差分电容成正比例的 电压信号。
[0060] 请参阅图6,本发明实施例中，所述电容读出前端电路32包括前置放大器4、输入 电容Ci、反馈电容CfW及开关SK1、SK2以及SK3。其中，所述输入电容Ci的一个电极接前置 放大器Ai的反相输入端，另一个电极接所述五电极微机械加速度计10的动极板12,同时和 所述电容读出前端电路32或前置放大器&的输出端VSENSE之间接有反馈电容Cf，所述开关 SK1并联在所述前置放大器A:的反相输入端与输出端VSENSE之间，所述前置放大器Ai的同相 输入端接地，所述五电极微机械加速度计10的检测上极板15与动极板12以及检测下极板 16与动极板12产生的等效电容CKS1和CKS2通过所述输入电容Ci输入到所述前置放大器A: 的反相输入端。所述开关SK2与所述五电极微机械加速度计10的检测上极板15连接，所述 开关SK3与所述五电极微机械加速度计10的检测下极板16连接。进一步地，该电容读出前 端电路32可包括一寄生电容CP，该寄生电容CP的一个电极接地，另一个电极接所述五电极 微机械加速度计10的动极板12。所述电容读出前端电路32的输出对所述寄生电容CP不 敏感。
[0061] 所述开关SK1在第一时钟相〇i时闭合。所述开关SK2在所述第一时钟相〇 #寸 接共模电压Vm，在第二时钟相〇2时接地。所述开关SK3在所述第一时钟相〇i时接共模电 压，在所述第二时钟相时接地。所述共模电压Vm可根据需求设置，可以为参考电压 也可以为电源电压。
[0062] 所述前置放大器&用于将来自加速度计的微小差分电容进行低噪声放大，并输出 为与该差分电容成正比例的电压信号。本发明实施例中，所述前置放大器4采用摆率增强 的两级折叠式Cascode结构的运算放大器。
[0063] 所述电容读出前端电路32输出的电压信号VSENSE为：
【主权项】
1. 一种五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，包括： 电容读出前端电路，用于检测五电极微机械加速度计检测极板间差分电容，并转换为 成比例的电压信号； 控制器，接收所述电容读出前端电路输出的电压信号，并调节以改变所述五电极微机 械加速度计和数字闭环控制电路组成的系统的开环传递函数，保证该系统的稳定性和动态 性能，该控制器包括一积分器，该积分器用于使低频域输入为零的所述电压信号输出不为 零； 2 -A调制器，用于将所述控制器输出的信号转换成位流信号，并提供数字输出，以及 反馈电压产生电路，包括检测电路和反馈电路，所述检测电路给所述五电极微机械加 速度计的检测极板施加所述位流信号产生的载波，所述反馈电路根据所述位流信号产生的 反馈信号作用于所述五电极微机械加速度计的反馈极板以及动极板上并产生反馈静电力， 使所述五电极微机械加速度计的动极板处于平衡位置。
2. 如权利要求1所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述 电容读出前端电路包括前置放大器Ai、输入电容Q、反馈电容Cf以及开关SK1、SK2以及SK3， 其中，所述输入电容Ci的一个电极接前置放大器Ai的反相输入端，另一个电极接所述五电 极微机械加速度计的动极板，同时和所述前置放大器输出端VSENSE之间接有反馈电容 Cf，所述开关SK1并联在所述前置放大器A:的反相输入端与输出端VSENSE之间，所述前置放大 器4的同相输入端接地，所述五电极微机械加速度计极板间产生的等效电容通过所述输入 电容Q输入到所述前置放大器Ai的反相输入端，所述开关SK2与所述五电极微机械加速度 计的检测上极板连接，所述开关SK3与所述五电极微机械加速度计的检测下极板连接；所述 开关SK1在第一时钟相〇i时闭合，所述开关SK2在所述第一时钟相〇i时接共模电压Vm，在 第二时钟相〇2时接地，所述开关SK3在所述第一时钟相oi时接共模电压-vm，在所述第二 时钟相时接地，所述第一时钟相?i和第二时钟相? 2反相。
3. 如权利要求1所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述 控制器为比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。
4. 如权利要求1所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述 控制器采用单端PID控制器。
5. 如权利要求4所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，该单 端PID控制器具有两级电路，第一级为比例环节，第二级为积分环节，该单端PID控制器包 括放大器A2、A3、电阻RP1、RP2、RP3、RP4、RP5、RPi、RPj以及电容CP1、CP2，所述电阻RP1的一端接所 述电容读出前端电路的输出，另一端接所述放大器4的反相输入端，所述电阻RP2和电容CP1 串联后与所述电阻RP3并联，并跨接在所述放大器八2的反相输入端和输出端之间，所述电阻 RPi-端接所述放大器A2的正相输入端，另一端接参考电压VMf;所述放大器A2的输出端通 过所述电阻RP4接所述放大器A3的反相输入端，所述电阻RP5和电容CP2串联后跨接在所述 放大器A3的反相输入端和输出端之间，所述电阻RPj-端接所述放大器A3的正相输入端，另 一端接参考电压VMf。
6. 如权利要求5所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述 五电极微机械加速度计数字闭环控制电路进一步包括一单端转差分电路，该单端转差分电 路串联在所述控制器与所述2-△调制器之间，所述单端转差分电路为带斩波电路的全差 分开关电容电路。
7.如权利要求6所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，该带 斩波电路的全差分开关电容电路具有两个差分输入端，一个差分输入端接所述单端PID控 制器的输出，另一差分输入端接参考电压，该带斩波电路的全差分开关电容电路的每一 路包括积分电容CIB、反馈电容CFB、斩波电路以及开关SB1、SB2、SB3、SB4、SB5，所述积分电容CIB 的一个电极同时与所述开关SB1的一端以及开关SB2的一端连接，所述开关SB1的另一端接所 述单端PID控制器的输出，所述积分电容CIB的另一个电极接所述开关SB3的一端以及开关 SB4的一端，并通过所述开关SB4的另一端与所述斩波电路的输入端连接，所述反馈电容CFB 并联在所述斩波电路的输入端和输出端之间，所述开关SB1在第二时钟相〇 2d闭合，所述开 关SB2在第一时钟相①ld时闭合接参考电压VMf，所述开关SB3在第二时钟相①2时闭合接参 考电压vMf，所述开关SB4在第一时钟相oi闭合接所述斩波电路，其中，第一时钟相〇 为放大相，第二时钟相〇2、〇2(1为采样相，其中，所述第一时钟相〇i、〇1(1与所述第二时钟 相％、为两相不交迭时钟，所述第一时钟相①1比第一时钟相①Id、所述第二时钟相①2 比第二时钟相〇2d提前关断。
8. 如权利要求1所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述 2-A调制器采用积分器级联的反馈馈拓扑结构、积分器级联的前馈拓扑结构、谐振器级联 的反馈馈拓扑结构或谐振器级联的前馈拓扑结构。
9.如权利要求1所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述 2-A调制器采用积分器级联的前馈拓扑结构，包括依次连接的第一级积分器、第二级积分 器、第三级积分器以及量化器，其中，从该2-A调制器输入的信号到所述第二级积分器以 及第三级积分器均有通路。
10.如权利要求9所述的五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其特征在于，所述 第一级积分器为带斩波电路的全差分开关电容积分器。
11. 一种五电极微机械加速度计接口电路，其特征在于，包括时钟产生电路、参考电压 产生电路、偏置电流产生电路以及如权利要求1-10中任意一项所述的数字闭环控制电路， 其中，所述时钟产生电路为所述电容读出前端电路、控制器、2-△调制器以及反馈电压产 生电路提供时钟信号，所述参考电压产生电路为所述电容读出前端电路、控制器、2-A调 制器以及反馈电压产生电路提供参考电压，所述偏置电流产生电路为所述电容读出前端电 路、控制器以及2-A调制器提供偏置电流。
12. -种五电极微机械加速度计系统，其特征在于，包括五电极微机械加速度计以及如 权利要求11所述的五电极微机械加速度计接口电路。
13.如权利要求12所述的五电极微机械加速度计系统，其特征在于，所述五电极微机 械加速度计包括检测上极板、检测下极板、反馈上极板、反馈下极板以及动极板，其中所述 上极板和下极板为定极板，该五电极微机械加速度计系统在工作时，所述时钟产生电路产 生频率为fs的主电路时钟以及频率为fK的电容读出前端电路时钟，所述检测上极板和检 测下极板以fK的频率与电源电压VDD、地GND或参考电压VMf接通形成载波，所述动极板悬 空，所述电容读出前端电路读出敏感结构的差分电容，所述反馈上极板和反馈下极板在所 述2-A调制器输出的位流信号控制下以fs的频率与反馈电压和地GND接通，产生反 馈信号，并在反馈极板以及动极板上形成反馈静电力，后级所述控制器、2-A调制器也在 主时钟fs的控制下工作，以实现数字闭环电路。
【专利摘要】本发明提供一种五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其包括依次连接的电容读出前端电路、控制器、Σ-Δ调制器以及反馈电压产生电路，其中，所述控制器包括一积分器，该积分器用于使低频域的输入为零的所述电压信号输出不为零。此外，本发明还提供了一种包含该数字闭环控制电路的五电极微机械加速度计接口电路以及五电极微机械加速度计系统。
【IPC分类】G01P15-125
【公开号】CN104614552
【申请号】CN201410797795
【发明人】董景新, 储宜兴, 刘云峰
【申请人】清华大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月18日