用于机械振幅驱动的MEMS设备自动增益控制回路的制作方法

本申请涉及微机电系统(MEMS)，特别是用于MEMS装置的自动增益控制。

技术实现要素：
除其他内容外，本申请提供了用于数字自动增益控制的设备和方法，用于驱动MEMS装置，例如检测质量(proofmass)。在实例中，设备可包括：驱动器，被配置为振荡MEMS装置的检测质量；电荷-电压(C2V)转换器，被配置为提供所述检测质量的振荡信息；模拟-数字转换器(ADC)，被配置为提供所述振荡信息的数字表示；以及数字自动增益控制电路，被配置为利用所述振荡信息与目标振幅信息的比较提供振荡幅度误差信息，以及利用所述振荡幅度误差信息的放大表示提供数字驱动指令信号。本申请还公开了一种方法，包括：利用驱动器振荡MEMS陀螺仪的检测质量；利用电荷-电压转换器接收所述检测质量的振荡信息；利用模拟-数字转换器提供所述振荡信息的数字表示；利用所述振荡信息与目标振幅信息的比较以及数字自动增益电路，提供振荡幅度误差信息；以及利用所述振荡幅度误差信息以及所述数字自动增益控制电路，提供数字驱动指令信号。该部分意在提供本专利申请主题的概述，而非提供本发明的排他的或穷尽的解释。以下包含具体实施方式，以有关本专利申请的进一步信息。附图说明在附图(其不一定按比例绘制)中，相同的附图标记可在不同的视图中描述相同的部件。具有不同字母后缀的相同附图标记可表示不同例子的相似部件。附图以示例而非限制的方式大体示出了本申请中所论述的各个实施例。图1示出了连接至MEMS陀螺仪的模拟控制电路；图2大体示出了MEMS陀螺仪系统实例的方框图；图3大体示出了包括数字自动增益控制(AGC)电路实例的MEMS控制电路实例。具体实施方式MEMS陀螺仪利用振动检测质量的偏移(deflection)提供动作检测和测量信号。所述偏移由所述振动检测质量(例如，陀螺仪的检测质量)的运动和产生的科里奥利力(Coriolisforce)的组合引起。MEMS陀螺仪的稳健性可取决于检测质量振荡的稳定性。本发明人已认识到自动增益控制(AGC)设备和方法，用以驱动检测质量在检测质量的谐振频率下以稳定的振幅振荡。在一些实例中，AGC回路可通过驱动电极调节泵入MEMS陀螺仪的静电力，如此，可观察到所述陀螺仪的检测质量的机械振荡幅度并将其保持在可编程目标值。在一些实例中，AGC回路可包括如此结构：可实现以极低噪声感应检测质量的振荡且回路操作的处理可在无噪声的、数字环境中完成。图1示出了连接至MEMS陀螺仪102的模拟控制电路104。MEMS陀螺仪102可包括驱动电极(gdp，gdn)和驱动感应电极(gp，gn)，用于将模拟控制电路104连接至MEMS陀螺仪102。模拟控制电路104可利用驱动器电路107驱动MEMS陀螺仪的检测质量振荡，该驱动器电路107连接至MEMS陀螺仪102的驱动电极(gdp，gdn)。通过MEMS陀螺仪的驱动感应电极(gp，gn)和模拟控制电路104的驱动感应电荷-电压(C2V)转换器105，模拟控制电路104可接收检测质量位置信息。移相器106可向模拟控制电路104的占空比发生器140提供检测质量的相位移动位置信息，以生成用于驱动器电路107的指令信号。在一些实例中，移相器106可以向MEMS陀螺仪102的检测质量的持续振荡提供相位移动。模拟峰值检测器141也可接收检测质量位置信息并可提供检测质量振荡的振幅信息。模拟比较器142可将该振幅信息与所期望的振幅参考(AREF)进行比较，并可提供包括振幅误差信息或振荡幅值误差信息的振幅误差信号。在一些实例中，模拟比较器142可包括增益调整以缩放振幅误差信号。模拟控制电路104的反馈回路143可利用回路补偿模块144进一步补偿振幅误差信息以辅助占空比发生器140生成用于驱动器电路107的控制信号。响应于控制信号，驱动器电路107可驱动MEMS陀螺仪102的检测质量在谐振频率以稳定振荡幅度进行振荡。图2大体示出了包括数字自动增益控制(AGC)电路201实例的MEMS陀螺仪系统200的方框图。该MEMS陀螺仪系统200可包括MEMS陀螺仪202和MEMS控制电路204，其中，MEMS陀螺仪202包括检测质量203，例如悬挂检测质量。在一些实例中，MEMS控制电路204可包括：感应电荷-电压(C2V)转换器205、移相电路206、驱动电路207以及AGC电路201。AGC电路201可向驱动电路207提供指令信号以驱动MEMS陀螺仪202的检测质量203在该检测质量的谐振频率下进行振荡。在一些实例中，检测质量203可具有约20kHz的谐振频率。应该理解，检测质量203可具有有别于约20kHz之外的其他谐振频率，而不背离本主题的范围。驱动感应C2V205可被连接至MEMS陀螺仪202的检测质量203的驱动感应电极(gp，gn)。驱动感应电极(gp，gn)可提供指示检测质量203的实际振荡的差分容性电荷信号。差分电容性电荷信号可被用开向驱动电路207提供相位和振幅反馈。应该理解，检测质量可包括单独感应信号，以提供非差分容性电荷信号，而不背离本主题的范围。在一些实例中，驱动电路207可提供功率控制信号以振动MEMS陀螺仪的检测质量。在一些实例中，驱动电路207可向一个或多个检测质量驱动电极(gdp，gdn)提供功率控制信号以使检测质量在谐振频率下振动。在一些实例中，驱动电路207可向一个或多个检测质量驱动电极(gdp，gdn)提供功率控制信号以利用静电激励振动检测质量。在一些实例中，在检测质量203振动时，驱动感应C2V转换器205可提供该检测质量203的电容性感应位置信息。在实例中，移相电路206可向驱动感应C2V转换器205的输出引入90度的相移，以确保检测质量203的振荡(或振动)。相应的，驱动电路207可从移相电路206接收相位移动输出，以驱动检测质量203。在一些实例中，可通过MEMS陀螺仪系统200的回路实现360度的相移以确保检测质量203的振荡。在实例中，驱动感应C2V转换器205可提供90度的相移，移相电路206可引入90度的相移，并且驱动电路可提供反相以确保检测质量203的振荡。在一些实例中，AGC电路201可利用驱动感应C2V205的输出来监测和控制检测质量振荡的振幅。图3大体示出了包括数字AGC电路301实例的MEMS控制电路304实例。在一些实例中，MEMS控制电路304可被连接至MEMS装置(未示出)，例如MEMS陀螺仪。在一些实例中，MEMS陀螺仪可包括检测质量、驱动电极、驱动感应电极和感应电极(未示出)。在一些实例中，MEMS控制电路304可包括模拟部分311和数字AGC电路301。在一些实例中，模拟部分311可包括：驱动感应C2V转换器305、输入模拟-数字转换器(ADC)312、输出数字-模拟转化器(DAC)313、驱动电路307、以及连接在驱动电路307和驱动感应C2V转化器305之间的移相电路306。在一些实例中，驱动感应C2V转换器305可从MEMS陀螺仪的驱动感应电极接收电容性信号并提供表示该电容性信号的电压信号。该电压信号可被用来向驱动电路307提供检测质量的位置信息，如相位和振幅的反馈。在一些实例中，驱动电路307可提供功率信号以振动MEMS陀螺仪的检测质量。在一些实例中，驱动电路307可使检测质量在谐振频率下振动。在一些实例中，驱动电路可提供功率信号以利用静电激励使检测质量振动。在一些实例中，在检测质量振动时，驱动感应C2V转换器305可提供检测质量的电容性感应位置信息。在一些实例中，移相电路306可向驱动感应C2V转换器305提供90度的相移以确保检测质量的振荡(或振动)。相应地，驱动电路307可从移相电路306接收相位移动输出以驱动检测质量。在这样的实例中，移相电路306可相对于检测质量的动作提供90度的相移以向驱动电路307提供所需的180度的相移来确保检测质量的振荡。在一些实例中，数字AGC电路301可利用驱动感应C2V305的输出监测和控制检测质量振荡的振幅。在一些实例中，MEMS控制电路304的数字AGC301可包括：输入部分316、输出部分317以及控制部分318。在一些实例中，输入部分316可包括驱动感应ADC312和多种滤波器319、320，以提供数字化的驱动感应信号。在实例中，驱动感应ADC312可包括带通delta-sigmaADC。应该理解，也可以使用其他类型的ADC转换器，而不会脱离本主题的范围。在一些实例中，带通sigma-deltaADC可提供简单的驱动感应信号的数字转换，同时降低1/f的噪声。在一些实例中，输入部分316可包括sinc5滤波器319和带通滤波器320；sinc5滤波器319用来对驱动感应ADC312的单比特数据流输出进行下采样以及提供驱动感应ADC312的单比特数据流输出的多比特表示；带通滤波器320用来移除带通滤波输入信号中的大部分带外噪声。在实例中，sinc5滤波器319可工作于约972kHz数据率下，接收单比特数据流。在实例中，相比于sinc5滤波器319，带通滤波器320可工作于较低的数据率下。在一些实例中，带通滤波器320的数据率大约为sinc5滤波器319的八分之一。在一些实例中，带通滤波器320具有约500Hz的带宽。在一些实例中，输入部分316可包括数字振幅检测器321，用来检测带通滤波器320的输出信号的振荡幅度的表示。在一些实例中，数字振幅检测器321可包括绝对值(|x|)振幅检测器。在实例中，数字振幅检测器321可包括x2数字振幅检测器，其不受采样瞬间(例如，定时抖动)中非理想情况的影响，从而减少相位噪声。在一些实例中，控制部分318可接收目标振幅设定点(目标)，并可包括：求和节点322、平均滤波器323、增益乘法器324、以及启动控制逻辑325。在一些实例中，控制部分318可包括设定点乘法器326，目标振幅设定点(目标)由该设定点乘法器326进行缩放，以与输入部分316的数字振幅检测器321的输出进行求和。在一些实例中，求和节点322可提供表示数字振幅检测器321的输出与目标振幅设定点(目标)之间的差值的误差信号(例如，相位误差信号或者振荡幅度误差信号)。在一些实例中，平均滤波器323可被用来滤除误差信号中的高频噪声。在一些实例中，平均滤波器323可包括有限脉冲响应(FIR)滤波器，该FIR滤波器可滤波、或平均、或平滑给定数量的采样或采样期间的误差信号。在一些实例中，平均滤波器323可包括对平均滤波器323的输出进行缩放的比特位移模块327。在一些实例中，误差信号可被倍增或放大某一增益(dig.gain)倍以为检测质量驱动电路307提供指令信号。在一些实例中，控制部分318可不包括积分误差增益模块(未示出)以便以较简单的方式实现。在控制部分318不包括积分增益模块的那些实例中，可避免将需要数百微秒到秒以确定其最终值的低频对。在一些实例中，启动控制逻辑325在启动期间，例如当误差信号相当大时，被用来驱动检测质量。在一些实例中，启动控制逻辑325可包括将指令信号与AGC使能阈值(ST)进行比较的比较器328。在实例中，当指令信号超过AGC阈值(ST)时，比较器328提供控制信号(start_en)使驱动电路307利用预定驱动信号(例如，预定驱动信号波形)驱动检测质量。在实例中，驱动电路307可接收启动控制逻辑325的控制信号(start_up)，从而利用预定驱动信号驱动检测质量。在一些实例中，预定驱动信号可包括预定频率下的方波波形。在一些实例中，移相电路306可向驱动电路307提供一个或多个模版波形，例如用于AGC使能振幅控制的正弦波形和用于启动模式控制的方波波形。当指令信号缩减以至其不超过AGC使能阈值(ST)时，启动控制逻辑325的控制信号(start_en)转变至第二态。在一些实例中，当控制信号(start_en)处于第二态时，驱动电路响应于指令信号驱动检测质量。在一些实例中，当启动信号(start_en)处于第二态时，驱动电路307以正弦波形驱动检测质量。在一些实例中，指令信号中没有积分误差增益成分可避免可在系统快速转换时出现的开关(bang-bang)振荡行为，并且可实现响应于指令信号的启动模式类型驱动控制与AGC振幅驱动控制模式之间的转换。在一些实例中，输出部分317可将指令信号分为使用粗调增益级的粗调增益输出信号(粗调增益)和使用微调增益级的微调增益输出信号(微调增益)。微调增益级可包括数字限幅器329、一个或多个数字上采样器330、331、以及驱动数字-模拟转换器(DAC)，例如sigma-delta(∑Δ)DAC313；该微调增益级用以提供指令信号变化的基本单元。在一些实例中，粗调增益级可包括：低通滤波器332，用来接收受限指令信号；以及增益控制计数器333，其可在截断的、经滤波的指令信号过冲或下冲微调增益寄存器时增加和减小。在一些实例中，粗调增益级可包括反馈或校正回路334以在粗调增益输出有变化后增加/减小非受限指令信号某一预定值，如此，在一粗调增益变化后，截断的指令信号不会留在最大或最小转换边缘。在一些实例中，相比微调增益输出，粗调增益输出(粗调增益)可以较慢的速率更新。在一些实例中，驱动电路307可接收粗调增益输出(粗调增益)和微调增益输出，以及响应于收到的粗调和微调增益输出信号调整连接至检测质量的驱动信号。在各个实例中，数字AGC电路301可在单个集成电路上实现。在一些实例中，数字AGC电路301可在单个集成电路上实现并且可包括一个或多个Δ∑ADC和∑ΔDAC。在实例中，通过运行数字环境中的输入级、输出级和控制级，数字AGC电路301可降低输出增益信号中的噪声。附加注释在实例1中，设备可包括：驱动器，被配置为振荡MEMS陀螺仪的检测质量；电荷-电压(C2V)转换器，被配置为从MEMS陀螺仪接收感应信号以及提供所述检测质量的振荡信息；模拟-数字转换器(ADC)，被配置为接收所述检测质量的所述振荡信息以及提供所述振荡信息的数字表示；和，数字自动增益控制电路，被配置为接收所述振荡信息的所述数字表示，利用所述振荡信息与目标振幅信息的比较提供振荡幅度误差信息，以及利用所述振荡幅度误差信息的放大表示提供数字驱动指令信号。在实例2中，实例1中的所述ADC可选地被配置为利用单比特数据流提供所述感应信号的所述数字表示。在实例3中，实例1-2中任一个或多个所述的数字自动增益控制电路可选地包括：下采样模块，其用于接收所述单比特数据，以及利用第一多比特数据流提供所述感应信号的第二数字表示。在实例4中，实例1-3中任一个或多个所述的数字自动增益控制电路可选地包括：带通滤波器，被配置为接收所述第一多比特数据流，以及利用第二多比特数据流提供所述感应信号的第三数字表示。在实例5中，实例1-4中任一个或多个所述的数字自动增益控制电路可选地包括：振幅检测器，被配置为对所述感应信号的所述第三数字表示进行平方运算，以提供所述感应信号的振幅信息。在实例6中，实例1-5中任一个或多个所述的数字自动增益控制电路可选地包括：数字比较器，被配置为接收振幅信息和所述目标信息，以及提供所述振荡幅度误差信息。在实例7中，实例1-6中任一个或多个所述的数字自动增益控制电路可选地包括：有限脉冲响应滤波器，被配置为对多个采样期间的所述振荡幅度误差信息求平均，以提供平滑误差信号。在实例8中，实例1-7中任一个或多个所述的ADC可选地包括带通delta-sigmaADC。在实例9中，实例1-8中任一个或多个所述的设备可选地包括数字-模拟转换器，被配置为接收所述数字驱动指令信号的至少一部分以及向所述驱动器提供模拟指令信号。实例10，实例1-9中任一个或多个所述的所述数字自动增益控制电路可选地包括输出级。所述输出级包括：微调增益寄存器，被配置为提供所述数字驱动指令信号的变化的基本单元；低通滤波器；以及粗调增益计数器，被配置为增加所述微调增益寄存器的过冲和减小所述微调增益寄存器的下冲，以及提供所述振荡幅度误差信息的所述放大的校正。实例11，一种方法，可包括：利用驱动器振荡MEMS陀螺仪的检测质量；利用电荷-电压转换器接收所述检测质量的振荡信息；利用模拟-数字转换器提供所述振荡信息的数字表示；利用所述振荡信息与目标振幅信息的比较以及数字自动增益电路，提供振荡幅度误差信息；以及利用所述振荡幅度误差信息以及所述数字自动增益控制电路，提供数字驱动指令信号。实例12，实例1-11中任一个或多个所述的提供数字表示可选地包括：利用单比特数据流提供所述振荡信息的数字表示。实例13，实例1-12中任一个或多个所述的方法可选地包括：对所述单比特数据流进行下采样，以利用多比特数据流提供所述振荡信息的第二数字表示。实例14，实例1-13中任一个或多个所述的方法可选地包括：利用带通滤波器处理所述第一多比特数据流，以提供所述振荡信息的第三数字表示。实例15，实例1-14中任一个或多个所述的方法可选地包括：在所述数字自动增益控制电路的振幅检测器处接收所述振荡信息的所述第三数字表示；以及利用所述振幅检测器提供所述振荡信息的振幅信息。实例16，实例1-15中任一个或多个所述的方法可选地包括：利用所述数字自动增益控制电路的数字比较器，将所述振幅信息与所述目标信息进行比较，以提供所述振荡幅度误差信息。实例17，实例1-16中任一个或多个所述的方法可选地包括：利用有限脉冲响应滤波器，对预定数量的采样中的所述振荡幅度误差信息求平均，以提供平滑误差信号。实例18，实例1-17中任一个或多个所述的方法可选地包括：利用数字-模拟转换器将所述数字驱动指令信号转换为模拟驱动指令信号；以及在所述驱动器处接收所述模拟指令信号。实例19，实例1-18中任一个或多个所述的方法可选地包括：在所述数字自动增益控制电路的输出级处接收所述振荡幅度误差信息的放大表示；利用数字限幅器以及一个或多个数字上采样器，处理所述振荡幅度误差信息的所述放大表示，以提供所述数字驱动指令信号的微调部分；以及利用低通滤波器和增益控制计数器，处理所述振荡幅度误差信息的所述放大表示，以提供所述数字驱动指令信号的粗调部分。实例20，实例1-18中任一个或多个所述的利用低通滤波器和增益控制计数器，处理所述振荡幅度误差信息的所述放大表示可选地包括：在所述低通滤波器过冲时，增加所述增益控制计数器的值；以及在所述低通滤波器下冲时，减小所述增益控制计数器的值。实例21，实例1-20中任一个或多个所述的利用低通滤波器和增益控制计数器，处理所述振荡幅度误差信息的所述放大表示可选地包括：在所述增益控制计数器的值发生变化时，反馈所述振荡幅度误差信息的所述放大表示的校正。上述具体实施方式包括对附图的参考，附图形成具体实施方式的一部分。附图以举例说明的方式示出了本发明能够用以实践的具体实施例。于此，这些实施例也称为“实例”。这些实例可包括除那些示出的或描述的元件之外的元件。然而，本发明人也考虑了仅包括示出的或描述的元件的实例。而且，本发明人还考虑了所示出的或描述的元件的组合或置换的实例，或有关在此示出或描述的特定实例(或其一个或多个方面)或其他实例(或其一个或多个方面)。本申请所涉及到的所有出版物、专利以及专利文件全部作为本发明的参考内容，尽管它们是分别加以参考的。如果本申请与参考文件之间存在使用差别，则参考文件的使用应视为本申请使用的补充；若二者之间存在不可调和的差异，则以本申请的使用为准。在本申请中，与专利文件通常使用的一样，术语“一”或“某一”表示包括一个或两个以上，不同于“至少一个”或“一个或更多”的其它例子或用法。在本申请中，除非另外指明，否则使用术语“或”指无排他性的或者是，“A或B”包括：“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。在所附的权利要求中，术语“包含”和“在其中”等同于各个术语“包括”和“其中”的通俗英语而使用。而且，在下述权利要求中，术语“包含”和“包括”是开放性的，即，包括除了权利要求中这样的术语之后所列出的那些要素以外的要素的系统、装置、物品或步骤，依然视为落在该项权利要求的范围之内。而且，在下述权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标识，并非对其对象有数量要求。本文所述的方法示例至少部分可以是机器或计算机执行的。一些示例可包括计算机可读介质或机器可读介质，其被编码有可操作为将电子装置配置为执行如上述示例中所述的方法的指令。这些方法的实现可包括代码，例如微代码，汇编语言代码，高级语言代码等。该代码可包括用于执行各种方法的计算机可读指令。所述代码可构成计算机程序产品的部分。此外，所述代码可例如在执行期间或其它时间被有形地存储在一个或多个易失或非易失性有形计算机可读介质上。这些有形计算机可读介质的示例包括但不限于，硬盘、移动磁盘、移动光盘(例如，压缩光盘和数字视频光盘)，磁带，存储卡或棒，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)等。以上实施方式旨在解释说明而非限制。在其它实施例中，以上实施方式的示例(或其一个或多个方面)可以相互结合使用。例如，本领域普通技术人员通过回顾以上实施方式可以使用其他实施例。摘要被提供以符合37C.F.R.§1.72(b)，从而使得读者能够快速确定技术发明的类型。应当理解的是，该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。而且，在以上的具体实施方式中，各种特征可组合在一起以简化本发明。这不应理解为未要求的公开特征对任何权利要求来说是必不可少的。相反，创造性的主题可以以比特定公开实施例的所有特征更少的特征而存在。因而，下述的权利要求以每个权利要求作为单独实施例的方式并入具体实施方式中。本发明的范围应当参照所附的权利要求以及与这些权利要求的所属相当的整个范围来确定。