專利名稱：Mems陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的補(bǔ)償方法及電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于微電子集成電路設(shè)計(jì)及微電子MEMS領(lǐng)域中電容式振動(dòng)陀螺檢測(cè)及控制 電路中的電容檢測(cè)技術(shù)，具體涉及一種MEMS陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的補(bǔ)償方法及 電路。
背景技術(shù)：
電容式MEMS振動(dòng)陀螺在軍事、工業(yè)控制、汽車及消費(fèi)類電子等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的 應(yīng)用前景，極微小電容(通常在10—21~10'15法拉量級(jí))的檢測(cè)電路是電容式MEMS陀螺系 統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一。該組件由陀螺差分檢測(cè)電容和C/V (Capacitance to Voltage)轉(zhuǎn)換電路 組成。
電荷放大器(CSA: Charge Sensitive Amplifier)是最常見的C/V轉(zhuǎn)換電路之一，其檢 測(cè)精度主要由電路的噪聲決定。MEMS陀螺的差分檢測(cè)電容信號(hào)的頻率等于陀螺驅(qū)動(dòng)軸諧 振頻率，通常在幾KHz到幾十KHz左右，而在該頻段范圍內(nèi)，CMOS電路中MOS管的 1/f噪聲是主要的噪聲源，因此電容檢測(cè)電路的檢測(cè)精度主要由電路的l/f噪聲決定。為了 降低l/f噪聲的影響，通常在電容檢測(cè)電路中采用CHS (chopper stabilization)技術(shù)。
由于實(shí)際工藝加工的誤差，陀螺差分檢測(cè)電容存在失調(diào)電容(差分電容初始值之間的 差別)。在采用了 CHS技術(shù)的電荷放大器中，失調(diào)電容會(huì)同差分變化電容信號(hào)一起被調(diào)制、 放大和解調(diào)，通常失調(diào)電容的大小遠(yuǎn)大于變化電容信號(hào)的幅度，因此失調(diào)電容會(huì)降低電容 檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)范圍。
傳統(tǒng)的抑制失調(diào)電容的方法主要有兩種外加補(bǔ)償電壓和片上補(bǔ)償電容陣列。外加補(bǔ) 償電壓方式是通過外加幅度可調(diào)的電壓信號(hào)以抵消失調(diào)電容所引入的電壓輸出信號(hào)，片上 補(bǔ)償電容陣列方式是通過在陀螺差分檢測(cè)電容上并聯(lián)不同大小的電容，以補(bǔ)償差分檢測(cè)電 容之間的失調(diào)電容。外加補(bǔ)償電壓方式的補(bǔ)償精度由外加電壓幅度的精度決定的，需要外 圍電路來(lái)產(chǎn)生幅度可調(diào)的補(bǔ)償電壓，增加了電路系統(tǒng)的復(fù)雜度；片上補(bǔ)償電容陣列方式的 補(bǔ)償精度由電容陣列的最小電容決定，要實(shí)現(xiàn)高精度和大范圍的失調(diào)電容補(bǔ)償，就需要更 大的電容陣列和更多的控制信號(hào)，增加電路的復(fù)雜度和成本。由于工藝的限制，即使是同 一硅片上加工出來(lái)的陀螺，其差分失調(diào)電容的大小也各不相同，因此兩種傳統(tǒng)的失調(diào)電容 補(bǔ)償方法都需要針對(duì)每一個(gè)陀螺進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)試和校正，不利于實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種MEMS陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的 補(bǔ)償方法及電路。該補(bǔ)償方法無(wú)需針對(duì)每個(gè)陀螺進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試和校正。 本發(fā)明的技術(shù)方案是-
一種MEMS陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的補(bǔ)償方法，其步驟包括
1) 電荷放大器將MEMS陀螺的變化電容信號(hào)放大后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)被載 波調(diào)制到高頻，再經(jīng)過高通濾波器放大；
2) 放大后的信號(hào)經(jīng)過同步解調(diào)后，用低通濾波器提取反映失調(diào)電容大小的電壓信號(hào)；
3) 低通濾波器提取的電壓信號(hào)通過可變?cè)鲆娣糯笃鞣糯蟛⒄{(diào)制到高頻以產(chǎn)生負(fù)反饋電 壓，將上述負(fù)反饋電壓反饋到電荷放大器輸入端，與MEMS陀螺的變化電容信號(hào)中的失調(diào) 電容信號(hào)相減，實(shí)現(xiàn)失調(diào)電容的補(bǔ)償。
一種MEMS陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的補(bǔ)償電路，包括依次連接的電荷放大器、高 通濾波器、同步解調(diào)電路和低通濾波器，電荷放大器，用于完成C/V轉(zhuǎn)換以及調(diào)制；高通 濾波器，用于完成信號(hào)放大及濾波；同步解調(diào)電路，用于完成信號(hào)同步解調(diào)；以及低通濾 波器，用于對(duì)同步解調(diào)后的信號(hào)濾波，其特征在于，還包括一失調(diào)電容補(bǔ)償反饋回路，該 反饋回路由低通濾波器、可變?cè)鲆娣糯笃骱头答侂娙萁M成，其中，低通濾波器，用于對(duì)同 步解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行分離，提取反映失調(diào)電容大小的電壓信號(hào)；可變?cè)鲆娣糯笃鳎糜趯?低通濾波器提取的電壓信號(hào)放大并調(diào)制到高頻以產(chǎn)生負(fù)反饋電壓；反饋電容用于將負(fù)反饋 電壓耦合到電荷放大器的輸入端。
可變?cè)鲆娣糯笃鳛橐荒M乘法器。
同步解調(diào)電路可為一同步開關(guān)解調(diào)電路。
同步解調(diào)電路可為一模擬乘法器。
進(jìn)一步，上述失調(diào)電容的補(bǔ)償電路還包括一正弦波發(fā)生器和一高速比較器，正弦波發(fā) 生器用于產(chǎn)生高頻正弦載波，高速比較器用于產(chǎn)生與高頻正弦載波同步的解調(diào)方波。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
對(duì)于每一個(gè)陀螺來(lái)說(shuō)，失調(diào)電容為一個(gè)固定值，可以等效為直流輸入信號(hào)，而變化電 容信號(hào)等效為交流輸入信號(hào)(頻率等于陀螺驅(qū)動(dòng)軸的諧振頻率)，因此可以通過濾波在頻 域?qū)⑹д{(diào)電容信號(hào)和變化電容信號(hào)分離。利用乘法器將分離出的失調(diào)電容信號(hào)再次經(jīng)過載 波調(diào)制到高頻，然后將調(diào)制后的高頻信號(hào)負(fù)反饋到電荷放大器的輸入端，該高頻信號(hào)的幅度大小與分離出的失調(diào)電容信號(hào)的幅度成正比，因此利用該負(fù)反饋機(jī)制就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)失調(diào) 電容的自適應(yīng)補(bǔ)償。


圖1為常規(guī)CSA電路的電路圖2為具有失調(diào)電容自適應(yīng)補(bǔ)償功能的CSA電路的原理圖3為失調(diào)電容自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)囊环N具體實(shí)現(xiàn)的電路圖4為簡(jiǎn)化的失調(diào)電容自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)原理圖5為常規(guī)電荷放大器在存在失調(diào)電容時(shí)的輸出波形；
圖6為本發(fā)明所提出的電荷放大器在存在失調(diào)電容時(shí)的輸出波形。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述
參考圖1， Csp和Csn為陀螺差分檢測(cè)電容，Co+C。ff和Co-C。ff為差分檢測(cè)電容的初始值，
C。ff為差分檢測(cè)電容的失調(diào)電容，Cs為差分檢測(cè)電容的變化電容量，CLK/VAC是與高頻載 波Vae同步的同步解調(diào)方波。Cf、 Rf和AMPl組成電荷放大器，Cf2、 Rc和ICMFB組成輸 入共模反饋電路，C" C2、 R2和AMP2組成高通濾波器。 電荷放大器的輸出為
<formula>formula see original document page 5</formula> 式("
經(jīng)過高通濾波器、同步解調(diào)和低通濾波器LPF后的輸出為
<formula>formula see original document page 5</formula>式(2)
其中d/C2為高通濾波器的增益，LPF()表示低通濾波操作，sign表示符號(hào)操作，sign(Vac(t)) 表示產(chǎn)生與Vac同步的方波信號(hào)CLK/VAC。
由式(2)可以看出，要提高電容檢測(cè)的靈敏度，就需要減小電荷放大器的反饋積分電 容Cf和增大高通濾波器的增益d/C2，但通常失調(diào)電容C。ff遠(yuǎn)大于電容變化量Cs，減小Cf 和增大CVC2容易使得電路的輸出飽和，因此失調(diào)電容的存在會(huì)降低電容檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍， 需要進(jìn)行補(bǔ)償。
參考圖2，同步解調(diào)后的輸出Vop3和VoN3中包含了變化電容信號(hào)和失調(diào)電容，變化電容信號(hào)的頻率等于陀螺驅(qū)動(dòng)軸的諧振頻率，失調(diào)電容為直流量，因此通過引入低通濾波器 LPF2將變化電容信號(hào)和失調(diào)電容分離，使得Vf^和V船只包含失調(diào)電容，低通濾波器LPF1
濾除VoP3和VoN3中的高頻分量。通過可變?cè)鲆娣糯笃鲗f^和Vfl^放大、重新調(diào)制到高頻后 產(chǎn)生負(fù)反饋電壓Vfp2和Vfo2，并經(jīng)過反饋電容C。f將負(fù)反饋電壓耦合到電荷放大器的輸入，最
終將失調(diào)電容所引起的輸出電壓信號(hào)從電荷放大器的輸出VOPl和VONl中抵消掉，從而實(shí) 現(xiàn)對(duì)失調(diào)電容的補(bǔ)償。失調(diào)電容越大，則負(fù)反饋電壓Vfpi和Vftu越大，反之失調(diào)電容越小， 則負(fù)反饋電壓Vf^和Vfiu越小，因此由電荷放大器、高通濾波器、同步開關(guān)解調(diào)、低通濾波 器LPF2、可變?cè)鲆娣糯笃鹘M成的負(fù)反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)了對(duì)失調(diào)電容的自適應(yīng)補(bǔ)償。在失調(diào)電容 的補(bǔ)償過程中不需要額外進(jìn)行測(cè)試調(diào)節(jié)，而且補(bǔ)償?shù)男Ч韶?fù)反饋環(huán)路的增益決定，因此 該方法相對(duì)于傳統(tǒng)的失調(diào)電容補(bǔ)償方法更具有實(shí)用性。
參考圖3，本發(fā)明所提出的失調(diào)電容自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)囊环N具體實(shí)現(xiàn)的電路圖，其中可變?cè)?益放大器可以采用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)。在失調(diào)電容自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)恼麄€(gè)過程中，主要考察的是 變化電容信號(hào)和失調(diào)電容的幅度，因此圖3所示的電路圖可以簡(jiǎn)化成圖4所示的失調(diào)電容自 動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑韴D。電容變化量Cs和失調(diào)電容C。ff經(jīng)過載波調(diào)制和電荷放大器的放大后，幅度 被放大Vac/Cff咅，然后經(jīng)過高通濾波器放大K2 (等于C,/C2)倍，再經(jīng)過同步解調(diào)和低通濾 波器LPF2提取反映失調(diào)電容大小的電壓信號(hào)V。ff，然后通過VGA(由乘法器實(shí)現(xiàn))放大KvGA
XVJ咅(KvGA為VGA的增益與控制電壓之間的比例系數(shù))，最后反饋電壓Vf在電荷放大
器輸出端實(shí)現(xiàn)與輸入的變化電容信號(hào)和失調(diào)電容信號(hào)的相減，從而形成一個(gè)負(fù)反饋回路對(duì)
失調(diào)電容的自適應(yīng)補(bǔ)償，其中2/7l為同步解調(diào)的系數(shù)。
從變化電容Cs和失調(diào)電容c。ff到輸出v。ut的傳輸函數(shù)為 F 2
其中H(S)為低通濾波器2的傳輸函數(shù)，V。ffiet為VGA的失調(diào)電壓，令 F 2
《3 = —
1
其中T為低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。則有<formula>formula see original document page 7</formula> 式(3)
從VGA失調(diào)電壓V。ffset到輸出V。ut的傳輸函數(shù)為<formula>formula see original document page 7</formula> 式(4)
由式(3)可知，變化電容和失調(diào)電容到輸出的傳輸函數(shù)具有高通的特性，因此該系統(tǒng) 可以抑制失調(diào)電容的影響；由式(4)可知，VGA的失調(diào)電壓到輸出的傳輸函數(shù)也具有高 通的特性，因此該系統(tǒng)對(duì)VGA輸入失調(diào)電壓不敏感。
以下通過一具體實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明所提供的失調(diào)電容的補(bǔ)償方法的技術(shù)效果
取電容初始值為lpF，失調(diào)電容為0.5pF，電容變化量的幅度為lff，頻率為3KHz，載 波幅度1.6V，頻率為2MHz。
當(dāng)沒有采用失調(diào)電容自適應(yīng)補(bǔ)償時(shí)，最終的輸出電壓參考圖5所示。從圖中可以看出， 輸出信號(hào)中包含了一個(gè)近似為16.25伏的直流分量，該直流分量反映的是失調(diào)電容的大小； 輸出信號(hào)中還包含一個(gè)幅度近似為130mV、頻率為3KHz的交流信號(hào)，該交流分量反映的是 變化電容信號(hào)。直流信號(hào)的幅度己大大超出常規(guī)CMOS電路的電壓范圍，因此在實(shí)際的電 路中，失調(diào)電容的存在會(huì)使得電路出現(xiàn)飽和，從而不能正常工作。
當(dāng)采用失調(diào)電容自適應(yīng)補(bǔ)償時(shí)，最終輸出電壓參考圖6所示。從圖中可以看出，輸出信 號(hào)中的直流分量近似為1.5mV，交流信號(hào)的幅度近似為130mV，因此采用本發(fā)明后，失調(diào) 電容的影響得到有效的抑制，而有用的變化電容信號(hào)不會(huì)受到衰減。
以上通過詳細(xì)實(shí)施例描述了本發(fā)明所提供的MEMS陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的補(bǔ) 償方法及電路，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā) 明做一定的變形或修改；其制備方法也不限于實(shí)施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種MEMS陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的補(bǔ)償方法，其步驟包括1)電荷放大器將MEMS陀螺的變化電容信號(hào)放大后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)被載波調(diào)制到高頻，再經(jīng)過高通濾波器放大；2)放大后的信號(hào)經(jīng)過同步解調(diào)后，用低通濾波器提取反映失調(diào)電容大小的電壓信號(hào)；3)低通濾波器提取的電壓信號(hào)通過可變?cè)鲆娣糯笃鞣糯蟛⒄{(diào)制到高頻以產(chǎn)生負(fù)反饋電壓，將上述負(fù)反饋電壓反饋到電荷放大器輸入端，與MEMS陀螺的變化電容信號(hào)中的失調(diào)電容信號(hào)相減，實(shí)現(xiàn)失調(diào)電容的補(bǔ)償。
2、 一種MEMS陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的補(bǔ)償電路，包括依次連接的電荷放大器、 高通濾波器、同步解調(diào)電路和低通濾波器，電荷放大器，用于完成信號(hào)的C/V轉(zhuǎn)換以及調(diào) 制；高通濾波器，用于完成信號(hào)放大及濾波；同步解調(diào)電路，用于完成信號(hào)同步解調(diào)；以 及低通濾波器，用于對(duì)同步解調(diào)后的信號(hào)濾波，其特征在于，還包括一失調(diào)電容補(bǔ)償反饋 回路，該反饋回路由低通濾波器、可變?cè)鲆娣糯笃骱头答侂娙萁M成，其中，低通濾波器， 用于對(duì)同步解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行分離，提取反映失調(diào)電容大小的電壓信號(hào)；可變?cè)鲆娣糯笃鳎?用于將低通濾波器提取的電壓信號(hào)放大并調(diào)制到高頻以產(chǎn)生負(fù)反饋電壓；反饋電容用于將 負(fù)反饋電壓耦合到電荷放大器的輸入端。
3、 如權(quán)利要求2所述的MEMS陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的補(bǔ)償電路，其特征在于， 可變?cè)鲆娣糯笃鳛橐荒M乘法器。
4、 如權(quán)利要求2或3所述的MEMS陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的補(bǔ)償電路，其特征 在于，同步解調(diào)電路為一同步開關(guān)解調(diào)電路。
5、 如權(quán)利要求2或3所述的MEMS陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的補(bǔ)償電路，其特征 在于，同步解調(diào)電路為一模擬乘法器。
6、 如權(quán)利要求2所述的MEMS陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的補(bǔ)償電路，其特征在于， 還包括一正弦波發(fā)生器和一高速比較器，正弦波發(fā)生器用于產(chǎn)生高頻正弦載波，高速比較 器用于產(chǎn)生與高頻正弦載波同步的解調(diào)方波。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種MEMS陀螺電容讀出電路中失調(diào)電容的補(bǔ)償方法及電路，該補(bǔ)償電路包括依次連接的電荷放大器、高通濾波器、同步解調(diào)電路、低通濾波器和一失調(diào)電容補(bǔ)償反饋回路，該反饋回路由低通濾波器、可變?cè)鲆娣糯笃骱头答侂娙萁M成。其中，MEMS陀螺的變化電容信號(hào)經(jīng)過電荷放大器放大后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并且被載波調(diào)制到高頻，再經(jīng)過高通濾波器放大；放大后的信號(hào)經(jīng)過同步解調(diào)后，用低通濾波器提取反映失調(diào)電容大小的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)通過可變?cè)鲆娣糯笃鞣糯蟛⒄{(diào)制到高頻以產(chǎn)生負(fù)反饋電壓，反饋電容將負(fù)反饋電壓耦合到電荷放大器輸入端，與MEMS陀螺的變化電容信號(hào)中的失調(diào)電容信號(hào)相減，實(shí)現(xiàn)了失調(diào)電容的自適應(yīng)補(bǔ)償。
文檔編號(hào)G01C19/5776GK101424533SQ200810119409
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者暢 劉, 李志宏, 佳 王, 王展飛, 閆桂珍, 魯文高 申請(qǐng)人:北京大學(xué)