负载循环陀螺仪的制作方法
【专利说明】负载循环陀螺仪
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请根据要求于2013年3月14日提交的标题为“负载循环陀螺仪(DUTY-CYCLED GYROSCOPE) ” 美国临时专利申请号 61/783，858 的 35USC.119(e)下的权益，该申请通过引用以其全文结合于此。
发明领域
[0003]本发明总体上涉及陀螺仪，并且更具体地涉及负载循环陀螺仪。
[0004]背景
[0005]通常感兴趣的是在陀螺仪系统中将功耗最小化以增强其在便携式电池供电的设备应用中的使用。在现有技术中已知的一种用于节省功耗的方法是使系统进行负载循环。在负载循环系统中，系统初始在低功率工作模式。周期性地，其过渡至正常工作模式、进行测量并随后返回至低功率工作模式。
[0006]使陀螺仪系统进行负载循环的困难起源于以下事实:某些系统状态变量对系统状态的变化响应得非常慢。例如，陀螺仪的振荡幅值(如由AGC环路所调节的)由于MEMS振荡的高品质因数而不能快速地变化。锁相环还可以具有相对低的带宽，意味着其将较慢地响应于影响其VC0调谐电压的任何干扰。
[0007]然而，令人期望的是在低功率模式和正常工作模式之间快速地过渡系统以将与模式过渡相关联的开销最小化并且由此将在负载循环时能被维持的输出数据速率最大化。本发明解决了这种需要。
[0008]概述
[0009]在此披露了一种陀螺仪系统。该陀螺仪系统包括耦接于驱动系统和感测系统的MEMS陀螺仪。该驱动系统将该MEMS陀螺仪维持在振荡状态并且该感测系统接收、放大以及解调该MEMS陀螺仪的指示旋转速率的输出信号。该陀螺仪系统进一步包括锁相环(PLL)，该锁相环接收来自该驱动系统的参考时钟(REFCLK)并产生系统时钟(CLK)。最后，该陀螺仪系统包括工作在该系统时钟下的控制器，该控制器设置该驱动系统和该感测系统的工作状态并还控制该PLL的状态。一个或多个系统状态变量在保护模式期间维持在基本上固定的状态中，由此使得在该陀螺仪系统的低功率模式和正常工作模式之间的快速过渡成为可會泛。
[0010]附图简要说明
[0011 ] 图1展示了 MEMS陀螺仪系统的框图。
[0012]图la展示了 MEMS陀螺仪系统的时序图。
[0013]图2是根据一个实施例的方法的流程图。
[0014]图3示出了根据一个实施例的示例性AGC系统。
[0015]图4示出了根据一个实施例的示例性PLL系统。
[0016]详细描述
[0017]本发明总体上涉及陀螺仪，并且更具体地涉及负载循环陀螺仪。呈现以下描述以使得本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明，并且以下描述是在专利申请及其要求的背景下提供的。对优选实施例的不同修改和在此描述的通用原理及特征对本领域的技术人员将是非常明显的。因此，本发明不旨在受限于所示出的实施例而是旨在符合与在此描述的原理和特征相一致的最广泛的范围。
[0018]图1展示了 MEMS陀螺仪系统100的框图。在系统100中，MEMS陀螺仪110耦接于两个系统:驱动系统135和感测系统140,该驱动系统包括驱动环路120和AGC环路130，其功能是将MEMS陀螺仪110维持在振荡状态；该感测系统接收、放大以及解调MEMS陀螺仪110的输出信号185以产生解调后的指示旋转速率的输出信号190。MEMS驱动环路120接收来自MEMS的驱动感测信号195并且通过提供驱动信号196来关闭围绕MEMS陀螺仪110的反馈环路。通过关闭反馈环路，MEMS驱动环路120引起MEMS陀螺仪110振荡。AGC环路130接收驱动感测信号195并监测其振荡幅值。为了将驱动感测信号195的幅值设置为期望的水平，AGC环路130提供增益控制输出197以通过倍增136来调整驱动信号196的幅值。锁相环(PLL) 150接收来自MEMS驱动系统135的参考时钟(REFCLK)并产生系统时钟(CLK) 170。工作在系统时钟170下的控制器180设置该两个系统135和140的工作状态并且还控制PLL150的状态。根据各种实施例，解调后的输出信号190可以是模拟的或者数字的。在数字MEMS陀螺仪实施例中，感测系统140也接收系统时钟170并且进行A/D转换以产生解调后的输出信号190。
[0019]在根据一个实施例的系统和方法中，引入中间模式(也称作保护模式)，其中，在低功率模式到正常工作模式之间的过渡过程中保存缓慢系统状态变量。缓慢系统状态变量的示例可以包括AGC环路的增益控制输出，该增益控制输出控制驱动环路增益或者在PLL中的压控振荡器(VC0)的调谐电压。例如，AGC环路130可以在保护模式期间通过断开其各输入而被保护，从而使得MEMS振荡的目标幅值(如由增益控制输出197设置的，其可以是电压或者代码)被保存。在另一个示例中，PLL 150可以通过暂时阻止其响应于输入时钟沿而被保护，从而使得输出时钟170的频率被维持。一旦保护模式正在使用中，驱动系统135和/或感测系统140可以在低功率模式和正常工作模式之间进行过渡而不会对这些缓慢状态变量造成干扰。一旦完成过渡，移除保护模式恢复正常工作。通过将干扰最小化以变慢系统状态变量，整个系统可以在多个工作模式之间进行快速的过渡。
[0020]优点是可能难以以其他方式进行负载循环的系统现在可以以较低的平均功耗工作。例如，在图1中的MEMS陀螺仪系统100的驱动环路可以是由AGC环路130调节其幅值的高品质因数振荡器系统。如果驱动环路120将要突然地从低功率模式过渡到高功率模式，将存在可能扰乱AGC环路130工作状态的干扰。这个受干扰的状态由于用于高品质因数振荡器的AGC环路的低带宽性质将恢复得较慢。但是，通过在过渡期间占用保护模式，对AGC工作状态的干扰被基本上消除，从而使恢复时间最小化。
[0021]图la展示了示出针对使用保护模式以使低功率模式和正常工作模式之间的过渡时间最小化的示例性顺序的时序图。正常工作模式对应于在时序图中指示的测量间隔。在此间隔期间，陀螺仪是完全工作的并且对旋转速率进行测量，并且完整的驱动系统和感测系统是活跃的。
[0022]在对应于正常工作模式的测量间隔之前，系统初始在低功率模式，如由信号Ip_模式(Ip_m〇de)是活跃的所指示的。如由信号启用是不活跃的所指示的，感测路径被禁用，并且如由信号重置是活跃的所指示的，该感测路径可以进一步处于重置状态。为了过渡至正常模式为测量间隔做准备，对保护信号进行断言，由此占用如之前提及的那些缓慢系统状态变量的保护和保存。
[0023]当对保护信号进行断言时，低功率模式控制信号Ipjnode被取消激活，通过对启用信号进行断言而启用感测路径，并且接下来移除该感测路径重置信号，由此初始化该感测路径用于适当的测量。注意的是，如果启用信号同时实现对感测路径的启用和初始化，在某些实施例中，可以选择使用不同的感测路径重置信号。一旦低功率模式被取消激活并且感测路径被启用并初始化，保护信号被取消激活并且系统处于测量可以继续进行的其正常工作模式。
[0024]相似的事件顺序允许依次地过渡回低功率模式。再次参照图la，测量间隔结束之后是对保护信号进行断言，由此占用如之前提及的那些缓慢系统状态变量的保护和保存。当对保护信号进行断言时，低功率模式控制信号Ip_mode被激活，感测路径被重置，并且接下来通过将启用信号解除断言禁用该感测路径。这样使系统进入低电流状态。
[0025]完成过渡到此状态之后，对保护信号解除断言。在低电流状态期间，AGC和PLL系统可以继续工作，将系统状态变量维持在下一个测量间隔开始之前的准备状态中。因此，通过在正常模式(在其中进行测量)和低功率模式(在其中系统维持在准备等待测量的状态中)之间的过渡过程中保护缓慢系统状态变量，这些测量间隔可以被迅速地进行负载循环，由此使显著的功率节省成为可能。
[0026]图2是根据一个实施例的方法的流程图200。根据方法200的步骤顺序也展示在图1的时序图中。在图2的方法中，首先陀螺仪经由步骤202工作在低功率模式中。随后经由步骤204使保护模式将至少一个系统状态变量维持在基本上固定的状态。接下来，陀螺仪经由步骤206通过将低功率模式禁用、启用感测系统并且使该感测系统退出复位而过渡至正常功率模式。
[0027]保护模式随后经由步骤208而被禁用。接下来，经由步骤210使用陀螺仪进行测量。此后，经由步骤212,保护模式再次被禁用以将至少一个系统状态变量维持在基本上固定的状态。陀螺仪经由步骤214通过重置感测系统、启用低功率模式、并且禁用感测系统而过渡回到低功率模式。最后，保护模式经由步骤216而被禁用。
[0028]通常，一个或多个系统状态变量(例如，AGC环路增益控制输出电压或代码或者PLL VC0调谐电压或代码)在保护模式期间被维持在基本上固定的状态中，由此使低功率模式和正常工作模式之间的快速过渡成为可能。在或者驱动系统或者感测系统或者两者中可能存在多个缓慢状态变量。因此，在对任一个或者这两个系统进行负载循环时该技术是可适用的。
[0029]图3示出了根据本发明实施例的用于保护系统状态变量如AGC环路增益控制电压的示例性装置。在AGC系统300中，通过耦接于整流器320的输入端的电阻器310来监测表示MEMS器件的振荡的驱动