一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路的制作方法

本发明涉及一种微机械陀螺仪的闭环驱动电路，尤其是一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路。

背景技术：

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。微机械陀螺仪是一种重要的惯性MEMS器件。典型的微机械陀螺仪由传感器件和接口电路两部分构成，其工作原理是基于哥氏力(Coriolis Force)效应。以谐振式电容型微机械陀螺仪为例，如图1所示，闭环驱动电路先将传感器件的驱动模态(X方向)驱动至谐振状态，当有外界角速度Ω_z输入时，在检测模态(Y方向)将会产生大小为2MΩv的哥氏力F_c，此哥氏力会造成Y方向产生频率与X方向相同的调幅位移信号y(t)，从而引起检测极板等效电容C(t)变化，通过检测电路读出C(t)并解调滤波，即可得到反映输入角速度信号Ω_z的输出电压信号V_out。

由于微机械陀螺仪传感器件加工工艺的精度有限，传感器件驱动方向上的驱动极板与驱动反馈极板间不可避免的会存在一个寄生电容，称之为寄生跨接电容，如图2所示。由于寄生跨接电容的存在，导致驱动信号可以直接通过此电容耦合至驱动反馈端，并带来诸多负面效应。主要的负面效应包括阻止“电学-机械”振荡的发生以及引发“电学振荡”。如图3所示，“电学-机械”振荡是指闭环驱动电路与驱动极板等效电容C_d与驱动反馈极板等效电容C_s形成的振荡，一般由陀螺仪驱动轴谐振频率决定，在几千赫兹(kHz)至几十千赫兹(kHz)范围内，是期望发生的；而“电学振荡”指闭环驱动电路与寄生跨接电容C_f形成的振荡，由闭环驱动电路结构和寄生跨接电容C_f的大小有关，一般在百千赫兹(kHz)以上，是不期望发生的。但是，闭环驱动电路与寄生跨接电容构成的环路满足振荡发生的增益条件与相位条件时，陀螺仪有可能落入电学振荡频率点而无法正常工作，因此，需要想办法避免电学振荡。

寄生跨接电容阻止“电学-机械”振荡发生的原因分析如下。如图3所示，当存在寄生跨接电容C_f时，闭环驱动电路检测的电流为经C_f耦合的电流i_f与微陀螺驱动反馈极板端的电流i_s的叠加。由于i_f和i_s有90度的相位差，若i_f远大于i_s，由于环路中相位条件无法满足，期望的“电学-机械”振荡将不会发生。图3中的振荡器电学模型可以表示为

其中，X为陀螺仪质量块的位移，F_ext为驱动力，m_x为陀螺仪质量块X轴方向重量，ω_x为陀螺仪驱动轴本征角频率，Q为陀螺仪驱动轴品质因子，V_dc和V_b分别为驱动端和驱动反馈端的直流压差，V_dr是驱动电压，C_d为驱动极板等效电容，C_s为驱动反馈极板等效电容，K_F/V²为驱动电压转驱动力转换系数，K_c/x是位移电容转换系数。由式(1)可得振荡器跨导的表达式为

令式(2)中跨导相位等于零，可得方程

其中ω_d为驱动信号频率。为使得式(3)有实数根，需满足

式(4)表明，避免电学振荡的发生办法主要有两个，第一是从传感器件机械设计角度，尽量减小跨接寄生电容C_f的值；第二是从电路设计角度，可以通过改变式(4)中的各个变量，比如提高施加在微陀螺质量块上的极化电压V_p，以提高直流压差V_b和V_dc。

目前避免电学振荡的方法包括，在机械设计方面，有将衬底材料由硅换成玻璃(参见Alper S E,Akin T.Symmetrical and decoupled nickel microgyroscope on insulating substrate[J].Sensors&Actuators A Physical,2004,115(2–3):336-350.)、在驱动极板和驱动反馈极板间增加偏置极板(参见Park H W,Kim Y K,Jeong H G,et al.Feed-through capacitance reduction for a micro-resonator with push–pull configuration based on electrical characteristic analysis of resonator with direct drive[J].Sensors&Actuators A Physical,2011,170(1):131-138.)等方法，但这些方法本质上只能减小寄生跨接电容，并无法完全避免电学振荡，而且会增大传感器件的设计复杂度。而在电路设计方面，目前有在跨阻放大器上跨接补偿电容以抑制高频振荡信号的方法(参见Alper S E,Sahin K,Akin T.An Analysis to Improve Stability of Drive-Mode Oscillations in Capacitive Vibratory MEMS Gyroscopes[J].2009,51(1):817-820.)，但此方法的缺点是大的补偿电容会引入大的相位移动，导致振荡频率大量偏离谐振频率。另一种方法是增大传感器件质量块上的偏置电压，从而避免振荡器起振时落入电学振荡点(参见Wu H M,Yin T,Jiao J W,et al.Analysis of parasitic feed-through capacitance effect in closed-loop drive circuit design for capacitive micro-gyroscope[J].Microsystem Technologies,2016,22(9):1-7.)，但此方法的缺点是稳定的高压偏置难以在常规电压工艺的集成电路芯片上实现。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路，以解决目前闭环驱动电路防电学振荡设计中存在振荡频率大量偏离谐振频率与高压偏置难以用常规集成电路工艺片上实现的问题，避免陀螺仪驱动轴落入电学振荡而导致陀螺仪无法正常工作。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路，由陀螺仪传感器件、读出电路、比较器、锁相环、幅度提取电路、幅度调节电路、频率测量电路、电压预置电路、激励电路以及开关1、开关2、开关3及时序控制电路组成。此闭环驱动电路的设计思想将锁相环串联进入闭环驱动电路，并将锁相环中的压控振荡器预置成陀螺仪驱动轴谐振频率附件启动振荡，利用锁相环的窄带滤波及频率追踪功能，避免电学振荡发生。

所述的陀螺仪传感器件的驱动反馈极板与读出电路相连接、读出电路与比较器相连接、比较器与锁相环相连接、锁相环与幅度调节电路相连接、幅度调节电路通过开关2与陀螺仪传感器件的驱动极板断开或相连接构成闭环，负责驱动陀螺仪传感器件沿驱动轴振荡。

所述的幅度提取电路分别与读出电路和幅度调节电路相连接，并与陀螺仪传感器件构成闭环反馈控制振荡信号幅度。

所述的激励电路通过开关1与陀螺仪传感器件的驱动极板断开或相连接，负责激励陀螺仪传感器件振荡，频率测量电路与读出电路相连接负责读出振荡信号频率值，电压预置电路与频率测量电路相连接将频率值转换成预置电压信号，并通过开关3与锁相环中的压控振荡器断开或相连接，负责预置压控振荡器的起振频率。

所述的时序控制电路负责控制开关1、开关2和开关3的闭合与打开的时序。

所述的闭环驱动电路的具体工作原理及工作时序为初始阶段开关1、开关2、开关3均打开；第一阶段开关1闭合后迅速打开、开关2与开关3保持打开，利用振荡器的“激励-衰减”原理，由激励电路激励陀螺仪传感器件，然后取消激励，传感器按谐振频率衰减振荡，由频率测量电路读出衰减振荡信号频率值，并由电压预置电路计算对应的锁相环中压控振荡器的预置电压；第二阶段开关1和开关2保持打开，开关3闭合，将预置电压施加于压控振荡器；第三阶段开关1保持打开，开关3打开，开关2闭合，利用锁相环追踪陀螺仪谐振频率，并由幅度提取电路和幅度调节电路反馈控制传感器振荡幅度，使得陀螺仪传感器件以谐振频率按恒定幅度振荡。

所述的锁相环的压控振荡器的初始振荡频率可以通过预置输入控制电压进行预置。

所述的电压预置电路通过频率值到电压的转换将测量得到的频率值与压控振荡器对应的频率建立映射关系。

所述的幅度调节电路通过比较幅度提取电路输出的幅度信号与参考信号获得差值，并用此差值调节锁相环输出方波信号的幅度。

与现有技术相比，本发明的优点在于闭环驱动电路将锁相环串入闭环环路，利用预置起振频率的锁相环追踪陀螺仪驱动轴谐振频率，从而有效避免电学振荡发生，并可用常压集成电路工艺实现。

附图说明

图1为本发明涉及的一种电容型谐振式微机械陀螺仪的工作原理示意图，但不仅限于电容型，其他类型谐振式微机械本发明同样适用；

图2为现有技术中跨接寄生电容存在于微机械陀螺仪传感器件的示意图；

图3为现有技术中寄生跨接电容存在时陀螺仪传感器件与闭环驱动电路构成的振荡器的模型；

图4为本发明所述的防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路框图；

图5为本发明所述的闭环驱动电路工作时序图；

图6为图4中激励电路的一种实现结构，为一种频率可调的弛豫振荡器；

图7为图4中频率测量电路的一种实现结构；

图8为图4中锁相环的一种实现结构；

图9为图8中压控振荡器的一种实现电路，为四级环形结构；

图10为图4中读出电路的一种实现结构，为跨阻放大结构的读出电路；

图11为图4中比较器的一种实现结构，为迟滞结构比较器；

图12为图4中幅度提取电路的一种实现结构，为整流器结构；

图13为图4中幅度调节电路的一种实现结构，为基于比例积分控制器结构的幅度调节电路。

具体实施方式

本发明的一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路框图及工作原理如图4所示，闭环驱动电路由陀螺仪传感器件、读出电路、比较器、锁相环、幅度提取电路、幅度调节电路、频率测量电路、电压预置电路、激励电路以及开关1、开关2、开关3及时序控制电路组成。陀螺仪传感器件、读出电路、比较器、锁相环、幅度调节电路与开关2构成闭环，负责驱动陀螺仪传感器件沿驱动轴振荡。幅度提取电路、幅度调节电路与读出电路、陀螺仪传感器件构成闭环，负责控制陀螺仪传感器件振荡幅度恒定。激励电路负责激励陀螺仪传感器件振荡，频率测量电路负责读出振荡信号频率值，电压预置电路负责将频率值转换成预置电压信号，并施加到锁相环中的压控振荡器上，预置压控振荡器的起振频率。时序控制电路通过控制开关1、开关2和开关3的闭合与打开控制电路工作的时序。

锁相环的压控振荡器的初始振荡频率可以通过预置输入控制电压进行预置。

电压预置电路通过频率值到电压的转换将测量得到的频率值与压控振荡器对应的频率建立映射关系。

幅度调节电路通过比较幅度提取电路输出的幅度信号与参考信号获得差值，并用此差值调节锁相环输出方波信号的幅度。

闭环驱动电路的设计思想是将锁相环中的压控振荡器预置成陀螺仪驱动轴谐振频率附件启动振荡，利用锁相环的窄带滤波及频率追踪功能，避免电学振荡发生。由此，闭环驱动电路的工作时序可以分成4个阶段，如图5所示，初始阶段开关1、开关2和开关3均打开，电路待命；第一阶段开关1打开后迅速关闭、开关2和开关3保持关闭，利用振荡器的“激励-衰减”原理，由激励电路激励陀螺仪传感器件，传感器按谐振频率衰减振荡，然后由频率测量电路读出衰减振荡信号频率值，并由电压预置电路计算对应的锁相环中压控振荡器的预置电压；第二阶段开关1和开关2保持打开，开关3闭合，将预置电压施加于压控振荡器，预置压控振荡器的初始振荡频率；第三阶段开关1保持打开，开关3打开，开关2闭合，利用锁相环追踪陀螺仪谐振频率，并由幅度提取电路和幅度调节电路反馈控制传感器振荡幅度，使得陀螺仪传感器件以谐振频率按恒定幅度振荡。下面按照上述时序顺序依次讲述涉及到的电路模块的实现方式或结构。

“激励-衰减”原理是指当陀螺仪传感器件被施加激励一段时间后撤销激励时，传感器件会以其谐振频率衰减振荡，可以表达为

式(5)中V₀为初始电压，取决于传感器及电路的初始状态，ω₀为传感器驱动轴谐振频率，Q为驱动轴品质因子，t是时间。

图6为一种激励电路的实现方式，是一个频率可调的弛豫振荡器，工作时可以通过调节片外电阻R_set将振荡器输出信号频率调谐成接近陀螺仪传感器件驱动轴的谐振频率，然后激励一段时间后撤销。图6中的弛豫振荡器的基本原理描述如下：基准电流I_c交替为两个电容C_m1和C_m2充电，两个电容上的电压经比较器与参考电压V_ref比较，得到的数字信号经过SR触发器产生控制信号V_c1和V_c2，施加在M_2～5构成的反相器上控制电容充放电。由于放电速度远远大于充电，因此计算时可以不考虑放电时间，则控制信号V_c2的周期可表示为

其中ΔV为充电电压范围，C_m为充放电电容。输出信号f_c的频率可表示为

充电电流I_c的大小可由片外电阻R_set进行调节，表达式为

其中，V_ref为参考电压。结合式(6)、(7)和(8)，可得到带通滤波器的中心频率为

其中，由式(9)可知，通过调节片外电阻R_set，即可实现输出信号的频率调节。

图6仅是激励电路的一种实现结构，但不限于此种结构。

图7是一种频率测量电路的实现结构，但不限于此结构，比较器将振荡衰减的输入信号V_in转变成方波信号V_comp，再由计数器通过时钟Clk控制输出数字信号。

电压预置电路可由数模转换器实现，但不限于此结构。数模转换器的位数与频率测量电路输出位数相统一，并且通过控制数模转换器的参考电压实现与锁相环中压控振荡器的频率对应。举例而言，频率测量电路输出是14位数字信号，则最大可表征(2¹⁴-1)Hz，即约16.4kHz的信号，则数模转换器选14位的；假设锁相环中的压控振荡器最大振荡频率为2²⁴Hz，若传感器件谐振频率最大为2¹⁴Hz，则锁相环中的分频器设置为2¹⁰分频，若控制电压范围为1～4V，则数模转换器参考电压设置成1.5V，偏置设为2.5V，则数模转换器输出也是1～4V，这样实际测得频率就能通过预置电压传导到压控振荡器上。

图8是一种电荷泵锁相环的实现结构，但不限于此结构，由鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器组成，预置电压加载于压控振荡器输入端。

图9是一种压控振荡器的实现结构，为四级环形结构，但不限于此结构。图中增益级采用宽调节范围的全差分结构，输入控制电压V_cont通过调节增益级尾部电流源大小改变对负载电容C_L的充放电周期，从而调整输出信号振荡频率。缓冲级采用了电流镜负载的差分增益级将差分信号转成单端信号，并由反相器整型成方波信号。

图10是一种读出电路的实现结构，为跨阻放大结构，但不限于此结构。图中放放大器为全差分结构，由全差分放大器、电阻R_F和补偿电容C_F构成。全差分放大器采用折叠共源共栅结构，并由输入共模反馈和输出共模反馈保证放大器直流工作点正常。

图11是一种比较器的实现结构，为迟滞比较器结构，但不限于此结构。比较器由前置放大、锁存器、自偏置差分放大级和输出驱动四部分构成，可较好得解决输入信号噪声引起的阈值点误翻转问题。

图12是一种振荡信号幅度提取电路的实现方式，为整流器结构，但不限于此结构。整流器采用自解调结构，输入差分信号经迟滞比较器与非交叠时钟产生四路解调信号供解调开关使用。在解调信号的控制下，解调开关对输入差分信号进行全波整流，输出的差分信号经仪表放大器转成单端信号输出。解调开关前后的滤波电容和缓冲器是为了减小解调开关产生的毛刺对前后级的影响。

由于锁相环输出的是方波信号，因此幅度调节电路不能简单的用可变增益放大器实现。一种幅度调节电路的实现方法是将幅度提取电路获得的信号与参考值比较后输出，输出信号作为方波信号电源电压，即通过调节方波信号中其主频信号的幅度。实现电路结构如图13所示，高增益共源共栅结构运算放大器与片外可调电阻R、可调电容C组成比例积分控制器，将输入的幅度信号V_amp与参考信号V_ref比较后输出控制信号V_ctr，作为反相器的电源电压，调节方波振荡信号V_in(锁相环输出信号)的幅度，输出V_out信号。幅度调节电路的另一种实现方法是先将锁相环输出方波信号由方波转三角波信号电路和三角波转正弦波信号电路转化成正弦信号输出，同时可采用传统的比例积分控制器与可变增益放大器调节振荡信号幅度，但这种方法的缺点是由于振荡信号频率一般在几千赫兹或几十千赫兹，因此方波转三角波信号电路和三角波转正弦波信号电路的滤波电容均需要放置在片外，无法片上集成。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。