本實用新型涉及MEMS加速度計領(lǐng)域，具體地，涉及一種低功耗低噪聲MEMS加速度計接口電路。

背景技術(shù)：

MEMS加速度計主要用于測量運動物體相對于慣性空間的加速度，由于其體積小、功耗低、易集成、可批量生產(chǎn)等特點，使其在汽車工程、振動檢測、航空導航和軍事應(yīng)用等場合中發(fā)揮著越來越重要的作用。

MEMS加速度計根據(jù)其工作原理可以分為開環(huán)加速度計和閉環(huán)加速度計。開環(huán)加速度計通過測量質(zhì)量塊位移變化導致的電容變化來測量加速度，精度較低、線性度差。閉環(huán)加速度計也稱為力平衡加速度計，其工作原理是：當慣性力作用在質(zhì)量塊上時，閉環(huán)系統(tǒng)檢測質(zhì)量塊位移，并產(chǎn)生與慣性力大小相等、方向相反的靜電力，抵消慣性力，使質(zhì)量塊始終處于平衡位置。閉環(huán)加速度計因其工作原理，線性度高、噪聲低，非常適合于地震監(jiān)測、傾角測量等高精度測量。

目前比較常用的閉環(huán)加速度計接口電路包括：全模擬的PID閉環(huán)控制方式和數(shù)?；旌系腄elta-sigma閉環(huán)控制方式；相對Delta-sigma閉環(huán)控制方式，PID閉環(huán)結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、技術(shù)成熟可靠；由于高精度閉環(huán)MEMS加速度計諧振頻率很低，一般在一兩千赫茲左右，傳統(tǒng)的PID閉環(huán)加速度計中，積分或者微分電路中所需電容很大，無法在ASIC內(nèi)集成，通常需要采用分立器件，不利于小型化和系統(tǒng)集成。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供了一種低功耗低噪聲MEMS加速度計接口電路，解決了傳統(tǒng)的PID閉環(huán)加速度計中，無法在ASIC內(nèi)集成，不利于小型化和系統(tǒng)集成的技術(shù)問題，實現(xiàn)了全部控制系統(tǒng)的單片集成，無需外部分立器件，結(jié)構(gòu)更簡單，功耗、噪聲更低的技術(shù)效果。

為解決上述技術(shù)問題，本申請?zhí)峁┝艘环N低功耗低噪聲MEMS加速度計接口電路，整個系統(tǒng)包括：MEMS加速度計1、電荷轉(zhuǎn)換器電路2、PI控制器電路3和差分驅(qū)動電路4。

MEMS加速度計1的檢測正極SP和檢測負極SN分別輸入相位相反的脈沖電壓，MEMS加速度計1的驅(qū)動正極和驅(qū)動負極分別接差分驅(qū)動運放4的兩個輸出端，MEMS加速度中間電極MASS接電荷轉(zhuǎn)換器電路2輸入端；電荷轉(zhuǎn)換器電路2輸出端接PI控制器電路3輸入端；PI控制器電路3輸入為單端輸入，輸出為差分輸出，PC控制器電路3輸出接差分驅(qū)動電路4的輸入端。

其中，電荷轉(zhuǎn)換器電路2為本實用新型核心電路之一。電荷轉(zhuǎn)換器電路2的輸入端VI_CSA接電阻R1的正端和電容C1的正端；電阻R1的負端接模擬參考電壓REF1；電容C1的負端與NMOS管MN1的柵極和電容C2的正端相連；MN1的源極接到模擬地，漏極接電流源I_s1負端；電流源I_s1正端與電源相連；電流源I_s1負端和C2的負端、MN1的漏極一起接到電路轉(zhuǎn)換器輸出端VO_CSA。

其中，PI控制器電路3為本實用新型核心電路之一。PI控制器電路的輸入端VI_PI接到電容C3的正端；C3的負端分別和開關(guān)PH1、PH2和PH3的輸入端相連；開關(guān)PH1的輸出端與電阻R2的正端相接，與運放OP1的負輸入端相接；開關(guān)PH2的輸出端與電阻R3的正端相接，與運放OP2的負輸入端相接；開關(guān)PH3的輸出端和運放OP1、OP2的正輸入端一起接到共模地；R2的正端與電容C4的正端相連；C4的負端與運放OP1的輸出端相連，并接到PI控制器電路3的輸出正極；R3的正端與電容C5的正端相連；C5的負端與運放OP1的輸出端相連，并接到PI控制器電路3的輸出負極。

本申請?zhí)峁┑囊粋€或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

本實用新型提出了一種新穎的PI閉環(huán)控制加速度計接口電路，該接口電路實現(xiàn)了全部控制系統(tǒng)的單片集成，無需外部分立器件，該接口電路采用先進的開關(guān)電容技術(shù)實現(xiàn)PI控制器，使積分電容大小降低到可集成的范圍，該接口電路采用新穎的、低噪聲的、結(jié)構(gòu)簡單的電荷轉(zhuǎn)換器，使閉環(huán)系統(tǒng)功耗更低、性能更優(yōu)，相比傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制電路，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，功耗、噪聲更低。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本實用新型實施例的限定；

圖1是本申請中MEMS加速度計接口電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本申請中電荷轉(zhuǎn)換器電路示意圖；

圖3是本申請中PI控制器電路示意圖；

圖4是本申請中電荷轉(zhuǎn)換器電路工作實例示意圖；

圖5是本申請中PI控制器時序示意圖；

圖6是本申請中閉環(huán)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)示意圖。

具體實施方式

本實用新型提供了一種低功耗低噪聲MEMS加速度計接口電路，解決了傳統(tǒng)的PID閉環(huán)加速度計中，無法在ASIC內(nèi)集成，不利于小型化和系統(tǒng)集成的技術(shù)問題，實現(xiàn)了全部控制系統(tǒng)的單片集成，無需外部分立器件，結(jié)構(gòu)更簡單，功耗、噪聲更低的技術(shù)效果。

為了能夠更清楚地理解本實用新型的上述目的、特征和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在相互不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本實用新型，但是，本實用新型還可以采用其他不同于在此描述范圍內(nèi)的其他方式來實施，因此，本實用新型的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。

請參考圖1-圖6，本申請?zhí)峁┑南到y(tǒng)包括：5電極MEMS加速度計1、電荷轉(zhuǎn)換器電路2、PI控制器電路3和差分驅(qū)動電路4。

MEMS加速度計1的檢測正極SP和檢測負極SN分別輸入相位相反的脈沖電壓，MEMS加速度計1的驅(qū)動正極和驅(qū)動負極分別接差分驅(qū)動運放4的兩個輸出端，MEMS加速度中間電極MASS接電荷轉(zhuǎn)換器電路2輸入端；電荷轉(zhuǎn)換器電路2輸出端接PI控制器電路3輸入端；PI控制器電路3輸入為單端輸入，輸出為差分輸出，PC控制器電路3輸出接差分驅(qū)動電路4的輸入端。

如圖2所示為電荷轉(zhuǎn)換器電路2電路圖。電荷轉(zhuǎn)換器電路2的輸入端VI_CSA接電阻R1的正端和電容C1的正端；電阻R1的負端接模擬參考電壓REF1；電容C1的負端與NMOS管MN1的柵極和電容C2的正端相連；MN1的源極接到模擬地，漏極接電流源I_s1負端；電流源I_s1正端與電源相連；電流源I_s1負端和C2的負端、MN1的漏極一起接到電路轉(zhuǎn)換器輸出端VO_CSA。

電荷轉(zhuǎn)換器與實際加速度計相連，一起工作時的實例如圖4所示。電流源I_s1和NMOS管MN1組成簡單的單極放大器。該單極放大器與傳統(tǒng)的運放相比，結(jié)構(gòu)簡單，功耗極小，同時因為器件個數(shù)的減少，噪聲也隨之降低。該結(jié)構(gòu)中，主要的器件噪聲為MN1的熱噪聲。通過適當增加I_s1電流和MN1的寬長比，可以有效降低噪聲，即使如此，依然可以保證比傳統(tǒng)運放更小的功耗。

電容C1將MEMS加速度計中間電極和MN1柵極隔開。MEMS加速度計中間電極沒有直接接MN1柵極的原因是，MN1的柵極電壓會隨著溫度變化發(fā)生較大的漂移。用C1隔開MEMS加速度計中間電極和MN1柵極的好處還在于：可以通過一個大電阻R1給MEMS加速度計中間電極提供穩(wěn)定干凈的偏置電壓REF1，優(yōu)選地偏置電壓REF1接模擬地。

MEMS加速度計的兩個檢測電極分別輸入相位相反的脈沖電壓V_s+和V_s-。C1可以將檢測電極耦合到中間極板的交流脈沖信號耦合到MN1柵極，也即耦合到MN1和I_s1組成的單極放大器輸入端。因此，電荷轉(zhuǎn)換器電路輸出電壓為與V_s+和V_s-成比例的脈沖信號。

假設(shè)MN1和I_s1組成的單極放大器增益無窮大，則可以推出電荷轉(zhuǎn)換器電路的輸出為：

其中，C_s+和C_s-分別為正、負極檢測電容，VO_CSA為電荷轉(zhuǎn)換器輸出電壓。

令ΔC_s＝C_s+-C_s-，因為V_s+＝-V_s-，式1.1可變?yōu)椋?/p>

為了增強電荷轉(zhuǎn)換器電路的靈敏度和信噪比，實際電路設(shè)計時，盡可能使C1＞＞C_s+，使式1.2簡化為：

如圖3所示，為PI控制器電路3電路圖。PI控制器電路的輸入端VI_PI接到電容C3的正端；C3的負端分別和開關(guān)PH1、PH2和PH3的輸入端相連；開關(guān)PH1的輸出端與電阻R2的正端相接，與運放OP1的負輸入端相接；開關(guān)PH2的輸出端與電阻R3的正端相接，與運放OP2的負輸入端相接；開關(guān)PH3的輸出端和運放OP1、OP2的正輸入端一起接到共模地；R2的正端與電容C4的正端相連；C4的負端與運放OP1的輸出端相連，并接到PI控制器電路3的輸出正極；R3的正端與電容C5的正端相連；C5的負端與運放OP1的輸出端相連，并接到PI控制器電路3的輸出負極。

PI控制電路中，電容C3和開關(guān)PH1、PH2、PH3組成開關(guān)電容電路，不斷向積分電容C4和C5轉(zhuǎn)移電荷。

如圖5所示，為電路工作的時序圖。PH1、PH2和PH3互不交疊。當脈沖信號V_s+和V_s-電平穩(wěn)定時，開關(guān)PH3打開，使C3負端電壓為零。PH3關(guān)閉后，開關(guān)PH1或PH2打開，使C3的負端和運放OP1或OP2的負輸入端接通。然后，V_s+和V_s-電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，電荷轉(zhuǎn)換器輸出電壓也隨之發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并通過C3將電荷轉(zhuǎn)移至積分電容C4或C5上，轉(zhuǎn)移的電荷量Q為：

其中，|VO_CSA|表示電荷轉(zhuǎn)換器輸出脈沖信號的幅度，V_s表示V_s+和V_s-的幅度。

C3和開關(guān)組成的開關(guān)電容電路的等效電阻R_EQ為：

其中，f_s為開關(guān)頻率。

令C4＝C5＝Ci，R2＝R3＝Rp，PI控制器的傳輸函數(shù)H_PI(s)為：

因為高精度MEMS加速度計諧振頻率很低，一般在一兩千赫茲左右，因此要求積分器單位增益帶寬很低，才能滿足穩(wěn)定性要求。傳統(tǒng)的PI電路一般通過增大積分電容降低積分器單位增益帶寬。但是這樣帶來的問題是積分電容過大而無法實現(xiàn)片內(nèi)集成。

本實用新型所示的PI控制器電路中，可以很容易地把R_EQ增大至10M歐姆級別，比如，當C3＝0.8pf，開關(guān)頻率200KHz時，R_EQ即可達到約10M歐姆。因此無需非常大的積分電容，便可將積分器單位增益帶寬降低，從而可以將積分電容C4和C5集成在片內(nèi)。

作為示例，本實用新型接口電路與一諧振頻率為1.5KHz的MEMS加速度計實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)。PI控制器電路參數(shù)為：C3＝0.8pF，C4＝C5＝250pF，R2＝R3＝50KΩ，完全可以在片內(nèi)集成。如圖6所示，為閉環(huán)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)。加速度為2g時，差分輸出電壓約為1.6V，瞬態(tài)響應(yīng)建立時間約為2.5mS。

上述本申請實施例中的技術(shù)方案，至少具有如下的技術(shù)效果或優(yōu)點：

本實用新型提出了一種新穎的PI閉環(huán)控制加速度計接口電路，該接口電路實現(xiàn)了全部控制系統(tǒng)的單片集成，無需外部分立器件，該接口電路采用先進的開關(guān)電容技術(shù)實現(xiàn)PI控制器，使積分電容大小降低到可集成的范圍，該接口電路采用新穎的、低噪聲的、結(jié)構(gòu)簡單的電荷轉(zhuǎn)換器，使閉環(huán)系統(tǒng)功耗更低、性能更優(yōu)，相比傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制電路，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，功耗、噪聲更低。

盡管已描述了本實用新型的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本實用新型范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。