专利名称：一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种闭环驱动电路，特别是针对微机械谐振结构的闭环驱动电路。
背景技术：
随着微机电系统技术的发展，基于机械的谐振原理而制造的微机械谐振结构可用 于微传感器、微制动器和微谐振器，比如谐振式压力传感器，振动式微机械陀螺和扫描微 镜。其中，共电极变电容微机械谐振结构是其中一大类。该类微机械谐振结构的共同特点 是由具有一个公共电极1的一对电容或多对电容构成，参照图1所示。通常情况下公共电 极1是可动的谐振结构，固定电极12和固定电极113作为固定结构。并且处于谐振状态时， 由于公共电极1的振荡，当一个电容Cl的容值增大时，另一个电容C2的容值减小。其具体 结构举例如图2至图6所示。图2所示的结构为双端固支的梁或膜，上下振荡，该梁或膜的两侧有固定电极；图 3所示结构为单端固支的梁或膜，上下振荡，该梁或膜的两侧有固定电极；图4所示结构为 平板旋转谐振结构，该平板绕黑点0所在的垂直于图示剖面的轴来回旋转振荡，其下侧分 别有两个分离的固定电极；图5所示结构为梳齿驱动谐振结构，中间质量块为谐振结构，两 侧为固定电极；图6所示结构也为梳齿驱动谐振结构，其与图5所示结构相比，它两侧的固 定电极是断开的。对于微机械谐振结构，静电力闭环驱动方式可以有效提高谐振的稳定性，将其振 荡的频率和幅值稳定在某一恒定的数值。2006年，中北大学李锦明在其博士学位论文“高 信噪比电容式微机械陀螺的研究”中阐述了三种AGC闭环电路原理，概括而言就是运用简 单的减法器来实现自动增益控制。这种闭环驱动电路稳定振荡的相位条件和增益条件相互 耦合，线性工作范围小，调试比较困难。2006年，东南大学杨波和周百令发表在《宇航学报》 上的论文“一种改进的高精度硅微陀螺仪闭环驱动方案研究”中，提出了一种闭环增益和相 角的解耦调节，但是该方案的驱动信号为方波，引入了其他频率分量，造成闭环谐振的稳定 性差，引入了噪声。2009年，国防科技大学肖定邦、侯占强等人发表在《国防科技大学学报》 上的论文“微陀螺闭环驱动方法”中提到了一种相位控制技术的微陀螺闭环驱动电路，但是 该电路也因为引入了比较器，而产生非线性的静电力，造成闭环谐振的稳定性差，也引入了 噪声。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中闭环驱动电路调试过程中增益调节与相位 调节相互耦合影响，难于调试；电路信号的动态变化范围较小，不能有效实现谐振结构闭环 自激振荡的缺点，同时避免闭环驱动电路中引入非线性的信号，造成谐振结构的不稳定谐 振，本发明提出了一种新的用于微机械谐振结构的闭环驱动电路。本发明的技术方案是一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，由I/V转换器 5，低通滤波器6，限幅电路7，带通滤波器8，自动增益控制环路9，相位补偿电路12和力矩器13组成。本发明的闭环驱动电路结构图参阅图7所示。微机械谐振结构4的电容变化引起充放电电流变化，该变化电流经I/V转换器5 后，将电流信号转换为电压信号；Ι/ν转换器5可由跨阻放大器或者电荷放大器实现；该电 压信号经过通带截止频率不小于微机械谐振结构4谐振频率的低通滤波器6后，进入限幅 电路7；限幅电路7输出的信号进入带通滤波器8，进行信号的选频，滤除由限幅电路7的 限幅而引入的杂波分量；带通滤波器8的通带包含微机械谐振结构4的谐振频率；选频后 的信号进入自动增益控制环路9进行自动增益的控制；自动增益控制环路9包括可变增益 放大器10和交流/直流转换器11 ；交流/直流转换器11可以通过整流器加低通滤波器实 现，也可通过真有效值转换器直接实现；可变增益放大器10输出的信号经过交流/直流转 换器11后，转换的直流信号与参考电压Vd进行比较控制可变增益放大器10的放大倍数， 从而实现自动增益的控制；自动增益控制环路9的输出信号进入相位补偿电路12，进行相 位的补偿；相位补偿电路12是相位超前电路或者相位延时电路；相位补偿电路12的输出 经过力矩器13反馈回来驱动微机械谐振结构4的振荡。微机械谐振结构4，I/V转换器5，低通滤波器6，限幅电路7，带通滤波器8，自动增 益控制环路9，相位补偿电路12，力矩器13的增益传递函数分别为Al，A2，A3，A4，A5，A6， A7，A8，才目■分另Ij为φ ，φ2,φ3, φ4, φ5, φ6, φ7, φ8。自动增益控制环路9，调节整个环路的增益，使其满足微机械谐振结构4的增益起 振条件和稳定振荡的增益平衡条件，即在该微机械谐振结构4的谐振频率上，上电起振时T =Al ·Α2 ·Α3 ·Α4 ·Α5 ·Α6 ·Α7 ·Α8 > 1 ；稳定振荡时，T = Al ·Α2 ·Α3 ·Α4 ·Α5 ·Α6 ·Α7 ·Α8 =1。相位补偿电路12，调节整个环路的相位，使其满足微机械谐振结构4的相位起振 条件和稳定振荡的相位平衡条件，即在该微机械谐振结构4的谐振频率上，上电起振时和 11 ^ii^ W^Wφ=φ 1 +φ2+φ3+φ4+φ5+φ6+φ7+φ8=2ηπ, η 力―。本发明的有益效果是本发明提出了基于限幅电路7、带通滤波器8、自动增益控 制环路9和相位补偿电路12为主要组成的交流自动增益控制闭环自激驱动方案。该闭环 驱动方案，第一，通过自动增益控制环路9调节环路的增益和通过相位补偿电路12调节环 路的相位，将增益调节与相位调节分离开来，避免了增益调节与相位调节之间的耦合影响， 方便了电路的调试；第二，限幅电路7和带通滤波器8的引入，扩大了电路的线性工作范围， 即使I/V转换器5检测到很大的输出信号，也会经过限幅电路7，将信号限制在一定的幅度 上，再通过带通滤波器8将杂波信号滤除，使反馈回的驱动信号限制在谐振频率处，避免了 电路中引入非线性信号，造成谐振的不稳定。
图1是本发明所针对的微机械谐振结构电学模型示意图；图2是本发明所针对结构举例的双端固支梁或膜微机械谐振结构；图3是本发明所针对结构举例的单端固支梁或膜微机械谐振结构；图4是本发明所针对结构举例的平板旋转微机械谐振结构；图5是本发明所针对结构举例的静齿一体的梳齿驱动微机械谐振结构；图6是本发明所针对结构举例的静齿断开的梳齿驱动微机械谐振结构；
图7是本发明闭环驱动电路结构图；图8是本发明实施例一闭环驱动电路结构图；图9是本发明实施例二闭环驱动电路结构图；图10是本发明实施例三闭环驱动电路结构图；图中 1-公共电极；2-固定电极I ；3-固定电极II ；4-微机械谐振结构；5-I/V转换器； 6-低通滤波器；7-限幅电路；8-带通滤波器；9-自动增益控制环路；10-可变增益放大器； 11-交流/直流转换器；12-相位补偿电路；13-力矩器；14-微机械谐振结构一 ；15-敏感 电极AI ；16-敏感电极AII ；17-驱动电极AI ；18-驱动电极AII ； 19-电荷放大器；20-单位 增益放大器；21-加法器AI ；22-反相器；23-加法器AII ；24-敏感电极B ;25_驱动电极B ； 26-加法器B ；27-微机械谐振结构二。
具体实施例方式实施例一第一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，本实施例针对的微机械谐振结构4 对应的具体结构是图6所示静齿断开的梳齿驱动微机械谐振结构，图8中将该结构抽象为 微机械谐振结构一 14，其具体实施方式
如下参阅图8，本实施例针对微机械谐振结构一 14，它属于公共电极1两侧的固定电极 是断开的结构。该微机械谐振结构一 14，对应于图1所示的电学模型，其固定电极12断开 为敏感电极AI15和驱动电极AI17两个电极；固定电极113断开为敏感电极AII16和驱动 电极AII18两个电极。由于各种机械和电学的扰动，敏感电极AI15、公共电极1间电容与敏感电极 AII16、公共电极1间电容的变化，引起上述两个电容的充放电。该充放电电流经电荷放大 器19差分放大转换为电压信号。然后该电压信号经过通带截止频率不小于该微机械谐振 结构一 14谐振频率的低通滤波器6滤除高频噪声后，进入限幅电路7。限幅电路7具有如 下特征限幅电路7设定限幅电压4V，对于不超过4V的输入信号，让其直接通过；而对于超 过4V的输入信号，将其限幅在士4V上。比如，限幅电路7的输入信号为Ubp = 3sin( t)， 则限幅电路7的输出为ULi = 3sin( t)。如果限幅电路7的输入信号为Ubp = 5sin( t)， 则限幅电路7的输出可表述为在_4 ( 5sin (ω t)彡4时，Uu = 5sin (ω t)；在5sin (ω t) >4时，1 = 4;在5^11(0^) <-4时，Uu = -4。信号在经过限幅电路7后可能由于幅值 太大发生畸变，产生其它频率分量，比如限幅电路7的输入信号为Ubp = 5sin( t)；也可能 由于幅值较小，没有发生畸变，比如限幅电路7的输入信号为Ubp = 3sin( t)。带通滤波 器8的通带包含微机械结构一 14的谐振频率。限幅电路7输出的信号进入带通滤波器8， 进行信号的选频，滤除由限幅电路7的限幅而引入的杂波分量。选频后的信号进入自动增 益控制环路9进行自动增益的控制。自动增益控制环路9包括可变增益放大器10和交流 /直流转换器11。交流/直流转换器11通过整流器加低通滤波器实现。可变增益放大器 10输出的信号经过交流/直流转换器11后，转换的直流信号与参考电压Vd进行比较控制 可变增益放大器10的放大倍数，从而实现自动增益的控制。自动增益控制环路9的输出信号进入相位补偿电路12，进行相位的补偿。相位补偿电路12是相位超期电路。相位补偿电路12的输出分成两路信号，一路经过单位增益放 大器20与直流偏置电压Vp经过加法器AI21进行加法运算后，施加到驱动电极AII18 ；另 一路信号经过反相器22后，与直流偏置电压Vp经过加法器AII23进行加法运算后，施加到 驱动电极AI17。微机械谐振结构一 14，电荷放大器19，低通滤波器6，限幅电路7，带通滤波器 8，自动增益控制环路9，相位补偿电路12，和由单位增益放大器20、加法器AI21、反相 器22、加法器AII23组成的力矩器的增益分别为Al，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，相移分别 φ . ψ2, φ3, φ4, φ5, φ6, φ7, φ8。则在该微机械谐振结构一 14的谐振频率上，系统上电起 振时，整个闭环系统的增益T = Al · Α2 · A3 · Α4 · Α5 · Α6 · Α7 · Α8 > 1 ；稳定振荡时，T = Al · Α2 · A3 · Α4 · Α5 · Α6 · Α7 · Α8 = 1。对于整个系统的相移，上电起振时和稳定振荡时 ^^9=91+92+93+94+95+96+97+98=00
实施例二 第二种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，本实施例针对的微机械谐振结构4 对应的具体结构是图6所示静齿断开的梳齿驱动微机械谐振结构，图9中将该结构抽象为 微机械谐振结构一 14，其具体实施方式
如下参阅图9，本实施例针对微机械谐振结构一 14，它属于公共电极1两侧的固定电极 是断开的结构。该微机械谐振结构一 14，对应于图1所示的电学模型，其固定电极12断开 为敏感电极AI15和驱动电极AI17两个电极；固定电极113断开为敏感电极AII16和驱动 电极AII18两个电极。首先，将直流偏置电压Vp加在公共电极1上。由于各种机械和电学的扰动，敏感 电极ΑΙ15、公共电极1间电容与敏感电极ΑΙΙ16、公共电极1间电容的变化，引起上述两个 电容的充放电。该充放电电流经电荷放大器19差分放大转换为电压信号。然后该电压信 号经过通带截止频率不小于该微机械谐振结构一 14谐振频率的低通滤波器6滤除高频噪 声后，进入限幅电路7。限幅电路7具有如下特征限幅电路7设定限幅电压3V，对于不超 过3V限幅电压的输入信号，让其直接通过；而对于超过3V限幅电压的输入信号，将其限幅 在士3V上。信号在经过限幅电路7后可能由于幅值太大发生畸变，产生其它频率分量；也 可能由于幅值较小，没有发生畸变。带通滤波器8的通带包括微机械谐振结构一 14的谐振 频率。限幅电路7输出的信号进入带通滤波器8，进行信号的选频，滤除由限幅电路7的限 幅而引入的杂波分量。选频后的信号进入自动增益控制环路9进行自动增益的控制。自动 增益控制环路9包括可变增益放大器10和交流/直流转换器11。交流/直流转换器11通 过真有效值转换器实现。可变增益放大器10输出的信号经过真有效值转换器，转换的直流 信号与参考电压Vd进行比较控制可变增益放大器10的放大倍数，从而实现自动增益的控 制。自动增益控制环路9的输出信号进入相位补偿电路12，进行相位的补偿。相位补偿电 路12是相位超前电路。相位补偿电路12的输出分成两路信号，一路经过单位增益放大器 20施加到驱动电极ΑΙΙ18 ；另一路信号经过反相器22后施加到驱动电极ΑΙ17。微机械谐振结构一 14，电荷放大器19，低通滤波器6，限幅电路7，带通滤波器8， 自动增益控制环路9，相位补偿电路12，和由单位增益放大器20、反相器22组成的力矩器 的增益分另Ij为 Al，Α2, A3, Α4, Α5, Α6, Α7, Α8，相移分另ijcpl’ φ2, φ3, φ4, φ5, φ6, φ7，φ8。 则在该微机械谐振结构一 14的谐振频率上，系统上电起振时，整个闭环系统的增益T =Al · A2 · A3 · A4 · A5 · A6 · A7 · A8 > 1 ；稳定振荡时，T = Al · A2 · A3 · A4 · A5 · A6 · A7 · A8 =1。对于整个系统的相移，上电起振时和稳定振荡时都有φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+φ6+φ7+φ8=2π。实施例三
第三种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，本实施例针对的微机械谐振结构4 对应的具体结构可以是图2至图5所示的任一结构，图10中将该结构抽象为微机械谐振结 构二 27，其具体实施方式
如下参阅图10，本实施针对微机械谐振结构二 27，它属于公共电极两侧的固定电极是 连接的结构。该微机械谐振结构二 27，对应于图1所示的电学模型，其固定电极12是一体 的，固定电极Π3也是一体的。本实施例中，固定电极12和固定电极113分别具体化为敏 感电极Β24和驱动电极Β25。首先，微机械谐振结构二 27的公共电极1接地。由于各种机械和电学的扰动，敏 感电极Β24、公共电极1间电容的变化，引起上述两个电极之间电容的充放电。该充放电电 流经电荷放大器19转换为电压信号。然后该电压信号经过通带截止频率不小于该微机械 谐振结构二 27谐振频率的低通滤波器6滤除高频噪声后，进入限幅电路7。限幅电路7具 有如下特征限幅电路7设定限幅电压5V，对于不超过5V限幅电压的输入信号，让其直接 通过；而对于超过5V限幅电压的输入信号，将其限幅在士5V上。信号在经过限幅电路7后 可能由于幅值太大发生畸变，产生其它频率分量；也可能由于幅值较小，没有发生畸变。带 通滤波器8的通带包括了微机械谐振结构二 27的谐振频率。限幅电路7输出的信号进入 带通滤波器8，进行信号的选频，滤除由限幅电路7的限幅而引入的杂波分量。选频后的信 号进入自动增益控制环路9进行自动增益的控制。自动增益控制环路9包括可变增益放大 器10和交流/直流转换器11。交流/直流转换器11通过整流器加低通滤波器实现。可变 增益放大器10输出的信号经过交流/直流转换器11后，转换的直流信号与参考电压Vd进 行比较控制可变增益放大器10的放大倍数，从而实现自动增益的控制。自动增益控制环路 9的输出信号进入相位补偿电路12，进行相位的补偿。相位补偿电路12是相位延时电路。 相位补偿电路12与直流偏置电压Vp经过加法器Β26相加后施加到驱动电极Β25。并且该 直流偏置电压Vp施加在电荷放大器19的正输入端，使其浮地，平衡敏感电极Β24和驱动电 极Β25之间的直流电压。微机械谐振结构二 27，电荷放大器19，低通滤波器6，限幅电路7，带通滤波 器8，自动增益控制环路9，相位补偿电路12，和由加法器Β26组成的力矩器的增益 分另 Ij 为 Al，Α2, A3, Α4, Α5, Α6, Α7, Α8,相移分另ijcpl’ φ2, φ3, φ4, φ5, φ6, φ7，φ8。贝 Ij 在 该微机械谐振结构二 27的谐振频率上，系统上电起振时，整个闭环系统的增益T = Al · Α2 · A3 · Α4 · Α5 · Α6 · Α7 · Α8 > 1 ；稳定振荡时，T = Al · Α2 · A3 · Α4 · Α5 · Α6 · Α7 · Α8 =1。对于整个系统的相移，上电起振时和稳定振荡时都有φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+φ6+φ7+φ8=4π。
权利要求
一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，由I/V转换器(5)，低通滤波器(6)，限幅电路(7)，带通滤波器(8)，自动增益控制环路(9)，相位补偿电路(12)和力矩器(13)组成；微机械谐振结构(4)的电容变化引起充放电电流变化，该变化电流经I/V转换器(5)后，将电流信号转换为电压信号；该电压信号经过通带截止频率不小于微机械谐振结构(4)谐振频率的低通滤波器(6)后，进入限幅电路(7)；限幅电路(7)输出的信号进入带通滤波器(8)，进行信号的选频，滤除由限幅电路(7)的限幅而引入的杂波分量；带通滤波器(8)的通带包含微机械谐振结构(4)的谐振频率；选频后的信号进入自动增益控制环路(9)进行自动增益的控制；自动增益控制环路(9)包括可变增益放大器(10)和交流/直流转换器(11)；可变增益放大器(10)输出的信号经过交流/直流转换器(11)后，转换的直流信号与参考电压Vd进行比较控制可变增益放大器(10)的放大倍数，从而实现自动增益的控制；自动增益控制环路(9)的输出信号进入相位补偿电路(12)，进行相位的补偿；相位补偿电路(12)是相位超前电路或者相位延时电路；相位补偿电路(12)的输出经过力矩器(13)反馈回来驱动微机械谐振结构(4)的振荡；微机械谐振结构(4)，I/V转换器(5)，低通滤波器(6)，限幅电路(7)，带通滤波器(8)，自动增益控制环路(9)，相位补偿电路(12)，力矩器(13)的增益传递函数分别为A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，相移分别为自动增益控制环路(9)，调节整个环路的增益，使其满足微机械谐振结构(4)的增益起振条件和稳定振荡的增益平衡条件，即在该微机械谐振结构(4)的谐振频率上，上电起振时T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＞1；稳定振荡时，T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＝1；相位补偿电路(12)，调节整个环路的相位，使其满足微机械谐振结构(4)的相位起振条件和稳定振荡的相位平衡条件，即在该微机械谐振结构(4)的谐振频率上，上电起振时和稳定振荡时都有n为整数。FSA00000151430200011.tif,FSA00000151430200012.tif
2.一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，其特征在于，所述的I/V转换器(5)为跨 阻放大器或者电荷放大器。
3.一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，其特征在于，所述的交流/直流转换器(11)为整流器加低通滤波器或者真有效值转换器。
4.一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，其特征在于，当微机械谐振结构(4)为 可动电极一体，固定电极断开结构，并且固定电极接地时，所述的力矩器(13)由单位增益 放大器(20)、加法器AI (21)、反相器(22)、加法器All (23)组成，其连接关系为从移相器(12)输出的信号分为两路，一路为单位增益放大器(20)和加法器AI(21)串行连接，然后施 加到驱动电极AII(18)；—路为反相器(22)和加法器AII(23)串行连接，然后施加到驱动 电极 AI(17)。
5.一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，其特征在于，当微机械谐振结构(4)为 可动电极一体，固定电极断开结构，并且固定电极接偏置电压Vp时，所述的力矩器(13)由 单位增益放大器(20)和反相器(22)组成，其连接关系为从移相器(12)输出的信号分为 两路，一路经单位增益放大器(20)施加到驱动电极AII(18)；另一路经反相器(22)施加到 驱动电极AI(17)。
6. 一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，其特征在于，所述的力矩器(13)由一个 加法器B (26)组成，其连接关系为从移相器(12)输出的信号经加法器B (26)施加到驱动 电极B(25)。
全文摘要
本发明公开了一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，为一种基于限幅电路7、带通滤波器8、自动增益控制环路9和相位补偿电路12为主要组成的交流自动增益控制闭环自激驱动电路。首先，通过自动增益控制环路9调节环路的增益和通过相位补偿电路12调节环路的相位，将增益调节与相位调节分离开来，避免了增益调节与相位调节之间的耦合影响，方便了电路的调试；其次，限幅电路7和带通滤波器8的引入，扩大了电路的线性工作范围，即使I/V转换器5检测到很大的输出信号，也会经过限幅电路7，将信号限制在一定的幅度上，再通过带通滤波器8将杂波信号滤除，使反馈回的驱动信号限制在谐振频率处，避免了电路中引入非线性信号，造成谐振的不稳定。
文档编号H03H9/00GK101860338SQ20101019159
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者乔大勇, 任森, 李小卿, 王玉朝, 苑伟政, 袁广民 申请人:西北工业大学