a second measuring signal segment is connected to an inverting input terminal 15b of the charge integrator 16 via a second protective circuit 14b.
- a second electrode of the second primary sensor 9b is connected to the terminal 17 for the reference potential.
- the charge integrator 1 ⁇ has a first operational amplifier 18 whose non-inverting output terminal 20a is connected via a first integration capacitor 19a to an inverting amplifier input of the first operational amplifier 18 forming the input terminal 15b.
- An inverting output terminal 20b of the first operational amplifier 18 is connected via a second integration capacitor 19b to a non-inverting amplifier input of the first operational amplifier 18 forming the input terminal 15a. It can clearly be seen that neither to the first integration capacitor 19a nor to the second integration capacitor 19b, an electrical resistance is connected in parallel.
- the non-inverting input terminal 15a is connected via a first electrical resistance 21a to a terminal 22 for an electrical common-mode reference potential.
- the inverting input terminal 15b is connected via a second electrical resistance 21 b to the connection 22 for the electrical common-mode reference potential.
- the resistors 21 a, 21 b are each formed by the source-drain path of a MOSFET.
- the ⁇ ate electrodes of the MOSFETs are connected to a voltage source 23, which provides a control voltage that is smaller in magnitude than the threshold voltage of the MOSFETs.
- the common mode reference potential is adjustable and is generated by means of a reference voltage source not shown in the drawing. By varying the common mode reference potential, the resonant frequency of the primary oscillator formed from the first springs 4 and the mass 2 can be tuned to the resonant frequency of the secondary formed from the second springs ⁇ and the masses 2 and Resonator be tuned. This allows a high sensitivity of the measuring device 1 1.
- the first operational amplifier 118 has, in addition to the noninverting input terminal 15a, a noninverting help input 24a and an inverting help input 24b in addition to the inverting input terminal 15b.
- the inverting output terminal 20b is connected to a noninverting lowbass input 26a of a low bass 27 via a first resistive element 25a.
- the non-inverting output terminal 20a is connected via a second resistor element 25b to an inverting low-bass input 26b of the low-pass filter 27.
- a third resistance element 25c connects the non-inverting input terminal 26a to the inverting input terminal 2 ⁇ b of the low-pass filter 27. This allows a larger output amplitude of the first operational amplifier 18.
- a non-inverting low-pass output 28a of the low-pass filter 27 is connected to the non-inverting help input 24a of the first operational amplifier 118 and an inverting second low-pass output 28b of the low-pass filter 27 is connected to the inverting help input 24b of the first operational amplifier 18.
- non-inverting help input 24a of the first operational amplifier 18 is formed by the gate of a first MOSFET 29a, to the source-drain path of which a first current source 30a is connected in parallel.
- Source of the first MOSFET 29a is connected to a first supply voltage terminal. With the source-drain path of a first MOSFET 29a is the
- the non-inverting output terminal 20a is arranged in a first circuit branch connecting the drain of the first MOSFET 29a to the drain of the second MOSFET 31a.
- the source of the second MOSFET 31 a is connected via a second current source 30 b to a second supply voltage terminal.
- the inverting auxiliary input 24b of the first operational amplifier 118 is formed by the gate of a third MOSFET 29b to whose source-drain path a third current source 30c is connected in parallel.
- the source of the third MOSFET 29b is connected to the first supply voltage terminal.
- the source-drain path of a fourth MOSFET 31b Connected in series with the source-drain path of the third MOSFET 29b is the source-drain path of a fourth MOSFET 31b whose gate forms the non-inverting input connection 15a of the charge integrator 1 '.
- the inverting output terminal 20b is arranged in a second circuit branch connecting the drain of the third MOSFET 29b to the drain of the fourth MOSFET 31b.
- the source of the fourth MOSFET 31 b is connected via the second current source 30 b to the second supply voltage terminal.
- the low-pass filter 27 has a first voltage-controlled current source 32 (Gm cell) with a noninverting input 33a and an inverting input 33b.
- the noninverting input 33a is connected to the inverting output terminal 20b and the inverting input 33b to the noninverting output terminal 20a of the first operational amplifier 118.
- the first voltage controlled current source 32 further includes a non-inverting output 34a and an inverting output 34b.
- the noninverting output 34a is across the source-drain path of a fifth MOSFET 35a having the first supply voltage terminal and the inverting output 34b is across the source-drain path of a sixth MOSFET 35b connected to the first supply voltage terminal.
- Non-inverting output 34a is connected to a first input of miller integrator 36 and inverting output 34b to a second input of miller integrator 36.
- the two outputs 34a, 34b are also each connected to a terminal of a first Hilftscrien 37.
- the gates of the fifth MOSFET 35a and sixth MOSFETs 35b are also connected.
- the first voltage-controlled current source 32 has a first tranconductor 38a and a second transconductor 38b.
- the non-inverting low-pass input 26a is connected to an input of the first transponder.
- conductors 38 ⁇ and the inverting low-pass filter 26b is connected to an input of the second transconductor 38b.
- the non-inverting low-pass output 28a is connected to the non-inverting output 34a of the first transconductor 38a and the inverting low-pass output 28b to the inverting output 34b of the second transconductor 38b.
- the output 34b of the second transconductor 38b is connected via a first negative feedback branch 39a to a first reverse-connection terminal 40a of the first transconductor 38a and the output 34a of the first transconductor 38a to a second reverse-input terminal 40b of the second transconductor 38b via a second cross-coupling branch 39b.
- the negative feedback enables a better linearization of the measurement signals of the primary sensors 9a, 9b.
- the output 34a is connected to a reference potential terminal 43 via a first path comprising a source-drain path of a first FET 41a and a fourth current source 42a connected in series therewith.
- the output 34b is connected to the reference potential terminal 43 via a second path comprising a source-drain path of a second FET 41b and a fifth current source 42b connected in series therewith.
- FIG. 2 shows that the control device 10 of the actuators 7a, 7b has an integration amplifier 44, which is arranged in the oscillator control circuit between the output terminal 20a, 20b of the charge integrator 16 and the actuators 7a, 7b.
- an actuator 45 is arranged for adjusting the loop gain of the oscillator control loop.
- the actuator 45 has a multiplier 46, which is arranged between the charge integrator 16 and the integration amplifier 44 in the oscillator control loop.
- the multiplier 46 has differential first multiplier inputs 47a, 47b, a second multiplier input 48 and a differential multiplier output 49a, 49b.
- the Ausg ⁇ ngs ⁇ n say 20 ⁇ , 20b of the charge integrator 16 are each connected to a first multiplier input 47a, 47b and additionally via an amplitude regulator 50 to the second multiplier input 48.
- the multiplier outputs 49a, 49b are connected to differential inputs of the integration amplifier 44 in such a way that the position measuring signal of the mass 2 detected with the aid of the sensors 9a, 9b is forwarded to the actuators 7a, 7b in the form of a negative position signal. The position measuring signal is thus fed back in negative or inverted form to the actuators 7a, 7b.
- the multiplier 46 has a Gilbert cell, which is connected to a second auxiliary circuit 51.
- the integration amplifier 44 has a second operational amplifier 52 whose non-inverting output is connected via a third integration capacitor 53a to an inverting amplifier input of the second operational amplifier 52.
- an inverting output of the second operational amplifier 52 is connected to a noninverting amplifier input of the second operational amplifier 52 via a fourth integrating capacitor 53b.
- the differential outputs of the second operational amplifier 52 are also coupled to the second auxiliary circuit 51 via a low-pass circuit 54.
- the amplitude regulator comprises a full-wave rectifier 55 which has differential rectifier inputs 56a, 5b which are connected to the output terminals 20a, 20b of the charge integrator 16 via a second voltage-controlled current source 60.
- An ⁇ Dermatrichterausgang 57 of the full-wave rectifier 55 is also connected via a designed as a high-pass loop filter 58 to a reference potential.
- a sixth current source 59 is connected, by means of which the gain in the oscillator control loop is controlled.
- the rectifier output 57 is connected to the second multiplier input 48 in order to apply a setting signal for setting the loop gain to the second multiplier input 48.
- the loop gain of the oscillator control loop has a maximum at the resonant fundamental frequency of the primary resonator formed from the first springs 4 and the mass 2 and that this maximum is equal to 1.
- the loop gain is severely attenuated and less than 1.
- the oscillator loop attenuates the oscillation even more. This ensures that the primary resonator is always excited by the actuators 7a, 7b at the resonant fundamental frequency.
- the microelectromechanical oscillator thus has a vibration exciter which has at least one actuator 7a, 7b and a drive device 10 therefor.
- the actuator 7a, 7b is in drive connection with a mass 2 to be vibrated.
- the oscillator has a measuring device 8 for detecting a dependent of the vibration of the mass 2 measuring signal.
- the measuring device 8 is connected to the control device 10 in an oscillator control loop such that the mass 2 is excited to vibrate at a resonant frequency.
- the measuring device 8 comprises at least one microelectromechanical capacitive sensor 9a, 9b, which has electrodes which are movable towards and away from one another as a function of the deflection of the mass 2.
- the measuring device 8 has a charge integrator 1 ⁇ ; which is arranged in the oscillator control loop and is connected to at least one input terminal 1 5a, 1 5b to the sensor 9a, 9b and at least one output terminal 20a, 20b to the drive means 1 0.
- the drive device 10 has an integration amplifier 44 in the oscillator control loop.
- an actuator 45 for adjusting the loop gain of the oscillator control loop is arranged in the oscillator control circuit. The actuator 45 is in control connection with an amplitude regulator 50 for the oscillator control loop.
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Abstract
A micro-electromechanical oscillator has an oscillation exciter which has an actuator (7a, 7b) and a control unit (10) thereto. The actuator (7a, 7b) has a driven connection to a mass (2) to be caused to oscillate. To detect a measured signal dependent on the oscillation of the mass (2), a measuring apparatus (8) is provided which is connected to the control device (10) in an oscillator-control circuit in such a manner that the mass (2) is caused to oscillate at a resonance frequency. The measuring apparatus (8) comprises a micro-electromechanical capacitive sensor (9a, 9b) having electrodes which can be moved toward and away from each other as a function of the deflection of the mass (2). The measuring apparatus (8) has a position sensor interface which is arranged in the oscillator-control circuit and is connected to an input junction (15a, 15b), to the sensor (9a, 9b) and to an output junction (20a, 20b) to the control device (10). A phase shifter is provided in the oscillator control circuit.
Description
Mikroelektromechαnischer Oszillator Microelectromechanical oscillator
Die Erfindung betrifft einen mikroelektromechanischen Oszillator mit einem Schwingungserreger, der mindestens einen Aktor und eine Ansteuereinrichtung dafür aufweist wobei der Aktor mit einer in Schwingung zu versetzenden Masse in Antriebsverbindung steht, mit einer Messvorrichtung zur Erfassung eines von der Schwingung der Masse abhängigen Messsignals, wobei die Messvorrichtung derart mit der Ansteuereinrichtung in einen Oszillator-Regelkreis geschaltet ist, dass die Masse zur Schwingung mit einer Resonanzfrequenz angeregt wird, wobei die Messvorrichtung mindestens einen mikroelektromechanischen kapazitiven Sensor umfasst, der Elektroden aufweist, die in Abhängigkeit von der Auslenkung der Masse aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind.The invention relates to a microelectromechanical oscillator having a vibration exciter, which has at least one actuator and a drive device for it, wherein the actuator is in drive connection with a mass to be vibrated, with a measuring device for detecting a dependent on the vibration of the mass measurement signal, wherein the measuring device is connected to the control device in an oscillator control loop, that the mass is excited to vibrate at a resonant frequency, wherein the measuring device comprises at least one microelectromechanical capacitive sensor having electrodes which in dependence on the deflection of the mass toward and away from each other are movable.
Eine derartiger Oszillator ist aus Green, J. et al. „Single-Chip Surfdce Micromachined Integrated Gyroskope With 50°/h Allan Deviation", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band 37, Nr. 12 (2002), Seiten 1 800-1 866 bekannt. Der Oszillator ist Teil eines Gyroskops, das eine bewegbar gelagerte Masse aufweist, die aus einer Ruhelage entgegen einer Federkraft einer ersten Feder in Richtung einer ersten Achse und rechtwinklig dazu entgegen einer Federkraft einer zweiten Feder in Richtung einer zweiten Achse auslenkbar ist. Das Gyroskop weist eine Anregungseinrichtung auf, mittels der die Masse in Richtung der ersten Achse in eine Primärschwingung versetzt wird. Die Bewegung der Masse in Richtung der ersten Achse wird mit Hilfe eines primären kapazitiven Sensors gemessen. Der Sensor ist als difterentieller Sensor mit einem nichtinvertierenden ersten Messsignalausgang und einem invertierenden zweiten Messsignalausgang ausgestaltet.Such an oscillator is known from Green, J. et al. "Single-Chip Surfdce Micromachined Integrated Gyroscopes With 50 ° / h Allan Deviation", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 37, No. 12 (2002), pages 1 800-1 866. The oscillator is part of a gyroscope, which has a movably mounted mass which can be deflected from a rest position against a spring force of a first spring in the direction of a first axis and at right angles thereto against a spring force of a second spring in the direction of a second axis The movement of the mass in the direction of the first axis is measured by means of a primary capacitive sensor The sensor is designed as a differential sensor with a noninverting first measuring signal output and an inverting second measuring signal output.
Das Messsignal des Sensors wird mit Hilfe eines Operationsverstärkers verstärkt. Dieser hat einen nichtinvertierenden Verstärkereingang, einen invertierenden Verstärkereingang, einen nichtinvertierenden Verstärkerausgang und invertieren- den Verstärkerausgang. Der nichtinvertierende Verstärkerausgang ist über einen ersten ohmschen Rückkopplungswiderstand mit dem invertierenden Verstärkereingang verbunden. In entsprechender Weise ist der invertierende Verstärkerausgang über einen zweiten ohmschen Rückkopplungswiderstand mit dem nichtinver-
tierenden Verstärkereingαng verbunden. In Abhängigkeit von dem so erhaltenen Messsignal wird eine Rechteckspannung erzeugt und an einen die Masse in Richtung der ersten Achse in Schwingung versetzenden Aktor angelegt. Die Phasenlage der Rechteckspannung wird so gewählt, dass die Masse zur Schwin- gung mit einer Resonanz-Θrundfrequenz angeregt wird. Beim Einschalten des Oszillators wird die Schwingung durch das im Ausgangssignal des Operationsverstärkers enthaltene Rauschen gestartet.The measuring signal of the sensor is amplified by means of an operational amplifier. It has a noninverting amplifier input, an inverting amplifier input, a noninverting amplifier output and an inverting amplifier output. The non-inverting amplifier output is connected to the inverting amplifier input via a first ohmic feedback resistor. Similarly, the inverting amplifier output is connected to the non-inverting resistor via a second resistive feedback resistor. connecting amplifier input. As a function of the measurement signal thus obtained, a square-wave voltage is generated and applied to an actuator that sets the mass in the direction of the first axis in oscillation. The phase position of the square-wave voltage is chosen such that the mass is excited to vibrate at a resonant fundamental frequency. When the oscillator is switched on, the oscillation is started by the noise contained in the output signal of the operational amplifier.
Eine Drehung der Masse um eine rechtwinklig zu der ersten Achse und der zweiten Achse verlaufende Rotationsachse erzeugt eine Coriolis-Kraft, die eine Sekundärschwingung der Masse in Richtung der zweiten Achse bewirkt. Die entsprechende Auslenkung wird mit Hilfe eines sekundären kapazitiven Sensors gemessen, dessen Messsignal mit Hilfe eines Messverstärkers verstärkt wird.Rotation of the mass about an axis of rotation perpendicular to the first axis and the second axis produces a Coriolis force which causes secondary oscillation of the mass in the direction of the second axis. The corresponding deflection is measured by means of a secondary capacitive sensor whose measuring signal is amplified by means of a measuring amplifier.
Der Oszillator hat den Nachteil, dass er aufgrund des Phasengangs seines Regelkreises auch zur Schwingung mit einer Störschwingung angeregt werden kann, deren Frequenz höher ist als die Resonanz-Θrundfrequenz. Bei der Störschwingung hat die Messvorrichtung jedoch eine geringere Sensitivität als bei der Resonanz- Grundfrequenz. Ungünstig ist außerdem, dass der Oszillator noch ein relativ großes Phasenrauschen aufweist, das einen Ditter der Oszillatorschwingung verursacht. Außerdem ist die Stromaufhahme noch relativ hoch.The oscillator has the disadvantage that, due to the phase response of its control circuit, it can also be excited to oscillate with a spurious oscillation whose frequency is higher than the resonant fundamental frequency. In the case of the spurious vibration, however, the measuring device has a lower sensitivity than at the fundamental resonance frequency. It is also unfavorable that the oscillator still has a relatively large phase noise, which causes a Ditter the oscillator oscillation. In addition, the power consumption is still relatively high.
Es besteht deshalb die Aufgabe, einen Oszillator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Gefahr, dass der Oszillator mit einer Eigenresonanzfrequenz schwingt, die höher ist als die Resonanz-Grundfrequenz, vermieden oder zumindest reduziert ist. Außerdem soll der Oszillator eine geringe Stromaufhahme und ein niedriges Phasenrauschen ermöglichen.There is therefore the object to provide an oscillator of the type mentioned, in which the risk that the oscillator oscillates at a natural resonant frequency which is higher than the resonant fundamental frequency, avoided or at least reduced. In addition, the oscillator should allow low power consumption and low phase noise.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Messvorrichtung im Oszillator- Regelkreis ein Positionssensor-Interface aufweist, das mit mindestens einem Ein- gangsanschluss mit dem Sensor und mit wenigstens einem Ausgangsanschluss mit der Ansteuereinrichtung verbunden ist, und dass im Oszillator-Regelkreis ein Phasenschieber vorgesehen ist.
Unter einem Positionssensor-Interface wird eine Schaltung verstanden, die ein der Position der schwingenden Masse entsprechendes Signal bereitstellt. Durch das in den Oszillator-Regelkreis geschaltete Positionssensor-Interface und den damit in Reihe geschalteten Phasenschieber wird die Schleifenverstärkung des Oszillator- Regelkreises bei hohen Frequenzen herabgesetzt, wodurch die Gefahr, dass der Aktor und die damit in Antriebsverbindung stehende schwingungsfähige Masse mit einer Frequenz oberhalb der Resonanz-Θrundfrequenz zur Schwingung angeregt wird, reduziert wird. Die Phasenverschiebung des Phasenschiebers ist derart gewählt, dass ein Schwingkreis gebildet wird und beträgt vorzugswiese etwa 90°. Das Positionssensor-Interface ist bevorzugt als Ladungsintegrator und insbesondere als zeitkontinuierlicher Ladungsintegrator ausgestaltet, der ein geringes Rauschen im Oszillator-Regelkreis und damit eine entsprechend geringere Stromaufhahme des Oszillators ermöglicht. Der Oszillator ist daher besonders gut für einen Batterieoder Akkubetrieb geeignet.This object is achieved in that the measuring device in the oscillator control loop has a position sensor interface, which is connected to at least one input terminal to the sensor and at least one output terminal to the drive means, and that in the oscillator control loop, a phase shifter is provided , A position sensor interface is understood to be a circuit which provides a signal corresponding to the position of the oscillating mass. By connected in the oscillator control loop position sensor interface and thus connected in series phase shifter, the loop gain of the oscillator control loop is reduced at high frequencies, whereby the risk that the actuator and thus standing in driving connection oscillatory mass with a frequency above the Resonance zurrundfrequenz is excited to the vibration is reduced. The phase shift of the phase shifter is chosen such that a resonant circuit is formed and is preferably about 90 °. The position sensor interface is preferably designed as a charge integrator and in particular as a time-continuous charge integrator, which allows a low noise in the oscillator control loop and thus a correspondingly lower current consumption of the oscillator. The oscillator is therefore particularly well suited for battery or battery operation.
In vorteilhafter Weise kann der erfindungsgemäße mikroelektromechanische Oszillator auch als Referenzoszillator bzw. Zeitgeber (Clock) verwendet werden. Dieser erfindungsgemäße Oszillator hat gegenüber einem herkömmlichen Quarz- Oszillator den Vorteil, dass er auf einfache Weise mittels eines Standard- Halbleiterprozesses ggf zusammen mit anderen elektronischen Schaltungskomponenten in einen Halbleiterchip integriert werden kann. Dadurch können die Kosten für die Bereitstellung des Referenzoszillators und somit die θesamtkosten für eine elektronische Schaltung erheblich gesenkt werden. Außerdem hat der erfindungsgemäße mikroelektromechanische Oszillator den Vorteil, dass er wesentlich weniger Strom verbraucht als ein entsprechender Quarz-Oszillator.Advantageously, the microelectromechanical oscillator according to the invention can also be used as a reference oscillator or clock. This oscillator according to the invention has the advantage over a conventional quartz oscillator that it can easily be integrated into a semiconductor chip together with other electronic circuit components by means of a standard semiconductor process. This can significantly reduce the cost of providing the reference oscillator and thus the total cost of an electronic circuit. In addition, the microelectromechanical oscillator according to the invention has the advantage that it consumes much less power than a corresponding quartz oscillator.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist im Oszillator-Regelkreis vorzugsweise zwischen dem Positionssensor-Interface und dem Phasenschieber ein Stellglied zur Einstellung der Schleifenverstärkung des Oszillator-Regelkreises angeordnet, wobei das Stellglied mit einem Amplitudenregler für den Oszillator-Regelkreis in Steuerverbindung steht. Mit Hilfe des Amplitudenregelkreises wird die Schleifenverstärkung des Oszillator-Regelkreises so eingestellt, dass sie bei der Resonanz- Θrundfrequenz des Oszillators etwa gleich 1 ist und dass sie bei Frequenzen, die deutlich oberhalb der Resonanz-Θrundfrequenz liegen, kleiner als 1 ist, so dass der Oszillator nur mit der Resonanz-Θrundfrequenz schwingen kann.
Vorteilhaft ist, wenn der Phasenschieber als Integrationsverstärker ausgestaltet ist. Im Oszillator-Regelkreis ergibt sich dadurch ein niedriges Rauschen.In one embodiment of the invention, an actuator for adjusting the loop gain of the oscillator control loop is preferably arranged in the oscillator control loop between the position sensor interface and the phase shifter, wherein the actuator is in control connection with an amplitude controller for the oscillator control loop. With the aid of the amplitude control loop, the loop gain of the oscillator control loop is set to be approximately equal to 1 at the resonant frequency of the oscillator and to be less than 1 at frequencies well above the resonant fundamental frequency, so that Oscillator can oscillate only at the resonance frequenzrundfrequenz. It is advantageous if the phase shifter is designed as an integration amplifier. This results in a low noise in the oscillator control loop.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Stellglied zur Einstellung der Schleifenverstärkung des Oszillator-Regelkreises zwischen dem Ausgangsan- schluss des Positionssensor-Interfaces und einem Eingang des Phasenschiebers angeordnet. Dadurch ergibt sich ein einfacher Aufbau der aus der Ansteuereinrichtung und der Messvorrichtung bestehenden elektrischen Schaltung.In a preferred embodiment of the invention, the actuator for adjusting the loop gain of the oscillator control loop between the output terminal of the position sensor interface and an input of the phase shifter is arranged. This results in a simple structure of existing from the control device and the measuring device electrical circuit.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist das Stellglied zur Einstellung der Schleifenverstärkung ein Multiplizierglied auf, das mit einem ersten Multipliziergliedeingang mit dem Ausgangsanschluss des Positionssensor-Interfaces, mit einem zweiten Multipliziergliedeingang mit einem Reglerausgang eines Amplitu- denreglers und mit einem Multipliziergliedausgang mit dem Eingang des Phasenschiebers verbunden ist, wobei der Amplitudenregler einen mit dem Ausgangsanschluss des Positionssensor-Interfdces verbundenen Reglereingang aufweist. Die Schleifenverstärkung im Oszillator-Regelkreis wird dann bei der Resonanz- Grundfrequenz automatisch auf den Wert 1 eingestellt, dass der Oszillator mit der Resonanz-Θrundfrequenz schwingt und dass die Regelschleife Frequenzen höherer Ordnung dämpft.In a further development of the invention, the adjusting element for adjusting the loop gain comprises a multiplier which is connected to the output terminal of the position sensor interface with a first multiplier input, to a second multiplier input to a regulator output of an amplitude regulator and to a multiplier output to the input of the phase shifter is, wherein the amplitude controller has a connected to the output terminal of the position sensor Interfdces controller input. The loop gain in the oscillator loop is then automatically set to the value 1 at the resonant fundamental frequency such that the oscillator oscillates at the resonant fundamental frequency and that the control loop attenuates higher order frequencies.
Bei einer zweckmäßigen Ausfuhrungsform der Erfindung weist das Multiplizierglied eine spannungsgesteuerte Stromquelle auf; insbesondere eine Θilbert-Zelle. Das Multiplizierglied ist dann kostengünstig in einen Halbleiterchip integrierbar.In an expedient embodiment of the invention, the multiplier has a voltage-controlled current source; in particular, a silver cell. The multiplier can then be inexpensively integrated into a semiconductor chip.
Der Amplitudenregler weist bevorzugt einen Gleichrichter auf, der mit einem Gleichrichtereingang mit dem Ausgangsanschluss des Positionssensor-Interfdces und mit einem Gleichrichterausgang mit einem Schleifenfilter und in der Folge mit dem zweiten Multipliziergliedeingang verbunden ist. Auch durch diese Maßnahme wird auf einfache Weise eine automatische Einstellung der Schleifenverstärkung im Oszillator-Regelkreis ermöglicht.The amplitude controller preferably has a rectifier, which is connected with a rectifier input to the output terminal of the position sensor Interfdces and with a rectifier output with a loop filter and subsequently to the second multiplier input. Also by this measure, an automatic adjustment of the loop gain in the oscillator control loop is made possible in a simple manner.
Vorteilhaft ist, wenn zwischen dem Gleichrichterausgang und dem zweiten Multipli- Ziergliedeingang ein Addier- und/oder Subtrahierglied angeordnet ist, das mit
einem ersten Eingang direkt oder indirekt mit dem Gleichrichterausgang, mit einem zweiten Eingang mit einem Referenzwertgeber und mit einem Ausgang direkt oder indirekt mit dem zweiten Multipliziergliedeingang verbunden ist. Mit Hilfe des Referenzwertgebers kann dann der Sollwert für die Schleifenverstärkung vorgegeben werden. Wenn die Amplitude größer ist als der Sollwert, wird die Schleifenverstärkung im Oszillator-Regelkreis automatisch reduziert und wenn die Amplitude größer ist als der Sollwert, wird die Schleifenverstärkung im Oszillator- Regelkreis automatisch erhöht.It is advantageous if between the rectifier output and the second multiplier Ziergliedeingang an adder and / or subtractor is arranged with the a first input directly or indirectly connected to the rectifier output, to a second input to a reference value transmitter and to an output directly or indirectly connected to the second multiplier input. The reference value for the loop gain can then be specified with the aid of the reference value transmitter. If the amplitude is greater than the setpoint, the loop gain in the oscillator loop is automatically reduced, and if the amplitude is greater than the setpoint, the loop gain in the oscillator loop is automatically increased.
Vorteilhaft ist, wenn das Positionssensor-Interface einen Operationsverstärker autweist, der mindestens den Eingangsanschluss bildenden Verstärkereingang und wenigstens einen den Ausgangsanschluss bildenden Verstärkerausgang hat, der über mindestens einen Integrationskondensator mit dem Eingangsanschluss rückgekoppelt ist, und wenn der mindestens eine Eingangsanschluss über einen hochohmigen elektrischen Widerstand mit einem Anschluss für ein elektrisches Gleichtakt-Referenzpotential verbunden ist. Dadurch ist es möglich, das Gleichtakt- Referenzpotential auf einen vorbestimmten Wert zu legen und dadurch die Resonanzfrequenz des aus der Masse und der ersten Feder gebildeten Primärresonators einzustellen. Dadurch ist es sogar möglich, die Resonanz-Grundfrequenz des aus der Masse und der ersten Feder gebildeten Primärresonators und die Resonanzfrequenz des aus der Masse und der zweiten Feder gebildeten Sekundäroszillators aufeinander abzustimmen. Da aufgrund der mit dem Gleichtakt- Referenzpotential verbundenen Widerstände ein Rücksetzen des Integrationskondensators nicht erforderlich ist, kann der Integrationskondensator unterbrechungs- frei für die Messung genutzt werden. Die Messvorrichtung ermöglicht außerdem einen definierten Gleichspannungspegel am Ausgang des Operationsverstärkers. Ferner ist die Messvorrichtung unempfindlich gegenüber einer Oftsetspannung des Sensors.It is advantageous if the position sensor interface comprises an operational amplifier having at least the input terminal forming amplifier input and at least one output terminal forming the amplifier output, which is fed back via at least one integration capacitor to the input terminal, and if the at least one input terminal via a high-resistance electrical resistance with connected to a terminal for an electrical common-mode reference potential. Thereby, it is possible to set the common mode reference potential to a predetermined value and thereby adjust the resonance frequency of the primary resonator formed of the mass and the first spring. As a result, it is even possible to match the resonant fundamental frequency of the primary resonator formed from the mass and the first spring and the resonant frequency of the secondary oscillator formed from the mass and the second spring to one another. Since a resetting of the integration capacitor is not required due to the resistors connected to the common-mode reference potential, the integration capacitor can be used without interruption for the measurement. The measuring device also allows a defined DC voltage level at the output of the operational amplifier. Furthermore, the measuring device is insensitive to a furnace voltage of the sensor.
Vorteilhaft ist, wenn der hochohmige elektrische Widerstand durch einen FET, insbesondere einen MOSFET gebildet ist, der mit seiner Source-Drain-Strecke den Eingangsanschluss mit dem Anschluss für das Gleichtakt-Referenzpotential verbindet und mit seinem Gate an einer Steuerspannung anliegt. Der hochohmige Widerstand kann dadurch kostengünstig und Platz sparend zusammen mit dem
Operationsverstärker und ggf weiteren elektrischen Schaltungskomponenten in einen Halbleiterchip integriert werden.It is advantageous if the high-resistance electrical resistance is formed by a FET, in particular a MOSFET, which connects with its source-drain path the input terminal to the terminal for the common-mode reference potential and is applied with its gate to a control voltage. The high-impedance resistor can thereby cost-effective and space-saving together with the Operational amplifier and optionally further electrical circuit components are integrated into a semiconductor chip.
Zweckmäßigerweise ist die Steuerspannung kleiner als die Schwellenspannung des MOSFETs. Dadurch wird ein sehr hochohmiger elektrischer Widerstand ermöglicht.Conveniently, the control voltage is less than the threshold voltage of the MOSFET. This allows a very high resistance electrical resistance.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Messvorrichtung zum Erzeugen der Steuerspannung eine Spannungsquelle auf deren Quellenausgang mit dem Gate des MOSFETs verbunden ist wobei die Spannungsquelle einen Steuereingang hat, der derart mit dem Anschluss für das Gleichtakt- Referenzpotential in Steuerverbindung steht dass beim Auftreten einer Änderung des Gleichtakt-Referenzpotentials der elektrische Widerstand der Source-Drain- Strecke des MOSFETs im Wesentlichen konstant bleibt. Das Gleichtakt- Referenzpotential kann dann auf einfache Weise verstellt werden, ohne den Wert des hochohmigen elektrischen Widerstands zu verändern.In a preferred embodiment of the invention, the measuring device for generating the control voltage has a voltage source whose source output is connected to the gate of the MOSFET, the voltage source having a control input which is in control connection with the common-mode reference potential terminal in the event of a change of the common mode reference potential, the electrical resistance of the source-drain path of the MOSFET remains substantially constant. The common mode reference potential can then be easily adjusted without changing the value of the high resistance electrical resistance.
Bei einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung ist der kapazitive Sensor als diflerentieller Sensor mit einem nichtinvertierenden ersten Messsignalausgang und einem invertierenden zweiten Messsignalausgang und der Operationsverstärker als differentieller Operationsverstärker mit einem nichtinvertierenden ersten Eingangsanschluss, einem invertierenden zweiten Eingangsanschluss, einem nichtinvertierenden ersten Ausgangsanschluss und einem invertierenden zweiten Aus- gangsanschluss ausgestaltet wobei der erste Messsignalausgang mit dem ersten Eingangsanschluss und der zweite Messsignalausgang mit dem zweiten Ein- gangsanschluss verbunden ist, wobei der erste Ausgangsanschluss über einen ersten Integralionskondensator mit dem zweiten Eingangsanschluss und der zweite Ausgangsanschluss über einen zweiten Integrationskondensator mit dem ersten Eingangsanschluss rückgekoppelt ist, und wobei der erste Eingangsanschluss über einen hochohmigen ersten Widerstand und der zweite Eingangsanschluss über einen hochohmigen zweiten Widerstand mit dem Anschluss für das Gleichtakt- Referenzpotential verbunden ist. Die Messvorrichtung ist also als differentielle Messvorrichtung ausgestaltet und ermöglicht dadurch eine größere Messempfindlichkeit. Die hochohmigen Widerstände weisen bevorzugt etwa den gleichen Widerstandswert auf
Zweckmäßigerweise weist der Operationsverstärker zusätzlich zu dem ersten Eingangsanschluss einen ersten nichtinvertierenden Hilfeeingang und zusätzlich zu dem zweiten Eingangsanschluss einen zweiten invertierenden Hilfeeingang auf, wobei der zweite Ausgangsanschluss mit einem nichtinvertierenden ersten Tiefpasseingang eines Tiefpasses und der erste Ausgangsanschluss mit einem invertierenden zweiten Tiefpasseingang des Tiefpasses verbunden ist, und wobei ein nichtinvertierender erster Tiefpassausgang mit dem ersten Hilfseingang und ein invertierender zweiter Tiefpassausgang des Tiefpasses mit dem zweiten Hilfsein- gang verbunden ist. Der Arbeitspunkt des Operationsverstärkers wird dabei mit einem tiefpassgefilterten Signal eingestellt, so dass die den Hilfeeingängen zugeordneten Schaltungsteile des Operationsverstärkers niederfrequent ausgelegt sein können.In an advantageous embodiment of the invention, the capacitive sensor is a differential sensor having a noninverting first measuring signal output and an inverting second measuring signal output and the operational amplifier as a differential operational amplifier having a non-inverting first input terminal, an inverting second input terminal, a non-inverting first output terminal and an inverting second output terminal. The first measurement signal output is connected to the first input terminal and the second measurement signal output is connected to the second input terminal, wherein the first output terminal is fed back via a first integral capacitor to the second input terminal and the second output terminal via a second integration capacitor to the first input terminal. and wherein the first input terminal via a high-resistance first resistor and the second input connected via a high-resistance second resistor to the terminal for the common-mode reference potential. The measuring device is thus designed as a differential measuring device and thereby enables a greater measuring sensitivity. The high-impedance resistors preferably have approximately the same resistance value Advantageously, in addition to the first input terminal, the operational amplifier has a first non-inverting help input and a second inverting help input in addition to the second input terminal, the second output terminal being connected to a non-inverting first lowpass input of a lowpass and the first output terminal being connected to an inverting second lowpass input of the lowpass filter, and wherein a non-inverting first low-pass output is connected to the first auxiliary input and an inverting second low-pass output of the low-pass is connected to the second auxiliary input. The operating point of the operational amplifier is set with a low-pass filtered signal, so that the auxiliary inputs associated circuit parts of the operational amplifier can be designed low frequency.
Es ist aber auch möglich, dass der Operationsverstärker zusätzlich zu dem ersten Eingangsanschluss einen ersten nichtinvertierenden Hilfseingang und zusätzlich zu dem zweiten Eingangsanschluss einen zweiten invertierenden Hilfeeingang aufweist, wobei der zweite Ausgangsanschluss mit einem invertierenden ersten Tiefbasseingang eines Tiefpasses und der erste Ausgangsanschluss mit einem nichtinvertierenden zweiten Tiefpasseingang des Tiefpasses verbunden ist, und wobei ein invertierender erster Tiefbassausgang mit dem ersten Hilfeeingang und ein nichtinvertierender zweiter Tiefpassausgang des Tiefpasses mit dem zweiten Hilfseingang verbunden ist. Auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird der Arbeitspunkt des Operationsverstärkers mit einem tiefpassgefilterten Signal einge- stellt.However, it is also possible for the operational amplifier to have, in addition to the first input terminal, a first non-inverting auxiliary input and a second inverting help input in addition to the second input terminal, the second output terminal having an inverting first low-pass input of a low-pass filter and the first output connector having a non-inverting second low-pass input the low-pass filter is connected, and wherein an inverting first low-bass output is connected to the first auxiliary input and a non-inverting second low-pass output of the low-pass filter is connected to the second auxiliary input. Also in this embodiment of the invention, the operating point of the operational amplifier is adjusted with a low-pass filtered signal.
Vorteilhaft ist, wenn der zweite Ausgangsanschluss über ein erstes Widerstandselement mit dem ersten Tiefpasseingang und der erste Ausgangsanschluss über einen zweites Widerstandselement mit dem zweiten Tiefbasseingang verbunden ist, und wenn der erste Tiefbasseingang über ein drittes Widerstandselement mit dem zweiten Tiefpasseingang verbunden ist. Das so gebildete Widerstandsnetzwerk ermöglicht eine Messvorrichtung, deren Ausgangssignal eine hohe Amplitude aufweist.
Zweckmäßigerweise hat der Tiefpass mindestens eine spannungsgesteuerte Stromquelle, deren Ausgang mit einem Integralionseingang eines Miller-Integrators verbunden ist. Der Tiefpass kann dadurch besser in einen Halbleiterchip integriert werden. Ein aufwändiger und teurer externer Kondensator kann dabei eingespart werden.It is advantageous if the second output terminal is connected via a first resistor element to the first low-pass input and the first output terminal via a second resistor element to the second Tiefbasseingang, and if the first Tiefbasseingang is connected via a third resistor element to the second Tiefpasseingang. The resistor network thus formed allows a measuring device whose output signal has a high amplitude. Advantageously, the low-pass filter has at least one voltage-controlled current source whose output is connected to an integral input of a Miller integrator. The low pass can thus be better integrated into a semiconductor chip. A complex and expensive external capacitor can be saved.
Bei einer bevorzugten Ausführungsförm der Erfindung ist der erste Tiefpasseingang mit einem Eingang eines ersten Transconductors und der zweite Tiefpasseingang mit einem Eingang eines zweiten Transconductors verbunden, wobei der erste Tiefpassausgang mit einem Ausgang des ersten Transconductors und der zweite Tiefpassausgang mit einem Ausgang des zweiten Transconductors verbunden ist, und wobei der Ausgang des zweiten Transconductors über einen ersten Θegen- kopplungszweig mit einem ersten θegenkopplungsanschluss des ersten Transconductors und der Ausgang des ersten Transconductors über einen zweiten Gegenkopplungszweig mit einem zweiten Θegenkopplungsanschluss des zweiten Transconductors verbunden ist. Die Messvorrichtung ermöglicht dadurch eine hohe Ausgangsamplitude und eine weitgehend lineare Verstärkung des Sensor- Messsignals.In a preferred embodiment of the invention, the first low-pass input is connected to an input of a first transconductor and the second low-pass input to an input of a second transconductor, wherein the first low-pass output is connected to an output of the first transconductor and the second low-pass output to an output of the second transconductor , and wherein the output of the second transconductor is connected via a first counter coupling branch to a first negative input terminal of the first transconductor and the output of the first transconductor via a second negative feedback branch to a second negative terminal terminal of the second transconductor. The measuring device thereby enables a high output amplitude and a largely linear amplification of the sensor measurement signal.
Nachfolgend ist ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtAn exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gyroskops, das einen mikroelekt- romechanischen Oszillator und eine Messeinrichtung zur Messung einer durch eine Corioliskraft bewirkten Auslenkung einer Masse aufweist,1 shows a schematic representation of a gyroscope which has a microelectrical oscillator and a measuring device for measuring a deflection of a mass caused by a Coriolis force,
Fig. 2 ein Blockschaltbild des mikroelektromechanischen Oszillators,2 is a block diagram of the microelectromechanical oscillator,
Fig. 3 ein Schaltbild einer Messvorrichtung zur Messung einer Primärschwin- gung der Masse des Oszillators,3 shows a circuit diagram of a measuring device for measuring a primary oscillation of the mass of the oscillator,
Fig. 4 ein Schaltbild einer Verstärkerschaltung für einen Ladungsintegrator, wobei die Verstärkerschaltung einen Operationsverstärker aufweist, dessen Ausgang über einen Tiefpass mit dem Verstärkereingang des Ope- rationsverstärkers rückgekoppelt ist,
Rg. 5 ein Schaltbild eines Transkonduktanzverstärkers (Gm-ZeIIe) des Tiefpasses,4 shows a circuit diagram of an amplifier circuit for a charge integrator, the amplifier circuit having an operational amplifier whose output is fed back via a low-pass filter to the amplifier input of the operational amplifier, FIG. 5 shows a circuit diagram of a transconductance amplifier (Gm cell) of the low-pass filter, FIG.
Fig. ό ein Schaltbild eines Integrationsverstärkers mit verstellbarer Verstärkung,FIG. 6 shows a circuit diagram of an integration amplifier with adjustable gain, FIG.
Fig. 7 ein Schaltbild eines Amplitudenreglers des Oszillators, und7 is a circuit diagram of an amplitude controller of the oscillator, and
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Schleifenverstärkung und des Phasen- gangs eines Oszillator-Regelkreises, wobei auf der Abszisse die Kreisfrequenz und auf der Ordinate die Verstärkung M in dB bzw. der Phasenwinkel φ in Grad aufgetragen sind.8 shows a graph of the loop gain and the phase transition of an oscillator control loop, the abscissa representing the angular frequency and the ordinate the gain M in dB or the phase angle φ in degrees.
Ein in Fig. 1 im Ganzen mit 1 bezeichnetes Gyroskop hat einen Oszillator mit einer Masse 2, die mikromechanisch an einer in der Zeichnung nicht näher dargestelltenA gyroscope, denoted as a whole by 1 in FIG. 1, has an oscillator with a mass 2, which is micromechanically attached to a non-illustrated in the drawing
Halterung entlang einer ersten Achse 3 entgegen der Rückstellkraft eines Paars erster Federn 4 und entlang einer rechtwinklig dazu verlaufenden zweiten Achse 5 entgegen der Rückstellkraff eines Paar zweiter Federn ό aus einer Ruhelage auslenkbar gelagert ist. Die Halterung kann beispielsweise ein Halbleiterchip sein, auf oder in dem die Masse 2 angeordnet ist.Holder along a first axis 3 against the restoring force of a pair of first springs 4 and along a perpendicular thereto extending second axis 5 against the Rückstellkraff a pair of second springs ό is mounted deflected from a rest position. The holder may for example be a semiconductor chip, on or in which the mass 2 is arranged.
Der Oszillator hat einen Schwingungserreger, mittels dem die Masse 2 um die Ruhelage in Richtung der ersten Achse 3 in Schwingungen versetzt wird. Der Schwingungserreger weist kapazitive Aktoren 7a, 7b mit jeweils einer ersten und einer zweiten Elektrode auf Die erste Elektrode ist jeweils mit der Halterung und die zweite Elektrode jeweils mit der Masse 2 verbunden.The oscillator has a vibration exciter, by means of which the mass 2 is caused to oscillate about the rest position in the direction of the first axis 3. The vibration exciter comprises capacitive actuators 7a, 7b, each having a first and a second electrode. The first electrode is respectively connected to the holder and the second electrode is respectively connected to the mass 2.
Zur Erfassung eines von der Schwingung der Masse abhängigen Messsignals hat der Oszillator eine Messvorrichtung 8, die primäre kapazitive Sensoren 9a, 9b aufweist. In Fig. 1 ist erkennbar, dass die Masse 2 zwischen den primären Sensoren 9a, 9b angeordnet ist. Jeder primäre Sensor 9a, 9b hat jeweils eine mit der Masse 2 verbundene erste Elektrode und eine mit der Halterung verbundene zweite Elektrode.
Wenn die Masse 2 in Richtung der ersten Achse 3 aus ihrer Ruhelage verschoben wird, bewegen sich die Elektroden des einen primären Sensors 9a, 9b aufeinander zu und die Elektroden des anderen primären Sensors 9b, 9a voneinander weg. Dadurch ändern sich die Messsignale der primären Sensoren '9a, 9b in zueinander entgegengesetzte Richtungen.In order to detect a measurement signal which depends on the oscillation of the mass, the oscillator has a measuring device 8 which has primary capacitive sensors 9a, 9b. In Fig. 1 it can be seen that the mass 2 is arranged between the primary sensors 9a, 9b. Each primary sensor 9a, 9b has a first electrode connected to the ground 2 and a second electrode connected to the holder. When the mass 2 is displaced from its rest position in the direction of the first axis 3, the electrodes of the one primary sensor 9a, 9b move towards each other and the electrodes of the other primary sensor 9b, 9a move away from each other. As a result, the measurement signals of the primary sensors' 9a, 9b change in mutually opposite directions.
Die Messvorrichtung 8 ist derart mit einer die Aktoren 7a, 7b ansteuernden Ansteuereinrichtung 10 in einen Oszillator-Regelkreis geschaltet, dass die Masse 2 mit einer Resonanz-Grundfrequenz zur Schwingung angeregt wird.The measuring device 8 is connected in such a way with a control device 10 driving the actuators 7a, 7b into an oscillator control loop, that the mass 2 is excited to oscillate with a resonant fundamental frequency.
Wenn die Halterung und damit die Lage der Masse 2 um eine normal zur ersten Achse 3 und zur zweiten Achse 5 angeordnete Rotationsachse verdreht wird, tritt an der Masse 2 eine Corioliskraft auζ die in Richtung der zweiten Achse 5 wirkt und die Masse 2 entgegen der Rückstellkräfte der zweiten Federn 6 in Richtung der zweiten Achse 5 aus der Ruhelage ausgelenkt.When the holder and thus the position of the mass 2 is rotated about a rotation axis arranged normal to the first axis 3 and to the second axis 5, a Coriolis force acting on the mass 2 acts in the direction of the second axis 5 and the mass 2 counteracts the restoring forces the second springs 6 deflected in the direction of the second axis 5 from the rest position.
Zur Messung dieser Auslenkung weist das Gyroskop 1 eine Messeinrichtung 1 1 auf; die zwei sekundäre mikroelektromechanische kapazitive Sensoren 12a, 12b und eine damit verbundene Auswerteschaltung 1 3 umfasst. In Fig. 1 ist erkennbar, dass die Masse 2 zwischen den sekundären Sensoren 12a, 12b angeordnet ist. Jeder sekundäre Sensor 12a, 12b hat jeweils eine mit der Prüfmasse 2 verbundene erste Elektrode und eine mit der Halterung verbundene zweite Elektrode.To measure this deflection, the gyroscope 1 has a measuring device 1 1; which comprises two secondary microelectromechanical capacitive sensors 12a, 12b and an evaluation circuit 1 3 connected thereto. In Fig. 1 it can be seen that the mass 2 is arranged between the secondary sensors 12a, 12b. Each secondary sensor 12a, 12b has a first electrode connected to the proof mass 2 and a second electrode connected to the support.
Wenn die Masse 2 in Richtung der zweiten Achse 5 aus ihrer Ruhelage verschoben wird, bewegen sich die Elektroden des einen sekundären Sensors 1 2a, 1 2b aufeinander zu und die Elektroden des anderen sekundären Sensors 12b, 12a voneinander weg. Dadurch ändern sich die Messsignale der sekundären Sensoren 12b, 12a in zueinander entgegengesetzte Richtungen.When the mass 2 is shifted in the direction of the second axis 5 from its rest position, move the electrodes of a secondary sensor 1 2a, 1 2b towards each other and the electrodes of the other secondary sensor 12b, 12a away from each other. As a result, the measurement signals of the secondary sensors 12b, 12a change in mutually opposite directions.
Wie in Fig. 3 erkennbar ist, ist eine einen ersten Messsignalausgang bildende erste Elektrode eines ersten primären Sensors 9a über eine erste Schutzschaltung 14a mit einem nichtinvertierenden Eingangsanschluss 1 5a eines als Positionssensor- Interfdce dienenden Ladungsintegrators 1 ό verbunden. Eine zweite Elektrode des ersten primären Sensors 9a ist mit einem Anschluss 1 7 für ein Bezugspotential verbunden.
In entsprechender Weise ist eine einen zweiten Messsignαlαusgαng bildende erste Elektrode eines zweiten primären Sensors 9b über eine zweite Schutzschaltung 14b mit einem invertierenden Eingangsanschluss 15b des Ladungsintegrators 16 verbunden. Eine zweite Elektrode des zweiten primären Sensors 9b ist mit dem Anschluss 17 für das Bezugspotential verbunden. ■As can be seen in FIG. 3, a first electrode of a first primary sensor 9a forming a first measuring signal output is connected via a first protective circuit 14a to a noninverting input terminal 1a of a charge integrator 1ό serving as a position sensor interface. A second electrode of the first primary sensor 9a is connected to a terminal 1 7 for a reference potential. In a corresponding manner, a first electrode of a second primary sensor 9b forming a second measuring signal segment is connected to an inverting input terminal 15b of the charge integrator 16 via a second protective circuit 14b. A second electrode of the second primary sensor 9b is connected to the terminal 17 for the reference potential. ■
Der Ladungsintegrator 1 ό hat einen ersten Operationsverstärker 18, dessen nichtin- vertierender Ausgangsanschluss 20a über einen ersten Integrationskondensator 19a mit einem den Eingangsanschluss 15b bildenden invertierenden Verstärkereingang des ersten Operationsverstärkers 1 8 verbunden ist. Ein invertierender Ausgangsanschluss 20b des ersten Operationsverstärkers 1 8 ist über einen zweiten Integrationskondensator 19b mit einem den Eingangsanschluss 15a bildenden nichtinvertierenden Verstärkereingang des ersten Operationsverstärkers 1 8 ver- bunden. Deutlich ist erkennbar, dass weder zu dem ersten Integrationskondensator 19a noch zu dem zweiten Integrationskondensator 19b ein elektrischer Widerstand parallel geschaltet ist.The charge integrator 1 ό has a first operational amplifier 18 whose non-inverting output terminal 20a is connected via a first integration capacitor 19a to an inverting amplifier input of the first operational amplifier 18 forming the input terminal 15b. An inverting output terminal 20b of the first operational amplifier 18 is connected via a second integration capacitor 19b to a non-inverting amplifier input of the first operational amplifier 18 forming the input terminal 15a. It can clearly be seen that neither to the first integration capacitor 19a nor to the second integration capacitor 19b, an electrical resistance is connected in parallel.
Der nichtinvertierende Eingangsanschluss 15a ist über einen ersten elektrischen Widerstand 21 a mit einem Anschluss 22 für ein elektrisches Θleichtakt- Referenzpotential verbunden. In entsprechender Weise ist der invertierende Eingangsanschluss 15b über einen zweiten elektrischen Widerstand 21 b mit dem Anschluss 22 für das elektrische θleichtakt-Referenzpotential verbunden.The non-inverting input terminal 15a is connected via a first electrical resistance 21a to a terminal 22 for an electrical common-mode reference potential. In a corresponding manner, the inverting input terminal 15b is connected via a second electrical resistance 21 b to the connection 22 for the electrical common-mode reference potential.
Die Widerstände 21 a, 21 b sind jeweils durch die Source-Drain-Strecke eines MOSFETs gebildet. Die θateelektroden der MOSFETs sind mit einer Spannungsquelle 23 verbunden, die eine Steuerspannung bereitstellt, die betragsmäßig kleiner ist als die Schwellenspannung der MOSFETs.The resistors 21 a, 21 b are each formed by the source-drain path of a MOSFET. The θate electrodes of the MOSFETs are connected to a voltage source 23, which provides a control voltage that is smaller in magnitude than the threshold voltage of the MOSFETs.
Das Gleichtakt-Referenzpotential ist einstellbar und wird mit Hilfe einer in der Zeichnung nicht dargestellten Referenzspannungsquelle erzeugt. Durch Verändern des Gleichtakt-Referenzpotentials kann die Resonanzfrequenz des aus den ersten Federn 4 und der Masse 2 gebildeten primären Oszillators auf die Resonanzfrequenz des aus den zweiten Federn ό und der Masse 2 und gebildeten sekundären
Resonators abgestimmt werden. Dadurch wird eine hohe Sensitivität der Messeinrichtung 1 1 ermöglicht.The common mode reference potential is adjustable and is generated by means of a reference voltage source not shown in the drawing. By varying the common mode reference potential, the resonant frequency of the primary oscillator formed from the first springs 4 and the mass 2 can be tuned to the resonant frequency of the secondary formed from the second springs ό and the masses 2 and Resonator be tuned. This allows a high sensitivity of the measuring device 1 1.
Der erste Operationsverstärker 1 8 weist zusätzlich zu dem nichtinvertierenden Eingangsanschluss 15a einen nichtinvertierenden Hilfeeingang 24a und zusätzlich zu dem invertierenden Eingangsanschluss 15b einen invertierenden Hilfeeingang 24b auf Der invertierende Ausgangsanschluss 20b ist über ein erstes Widerstandselement 25a mit einem nichtinvertierenden Tiefbasseingang 26a eines Tiefbasses 27 verbunden. Der nichtinvertierende Ausgangsanschluss 20a ist über ein zweites Widerstandselement 25b mit einem invertierenden Tiefbasseingang 26b des Tiefbasses 27 verbunden.The first operational amplifier 118 has, in addition to the noninverting input terminal 15a, a noninverting help input 24a and an inverting help input 24b in addition to the inverting input terminal 15b. The inverting output terminal 20b is connected to a noninverting lowbass input 26a of a low bass 27 via a first resistive element 25a. The non-inverting output terminal 20a is connected via a second resistor element 25b to an inverting low-bass input 26b of the low-pass filter 27.
Ein drittes Widerstandselement 25c verbindet den nichtinvertierenden Eingangsanschluss 26a mit dem invertierenden Eingangsanschluss 2όb des Tiefpasses 27. Dadurch wird eine größere Ausgangsamplitude des ersten Operationsverstärkers 18 ermöglicht.A third resistance element 25c connects the non-inverting input terminal 26a to the inverting input terminal 2όb of the low-pass filter 27. This allows a larger output amplitude of the first operational amplifier 18.
Zur Einstellung des Arbeitspunkts des ersten Operationsverstärkers 1 8 ist ein nichtin- vertierender Tiefpassausgang 28a des Tiefpasses 27 mit dem nichtinvertierenden Hilfeeingang 24a des ersten Operationsverstärkers 1 8 und ein invertierender zweiter Tiefpassausgang 28b des Tiefpasses 27 mit dem invertierenden Hilfeeingang 24b des ersten Operationsverstärkers 18 verbunden.To set the operating point of the first operational amplifier 18, a non-inverting low-pass output 28a of the low-pass filter 27 is connected to the non-inverting help input 24a of the first operational amplifier 118 and an inverting second low-pass output 28b of the low-pass filter 27 is connected to the inverting help input 24b of the first operational amplifier 18.
In Fig. 4 ist erkennbar, dass der nichtinvertierende Hilfeeingang 24a des ersten Operationsverstärkers 1 8 durch das Gate eines ersten MOSFET 29a gebildet ist, zu dessen Source-Drain-Strecke eine erste Stromquelle 30a parallel geschaltet ist. Die4, it can be seen that the non-inverting help input 24a of the first operational amplifier 18 is formed by the gate of a first MOSFET 29a, to the source-drain path of which a first current source 30a is connected in parallel. The
Source des ersten MOSFETs 29a ist mit einem ersten Versorgungsspannungsan- schluss verbunden. Mit der Source-Drain-Strecke eines ersten MOSFETs 29a ist dieSource of the first MOSFET 29a is connected to a first supply voltage terminal. With the source-drain path of a first MOSFET 29a is the
Source-Drain-Strecke eines zweiten MOSFET 31 a in Reihe geschaltet, dessen Gate den invertierenden Eingangsanschluss 15b bildet.Source-drain path of a second MOSFET 31 a connected in series, the gate of which forms the inverting input terminal 15 b.
In einem die Drain des ersten MOSFETs 29a mit der Drain des zweiten MOSFETs 31 a verbindenden ersten Schaltungszweig ist der nichtinvertierende Ausgangsanschluss 20a angeordnet. Die Source des zweiten MOSFETs 31 a ist über eine zweite Strom- quelle 30b mit einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss verbunden.
Der invertierende Hilfteingαng 24b des ersten Operationsverstärkers 1 8 ist durch das Gate eines dritten MOSFET 29b gebildet, zu dessen Source-Drain-Strecke eine dritte Stromquelle 30c parallel geschaltet ist. Die Source des dritten MOSFETs 29b ist mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss verbunden. Mit der Source-Drain- Strecke des dritten MOSFETs 29b ist die Source-Drain-Strecke eines vierten MOSFET 31 b in Reihe geschaltet, dessen Gate den nichtinvertierenden Eingangsanschluss 15a des Ladungsintegrators l ό bildet. In einem die Drain des dritten MOSFET 29b mit der Drain des vierten MOSFETs 31 b verbindenden zweiten Schaltungszweig ist der invertierende Ausgangsanschluss 20b angeordnet. Die Source des vierten MOSFETs 31 b ist über die zweite Stromquelle 30b mit dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss verbunden.In a first circuit branch connecting the drain of the first MOSFET 29a to the drain of the second MOSFET 31a, the non-inverting output terminal 20a is arranged. The source of the second MOSFET 31 a is connected via a second current source 30 b to a second supply voltage terminal. The inverting auxiliary input 24b of the first operational amplifier 118 is formed by the gate of a third MOSFET 29b to whose source-drain path a third current source 30c is connected in parallel. The source of the third MOSFET 29b is connected to the first supply voltage terminal. Connected in series with the source-drain path of the third MOSFET 29b is the source-drain path of a fourth MOSFET 31b whose gate forms the non-inverting input connection 15a of the charge integrator 1 '. In a second circuit branch connecting the drain of the third MOSFET 29b to the drain of the fourth MOSFET 31b, the inverting output terminal 20b is arranged. The source of the fourth MOSFET 31 b is connected via the second current source 30 b to the second supply voltage terminal.
In Fig. 4 ist außerdem erkennbar, dass der Tiefpass 27 eine erste spannungsge- steuerte Stromquelle 32 (Gm-ZeIIe) mit einem nichtinvertierenden Eingang 33a und einem invertierenden Eingang 33b aufweist. Der nichtinvertierende Eingang 33a ist am invertierenden Ausgangsanschluss 20b und der invertierende Eingang 33b am nichtinvertierenden Ausgangsanschluss 20a des ersten Operationsverstärkers 1 8 angeschlossen.It can also be seen in FIG. 4 that the low-pass filter 27 has a first voltage-controlled current source 32 (Gm cell) with a noninverting input 33a and an inverting input 33b. The noninverting input 33a is connected to the inverting output terminal 20b and the inverting input 33b to the noninverting output terminal 20a of the first operational amplifier 118.
Die erste spannungsgesteuerte Stromquelle 32 weist ferner einen nichtinvertierenden Ausgang 34a und einen invertierenden Ausgang 34b auf Der nichtinvertierende Ausgang 34a ist über die Source-Drain-Strecke eines fünften MOSFETs 35a mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss und der invertierende Ausgang 34b ist über die Source-Drain-Strecke eines sechsten MOSFETs 35b mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss verbunden. Der nichtinvertierende Ausgang 34a ist an einem ersten Eingang eines Millerintegrators 36 und der invertierende Ausgang 34b an einem zweiten Eingang des Millerintegrators 36 angeschlossen. Die beiden Ausgänge 34a, 34b sind außerdem jeweils mit einem Anschluss einer ersten Hilftschaltung 37 verbunden. An der ersten Hilfeschaltung 37 sind auch die Gates des fünften MOSFETs 35a und sechsten MOSFETs 35b angeschlossen.The first voltage controlled current source 32 further includes a non-inverting output 34a and an inverting output 34b. The noninverting output 34a is across the source-drain path of a fifth MOSFET 35a having the first supply voltage terminal and the inverting output 34b is across the source-drain path of a sixth MOSFET 35b connected to the first supply voltage terminal. Non-inverting output 34a is connected to a first input of miller integrator 36 and inverting output 34b to a second input of miller integrator 36. The two outputs 34a, 34b are also each connected to a terminal of a first Hilftschaltung 37. At the first auxiliary circuit 37, the gates of the fifth MOSFET 35a and sixth MOSFETs 35b are also connected.
In Fig. 5 ist erkennbar, dass die erste spannungsgesteuerte Stromquelle 32 einen ersten Tranconductor 38a und einen zweiten Transconductor 38b aufweist. Der nichtinvertierende Tiefpasseingang 26a ist mit einem Eingang des ersten Trans-
conductors 38α und der invertierende Tiefbαsseingαng 26b ist mit einem Eingang des zweiten Transconductors 38b verbunden.5, it can be seen that the first voltage-controlled current source 32 has a first tranconductor 38a and a second transconductor 38b. The non-inverting low-pass input 26a is connected to an input of the first transponder. conductors 38α and the inverting low-pass filter 26b is connected to an input of the second transconductor 38b.
Der nichtinvertierende Tiefpassausgang 28a ist mit dem nichtinvertierenden Ausgang 34a des ersten Transconductors 38a und der invertierende Tiefpassaus- gang 28b mit dem invertierenden Ausgang 34b des zweiten Transconductors 38b verbunden. Der Ausgang 34b des zweiten Transconductors 38b ist über einen ersten Gegenkopplungszweig 39a mit einem ersten θegenkopplungsanschluss 40a des ersten Transconductors 38a und der Ausgang 34a des ersten Transcon- ductors 38a über einen zweiten θegenkopplungszweig 39b mit einem zweiten θegenkopplungsanschluss 40b des zweiten Transconductors 38b verbunden. Durch die Gegenkopplungen wird eine bessere Linearisierung der Messsignale der primären Sensoren 9a, 9b ermöglicht.The non-inverting low-pass output 28a is connected to the non-inverting output 34a of the first transconductor 38a and the inverting low-pass output 28b to the inverting output 34b of the second transconductor 38b. The output 34b of the second transconductor 38b is connected via a first negative feedback branch 39a to a first reverse-connection terminal 40a of the first transconductor 38a and the output 34a of the first transconductor 38a to a second reverse-input terminal 40b of the second transconductor 38b via a second cross-coupling branch 39b. The negative feedback enables a better linearization of the measurement signals of the primary sensors 9a, 9b.
Der Ausgang 34a ist über einen ersten Pfad, der eine Source-Drain-Strecke eines ersten FETs 41 a und eine damit in Reihe geschaltete vierte Stromquelle 42a umfasst mit einem Bezugspotentialanschluss 43 verbunden. Der Ausgang 34b ist über einen zweiten Pfad, der eine Source-Drain-Strecke eines zweiten FETS 41 b und eine damit in Reihe geschaltete fünfte Stromquelle 42b umfässt, mit dem Bezugspo- tentialanschluss 43 verbunden.The output 34a is connected to a reference potential terminal 43 via a first path comprising a source-drain path of a first FET 41a and a fourth current source 42a connected in series therewith. The output 34b is connected to the reference potential terminal 43 via a second path comprising a source-drain path of a second FET 41b and a fifth current source 42b connected in series therewith.
In Fig. 2 ist erkennbar, dass die Ansteuereinrichtung 10 der Aktoren 7a, 7b einen Integrationsverstärker 44 aufweist, der im Oszillator-Regelkreis zwischen dem Ausgangsanschluss 20a, 20b des Ladungsintegrators 16 und den Aktoren 7a, 7b angeordnet ist.FIG. 2 shows that the control device 10 of the actuators 7a, 7b has an integration amplifier 44, which is arranged in the oscillator control circuit between the output terminal 20a, 20b of the charge integrator 16 and the actuators 7a, 7b.
Zwischen den Ausgangsanschlüssen 20a, 20b des Ladungsintegrators 16 und einem Eingang des Integrationsverstärkers 44 ist ein Stellglied 45 zur Einstellung der Schleifenverstärkung des Oszillator-Regelkreises angeordnet ist. Das Stellglied 45 weist ein Multiplizierglied 46 auf, das zwischen dem Ladungsintegrator 16 und dem Integrationsverstärker 44 im Oszillator-Regelkreis angeordnet ist. Das Multiplizierglied 46 hat differentielle erste Multipliziergliedeingänge 47a, 47b, einen zweiten Multipliziergliedeingang 48 und einen differentiellen Multipliziergliedausgang 49a, 49b.
Die Ausgαngsαnschlüsse 20α, 20b des Ladungsintegrators 16 sind jeweils mit einem ersten Multipliziergliedeingang 47a, 47b und zusätzlich über einen Amplitudenregler 50 mit dem zweiten Multipliziergliedeingang 48 verbunden. Die Multipliziergliedausgänge 49a, 49b sind derart mit differentiellen Eingängen des Integrati- onsverstärkers 44 verbunden, dass das mit Hilfe der Sensoren 9a, 9b erfasste Positionsmesssignal der Masse 2 in Form eines Negativpositionssignals zu den Aktoren 7a, 7b weitergeleitet wird. Das Positionsmesssignal wird also in negativer oder invertierter Form zu den Aktoren 7a, 7b rückgekoppelt.Between the output terminals 20a, 20b of the charge integrator 16 and an input of the integration amplifier 44, an actuator 45 is arranged for adjusting the loop gain of the oscillator control loop. The actuator 45 has a multiplier 46, which is arranged between the charge integrator 16 and the integration amplifier 44 in the oscillator control loop. The multiplier 46 has differential first multiplier inputs 47a, 47b, a second multiplier input 48 and a differential multiplier output 49a, 49b. The Ausgαngsαnschlüsse 20α, 20b of the charge integrator 16 are each connected to a first multiplier input 47a, 47b and additionally via an amplitude regulator 50 to the second multiplier input 48. The multiplier outputs 49a, 49b are connected to differential inputs of the integration amplifier 44 in such a way that the position measuring signal of the mass 2 detected with the aid of the sensors 9a, 9b is forwarded to the actuators 7a, 7b in the form of a negative position signal. The position measuring signal is thus fed back in negative or inverted form to the actuators 7a, 7b.
In Fig. ό ist erkennbar, dass das Multiplizierglied 46 eine Gilbert-Zelle aufweist, die mit einer zweiten Hilfeschaltung 51 verbunden ist. Außerdem ist erkennbar, dass der Integrationsverstärker 44 einen zweiten Operationsverstärker 52 hat, dessen nichtinvertierender Ausgang über einen dritten Integrationskondensator 53a mit einem invertierenden Verstärkereingang des zweiten Operationsverstärkers 52 verbunden ist. In entsprechender Weise ist ein invertierender Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 52 über einen vierten Integrationskondensator 53b mit einem nichtinvertierenden Verstärkereingang des zweiten Operationsverstärkers 52 verbunden. Die differentiellen Ausgänge des zweiten Operationsverstärkers 52 sind außerdem über eine Tiefpassschaltung 54 mit der zweiten Hilfeschaltung 51 gekoppelt.In Fig. Ό it can be seen that the multiplier 46 has a Gilbert cell, which is connected to a second auxiliary circuit 51. In addition, it can be seen that the integration amplifier 44 has a second operational amplifier 52 whose non-inverting output is connected via a third integration capacitor 53a to an inverting amplifier input of the second operational amplifier 52. Similarly, an inverting output of the second operational amplifier 52 is connected to a noninverting amplifier input of the second operational amplifier 52 via a fourth integrating capacitor 53b. The differential outputs of the second operational amplifier 52 are also coupled to the second auxiliary circuit 51 via a low-pass circuit 54.
In Fig. 7 ist erkennbar, dass der Amplitudenregler einen Vollwellen-Θleichrichter 55 aufweist, der difϊerentielle Gleichrichtereingänge 56a, 5όb hat, die über eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle 60 mit den Ausgangsanschlüssen 20a, 20b des Ladungsintegrators 16 verbunden sind. Ein θleichrichterausgang 57 des Vollwellen- Gleichrichters 55 ist außerdem über ein als Hochpass ausgestaltetes Schleifenfilter 58 mit einem Bezugspotential verbunden. Am Gleichrichterausgang 57 ist eine sechste Stromquelle 59 angeschlossen, mittels der die Verstärkung im Oszillator- Regelkreis gesteuert wird. Ferner ist der Gleichrichterausgang 57 am zweiten Multipliziergliedeingang 48 angeschlossen, um ein Stellsignal für die Einstellung der Schleifenverstärkung an den zweiten Multipliziergliedeingang 48 anzulegen.In FIG. 7 it can be seen that the amplitude regulator comprises a full-wave rectifier 55 which has differential rectifier inputs 56a, 5b which are connected to the output terminals 20a, 20b of the charge integrator 16 via a second voltage-controlled current source 60. An θgleichrichterausgang 57 of the full-wave rectifier 55 is also connected via a designed as a high-pass loop filter 58 to a reference potential. At the rectifier output 57, a sixth current source 59 is connected, by means of which the gain in the oscillator control loop is controlled. Furthermore, the rectifier output 57 is connected to the second multiplier input 48 in order to apply a setting signal for setting the loop gain to the second multiplier input 48.
In Fig. 8 ist erkennbar, dass die Schleifenverstärkung des Oszillator-Regelkreises bei der Resonanz-Grundfrequenz des aus den ersten Federn 4 und der Masse 2 gebildeten Primär-Resonators ein Maximum aufweist und dass dieses Maximum
gleich 1 ist. Bei der ersten Harmonischen Resonanz-Grundfrequenz ist die Schleifenverstärkung stark gedämpft und kleiner als 1. Bei Harmonischen höherer Ordnung dämpft der Oszillator-Regelkreis die Schwingung sogar noch stärker. Dadurch ist sichergestellt dass der Primär-Resonator durch die Aktoren 7 a, 7b stets mit der Resonanz-Θrundfrequenz angeregt wird.In FIG. 8 it can be seen that the loop gain of the oscillator control loop has a maximum at the resonant fundamental frequency of the primary resonator formed from the first springs 4 and the mass 2 and that this maximum is equal to 1. At the first harmonic fundamental resonant frequency, the loop gain is severely attenuated and less than 1. For higher order harmonics, the oscillator loop attenuates the oscillation even more. This ensures that the primary resonator is always excited by the actuators 7a, 7b at the resonant fundamental frequency.
Der mikroelektromechanische Oszillator hat also einen Schwingungserreger, der mindestens einen Aktor 7a, 7b und eine Ansteuereinrichtung 10 dafür aufweist. Der Aktor 7a, 7b steht mit einer in Schwingung zu versetzenden Masse 2 in Antriebsver- bindung. Der Oszillator hat eine Messvorrichtung 8 zur Erfassung eines von der Schwingung der Masse 2 abhängigen Messsignals. Die Messvorrichtung 8 ist derart mit der Ansteuereinrichtung 10 in einen Oszillator-Regelkreis geschaltet, dass die Masse 2 zur Schwingung mit einer Resonanzfrequenz angeregt wird. Die Messvorrichtung 8 umfasst mindestens einen mikroelektromechanischen kapaziti- ven Sensor 9a, 9b, der Elektroden aufweist, die in Abhängigkeit von der Auslenkung der Masse 2 aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind. Die Messvorrichtung 8 weist einen Ladungsintegrator l ό auf; der im Oszillator-Regelkreis angeordnet ist und mit mindestens einem Eingangsanschluss 1 5a, 1 5b mit dem Sensor 9a, 9b und mit wenigstens einem Ausgangsanschluss 20a, 20b mit der Ansteuereinrichtung 1 0 verbunden ist. Die Ansteuereinrichtung 1 0 weist einen Integrationsverstärker 44 im Oszillator-Regelkreis auf Im Oszillator-Regelkreis ist außerdem ein Stellglied 45 zur Einstellung der Schleifenverstärkung des Oszillator- Regelkreises angeordnet. Das Stellglied 45 steht mit einem Amplitudenregler 50 für den Oszillator-Regelkreis in Steuerverbindung.
The microelectromechanical oscillator thus has a vibration exciter which has at least one actuator 7a, 7b and a drive device 10 therefor. The actuator 7a, 7b is in drive connection with a mass 2 to be vibrated. The oscillator has a measuring device 8 for detecting a dependent of the vibration of the mass 2 measuring signal. The measuring device 8 is connected to the control device 10 in an oscillator control loop such that the mass 2 is excited to vibrate at a resonant frequency. The measuring device 8 comprises at least one microelectromechanical capacitive sensor 9a, 9b, which has electrodes which are movable towards and away from one another as a function of the deflection of the mass 2. The measuring device 8 has a charge integrator 1 ό; which is arranged in the oscillator control loop and is connected to at least one input terminal 1 5a, 1 5b to the sensor 9a, 9b and at least one output terminal 20a, 20b to the drive means 1 0. The drive device 10 has an integration amplifier 44 in the oscillator control loop. In addition, an actuator 45 for adjusting the loop gain of the oscillator control loop is arranged in the oscillator control circuit. The actuator 45 is in control connection with an amplitude regulator 50 for the oscillator control loop.
Claims
1. Mikroelektrornechanischer Oszillator mit einem Schwingungserreger, der mindestens einen Aktor (7a, 7b) und eine Ansteuereinrichtung (1 0) dafür auf- weist, wobei der Aktor (7a, 7b) mit einer in Schwingung zu versetzenden1. Mikroelektrornechanischer oscillator with a vibration exciter, the at least one actuator (7a, 7b) and a drive means (1 0) therefor, wherein the actuator (7a, 7b) to be offset with a to be vibrated
Masse (2) in Antriebsverbindung steht, mit einer Messvorrichtung (8) zur Erfassung eines von der Schwingung der Masse (2) abhängigen Messsignals, wobei die Messvorrichtung (8) derart mit der Ansteuereinrichtung (1 0) in einen Oszillator-Regelkreis geschaltet ist, dass die Masse (2) zur Schwingung mit einer Resonanzfrequenz angeregt wird, wobei die Messvorrichtung (8) mindestens einen mikroelektromechanischen kapazitiven Sensor (9a, 9b) umfasst, der Elektroden aufweist, die in Abhängigkeit von der Auslenkung der Masse (2) aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (8) im Oszillator-Regelkreis ein Positionssensor-Interfdce aufweist, das mit mindestens einem Eingangs- anschluss (1 5a, 1 5b) mit dem Sensor (9a, 9b) und mit wenigstens einem Aus- gangsanschluss (20a, 20b) mit der Ansteuereinrichtung (1 0) verbunden ist, und dass im Oszillator-Regelkreis ein Phasenschieber vorgesehen ist.Mass (2) is in drive connection, with a measuring device (8) for detecting a dependent of the vibration of the mass (2) measuring signal, the measuring device (8) is so connected to the drive means (1 0) in an oscillator control loop, in that the mass (2) is excited to oscillate at a resonant frequency, wherein the measuring device (8) comprises at least one microelectromechanical capacitive sensor (9a, 9b) having electrodes facing one another in dependence on the deflection of the mass (2) are movable away from one another, characterized in that the measuring device (8) in the oscillator control loop has a position sensor Interfdce with at least one input terminal (1 5a, 1 5b) with the sensor (9a, 9b) and at least one Output terminal (20a, 20b) with the drive means (1 0) is connected, and that in the oscillator control loop, a phase shifter is provided.
2. Mikroelektromechanischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Oszillator-Regelkreis vorzugsweise zwischen dem Positionssensor-Interfdce und dem Phasenschieber ein Stellglied (45) zur Einstellung der Schleifenverstärkung des Oszillator-Regelkreises angeordnet ist, und dass das Stellglied (45) mit einem Amplitudenregler (50) für den Oszillator- Regelkreis in Steuerverbindung steht.2. Microelectromechanical oscillator according to claim 1, characterized in that in the oscillator loop preferably between the position sensor Interfdce and the phase shifter an actuator (45) for adjusting the loop gain of the oscillator control loop is arranged, and that the actuator (45) with a Amplitude regulator (50) for the oscillator control loop is in control connection.
3. Mikroelektromechanischer Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenschieber vorzugsweise als Integrationsverstärker (44) ausgestaltet ist.3. Microelectromechanical oscillator according to claim 1 or 2, characterized in that the phase shifter is preferably designed as an integration amplifier (44).
4. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (45) zur Einstellung der Schleifenverstärkung des Oszillator-Regelkreises zwischen dem Ausgangsan- schluss (20a, 20b) des Positionssensor-Interfaces und einem Eingang des Phasenschiebers angeordnet ist. 4. Microelectromechanical oscillator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the actuator (45) for adjusting the loop gain of the oscillator control loop between the output terminal (20a, 20b) of the position sensor interface and an input of the phase shifter is arranged ,
5. Mikroelektromechαnischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (45) zur Einstellung der Schleifenverstärkung ein Multiplizierglied (46) aufweist, das mit einem ersten Multip- liziergliedeingang (47a, 47b) mit dem Ausgangsanschluss (20a, 20b) des Positionssensor-Interfaces, mit einem zweiten Multipliziergliedeingang (47b) mit einem Reglerausgang eines Amplitudenreglers (50) und mit einem Multipliziergliedausgang (49a, 49b) mit dem Eingang des Phasenschiebers verbunden ist, dass der Amplitudenregler (50) einen mit dem Ausgangsanschluss (20a, 20b) des Positionssensor-Interfaces verbundenen Reglereingang aufweist.5. Mikroelektromechαnischer oscillator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the actuator (45) for adjusting the loop gain comprises a multiplier (46) having a first multiplier member input (47a, 47b) with the output terminal (20a, 20b) of the position sensor interface, having a second multiplier input (47b) connected to a regulator output of an amplitude regulator (50) and a multiplier output (49a, 49b) connected to the input of the phase shifter, the amplitude regulator (50) connected to the output connector (50). 20a, 20b) of the position sensor interface has associated controller input.
ό. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Multiplizierglied (46) eine spannungsge- steuerte Stromquelle aufweist, insbesondere eine Gilbert-Zelle.ό. Microelectromechanical oscillator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the multiplier (46) comprises a voltage-controlled current source, in particular a Gilbert cell.
7. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis ό, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplitudenregler (50) einen Gleichrichter (55) aufweist, der mit einem Gleichrichtereingang (56a, 56b) mit dem Aus- gangsanschluss (20a, 20b) des Positionssensor-Interfaces und mit einem7. The microelectromechanical oscillator according to claim 1, characterized in that the amplitude regulator (50) has a rectifier (55) which is connected to a rectifier input (56a, 56b) to the output terminal (20a, 20b) of the position sensor. Interfaces and with one
Gleichrichterausgang (57) mit einem Schleifenfilter und in der Folge dem zweiten Multipliziergliedeingang verbunden ist.Rectifier output (57) is connected to a loop filter and subsequently to the second multiplier input.
8. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleichrichterausgang (57) und dem zweiten Multipliziergliedeingang (47b) ein Addier- und/oder Subtrahierglied angeordnet ist, das mit einem ersten Eingang direkt oder indirekt mit dem Gleichrichterausgang (57), mit einem zweiten Eingang mit einem Referenzwertgeber und mit einem Ausgang direkt oder indirekt mit dem zweiten Multipliziergliedeingang (47b) verbunden ist.8. Microelectromechanical oscillator according to one of claims 1 to 7, characterized in that between the rectifier output (57) and the second multiplier input (47b) an adder and / or subtractor is arranged, with a first input directly or indirectly with the rectifier output (57), having a second input connected to a reference value transmitter and having an output directly or indirectly connected to the second multiplier input (47b).
9. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionssensor-Interface einen Operationsverstärker (1 8) aufweist, der mindestens den Eingangsanschluss (1 5a, 1 5b) bildenden Verstärkereingang und wenigstens einen den Ausgangsan- Schluss (20α, 20b) bildenden Verstörkerαusgαng hat der über mindestens einen Integrationskondensator (19a, 19b) mit dem Eingangsanschluss (1 5a, 1 5b) rückgekoppelt ist, und dass der mindestens eine Eingangsanschluss (1 5a, 1 5b) über einen hochohmigen elektrischen Widerstand (21 a, 21 b) mit einem Anschluss (22) ftjr ein elektrisches Θleichtakt-Referenzpotential verbunden ist.9. microelectromechanical oscillator according to one of claims 1 to 8, characterized in that the position sensor interface comprises an operational amplifier (1 8), the at least the input terminal (1 5a, 1 5b) forming the amplifier input and at least one of the Ausgangsan Closing (20α, 20b) Verstörkerαusgαng has the at least one integration capacitor (19a, 19b) is fed back to the input terminal (1 5a, 1 5b), and that the at least one input terminal (1 5a, 1 5b) via a high-resistance electrical resistance (21 a, 21 b) is connected to a terminal (22) for an electrical common-mode reference potential.
10. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der hochohmige elektrische Widerstand (21 a, 21 b) durch einen FET, insbesondere einen MOSFET gebildet ist, der mit seiner Source-Drain-Strecke den Eingangsanschluss (1 5a, 1 5b) mit dem Anschluss (22) für das Gleichtakt-Referenzpotential verbindet und mit seinem Gate an einer Steuerspannung anliegt.10. Microelectromechanical oscillator according to one of claims 1 to 9, characterized in that the high-resistance electrical resistance (21 a, 21 b) by an FET, in particular a MOSFET is formed, with its source-drain path, the input terminal (1 5a , 1 5b) connects to the connection (22) for the common-mode reference potential and is applied with its gate to a control voltage.
1 1. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannung kleiner als die Schwellenspannung des MOSFETs ist.1 1. microelectromechanical oscillator according to one of claims 1 to 1 0, characterized in that the control voltage is smaller than the threshold voltage of the MOSFET.
12. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Erzeugen der Steuerspannung eine12. microelectromechanical oscillator according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that they are for generating the control voltage a
Spannungsquelle (23) aufweist, deren Quellenausgang mit dem Gate des MOSFETs verbunden ist, und dass die Spannungsquelle (23) eine Steuereingang hat, der derart mit dem Anschluss (22) für das Gleichtakt- Referenzpotential in Steuerverbindung steht, dass beim Auftreten einer Ände- rung des Gleichtakt-Referenzpotentials der elektrische Widerstand der Source-Drain-Strecke des MOSFETs im Wesentlichen konstant bleibt.Voltage source (23), the source output of which is connected to the gate of the MOSFET, and in that the voltage source (23) has a control input which is in control connection with the common-mode reference potential terminal (22). tion of the common mode reference potential, the electrical resistance of the source-drain path of the MOSFET remains substantially constant.
1 3. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 1 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor (9a, 9b) als differentiel- ler Sensor mit einem nichtinvertierenden ersten Messsignalausgang und einem invertierenden zweiten Messsignalausgang und der Operationsverstärker (1 8) als differentieller Operationsverstärker (1 8) mit einem nichtinvertierenden ersten Eingangsanschluss (1 5a), einem invertierenden zweiten Eingangsanschluss (1 5b), einem nichtinvertierenden ersten Ausgangsanschluss (20a) und einem invertierenden zweiten Ausgangsanschluss (20b) ausgestal- tet ist, dass der erste Messsignalausgang mit dem ersten Eingangsanschluss (1 5a) und der zweite Messsignalausgang mit dem zweiten Eingangsanschluss (1 5b) verbunden ist, dass der erste Ausgangsanschluss (2Oa) über einen ersten Integrationskondensator (19a) mit dem zweiten Eingangsan- Schluss (1 5b) und der zweite Ausgangsanschluss (20b) über einen zweiten Integrationskondensator (19b) mit dem ersten Eingangsanschluss (1 5a) rückgekoppelt ist, und dass der erste Eingangsanschluss (1 5a) über einen hoch- ohmigen ersten Widerstand (21 a) und der zweite Eingangsanschluss über einen hochohmigen zweiten Widerstand (21 b) mit dem Anschluss (22) für das Θleichtakt-Referenzpotential verbunden ist.1 3. Microelectromechanical oscillator according to one of claims 1 to 1 2, characterized in that the capacitive sensor (9a, 9b) as a differential sensor with a non-inverting first measurement signal output and an inverting second measurement signal output and the operational amplifier (1 8) as a differential Operational amplifier (1 8) having a non-inverting first input terminal (1 5a), an inverting second input terminal (1 5b), a non-inverting first output terminal (20a), and an inverting second output terminal (20b). tet is that the first measuring signal output to the first input terminal (1 5a) and the second measuring signal output to the second input terminal (1 5b) is connected, that the first output terminal (2Oa) via a first integration capacitor (19a) with the second input terminal (1 5b) and the second output terminal (20b) via a second integration capacitor (19b) with the first input terminal (1 5a) is fed back, and that the first input terminal (1 5a) via a high-resistance first resistor (21 a) and the second input terminal is connected to the common mode reference potential terminal (22) via a high resistance second resistor (21b).
14. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Operationsverstärker (1 8) zusätzlich zu dem ersten Eingangsanschluss (15a, 1 5b) einen ersten nichtinvertierenden Hilfseingang (24a) und zusätzlich zu dem zweiten Eingangsanschluss (1 5b) einen zweiten invertierenden Hilfseingang (24b) aufweist, dass der zweite Ausgangsanschluss (20b) mit einem nichtinvertierenden ersten Tiefpasseingang (2όa) eines Tiefpasses (27) und der erste Ausgangsanschluss (20a) mit einem invertierenden zweiten Tiefpasseingang (26b) des Tiefpasses (27) ver- bunden ist, und dass ein nichtinvertierender erster Tiefbassausgang (28a) mit dem ersten Hilfseingang (24a) und ein invertierender zweiter Tiefpassausgang (28b) des Tiefpasses (27) mit dem zweiten Hilfseingang (24b) verbunden ist.14. Microelectromechanical oscillator according to one of claims 1 to 1 3, characterized in that the operational amplifier (1 8) in addition to the first input terminal (15a, 1 5b) a first non-inverting auxiliary input (24a) and in addition to the second input terminal (1 5b ) has a second inverting auxiliary input (24b), that the second output terminal (20b) with a non-inverting first low-pass input (2όa) of a low-pass filter (27) and the first output terminal (20a) with an inverting second low-pass input (26b) of the low-pass filter (27) and that a non-inverting first low-bass output (28a) is connected to the first auxiliary input (24a) and an inverting second low-pass output (28b) of the low-pass filter (27) is connected to the second auxiliary input (24b).
1 5. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 1 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausgangsanschluss (20b) über einen erstes Widerstandselement (25a) mit dem ersten Tiefpasseingang (26a) und der erste Ausgangsanschluss (20a) über einen zweites Widerstandselement (25b) mit dem zweiten Tiefbasseingang (2όb) verbunden ist, und dass der erste Tiefpasseingang (2όb) über ein drittes Widerstandselement (25c) mit dem zweiten Tiefpasseingang (26b) verbunden ist.1 5. microelectromechanical oscillator according to one of claims 1 to 1 4, characterized in that the second output terminal (20b) via a first resistance element (25a) with the first low-pass input (26a) and the first output terminal (20a) via a second resistance element ( 25b) is connected to the second Tiefbasseingang (2όb), and that the first Tiefpasseingang (2όb) via a third resistance element (25c) to the second Tiefpasseingang (26b) is connected.
16. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 1 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefpass (27) mindestens eine span- nungsgesteuerte Stromquelle (32) aufweist, deren Ausgang mit einem Integrationseingang eines Miller-Integrators (36) verbunden ist.16. microelectromechanical oscillator according to one of claims 1 to 1 5, characterized in that the low pass (27) at least one span- voltage-controlled current source (32) whose output is connected to an integration input of a Miller integrator (36).
17. Mikroelektromechanischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Tiefpasseingang (26a) mit einem17. Microelectromechanical oscillator according to one of claims 1 to 16, characterized in that the first low-pass input (26 a) with a
Eingang eines ersten Transconductors (38a) und der zweite Tiefpasseingang (2όb) mit einem Eingang eines zweiten Transconductors (38b) verbunden ist, dass der erste Tiefpassausgang (28a) mit einem Ausgang des ersten Transconductors (38a) und der zweite Tiefpassausgang (28b) mit einem Ausgang des zweiten Transconductors (38b) verbunden ist, und dass der Ausgang des zweiten Transconductors (38b) über einen ersten θegenkopplungszweig (39a) mit einem ersten Gegenkopplungsanschluss (40a) des ersten Transconductors (38a) und der Ausgang des ersten Transconductors (38a) über einen zweiten θegenkopplungszweig (39b) mit einem zweiten θegenkopp- lungsanschluss (40b) des zweiten Transconductors (38b) verbunden ist. Input of a first transconductor (38a) and the second low-pass input (2όb) is connected to an input of a second transconductor (38b), that the first low-pass output (28a) with an output of the first transconductor (38a) and the second low-pass output (28b) an output of the second transconductor (38b) is connected, and that the output of the second transconductor (38b) via a first egenegenkopplungszweig (39a) with a first negative feedback terminal (40a) of the first Transconductors (38a) and the output of the first Transconductors (38a) via a second kopegenkopplungszweig (39b) with a second egenegenkopp- connection (40b) of the second Transconductors (38b) is connected.
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