图解说明两对复极 点，每一极点由"X"表示。一对负极点CP1是归因于传感器的机械滤波器，且另一对负极点CP2由2-A调制器的电子滤波器形成。根轨迹还图解说明四个补偿零点CZ1到CZ4,每一 补偿零点由"〇"表示。在不存在寄生高频率模式的情况下，系统是稳定的，条件是有效量化 器增益（K)大于0. 4775(-6. 42dB)，图3的陀螺仪2-A接口电路中满足此条件。图5中 展示相同系统的开环响应，其标绘为高达频率fs/2,其中匕为所述系统的取样频率。电子 滤波器除了形成处于4. 2KHz的机械谐振器以外还形成具有等于3. 47KHz的频率的谐振器 (复极点对）（注意，图5中的x轴是以弧度/秒而非Hz为单位），且所述系统在44. 7度的 相位裕量的情况下是稳定的以用于整体量化器增益。
[0037] 开环量值响应的0-dB交叉点必须在图5的使所述系统稳定的相位响应的区域B 中发生。区域A处的0-dB交叉点针对相位裕量产生负值，且因此导致不稳定性。大体来说， 如果0-dB交叉点处的相位移位不等于或超过180度，那么反馈系统是稳定的。
[0038] 在不存在高Q寄生谐振模式的情况下，图3的系统是稳定的。然而，当存在高Q寄 生谐振模式时，危害稳定性。假设单个寄生模式，MEMS的传递函数可如下建模：
[0039]
偽
[0040]其中cop是寄生模式的频率。图6中展示所得传递函数。尽管实际陀螺仪可具有 许多寄生谐振模式，但考虑具有一个寄生模式的假设性陀螺仪。在实际MEMS陀螺仪或加速 度计中，将寄生高频率模式群集，其中结果为考虑单个寄生谐振模式的补偿解决方案仍稳 定所述系统，如下文所描述。图7及图8中分别展示在80-KHz下在存在寄生模式的情况下 陀螺仪A接口系统的根轨迹曲线图及开环响应。如图8中所见，所得系统是不稳定的， 这是因为寄生模式引入额外0-dB交叉点，其中在所述额外交叉点中的一者处，相位裕量为 负值。如果环路增益经减少以使寄生模式的峰值低于OdB，那么负相位裕量0-dB点在另一 频率下出现。如果寄生模式为低Q而非高Q，那么可不导致量值响应与0-dB交叉，且因此可 不导致不稳定性。
[0041] 大体来说，在具有寄生模式的情况下，引入对A环路的额外滤波来消除或衰 减寄生谐振模式增加了系统阶数且使已不稳定系统的稳定性降级，除非以考虑系统原始极 点及零点且允许恢复系统稳定性的方式引入额外极点及零点的特定布置。特定来说，如图 9中所图解说明，与量值y-起引入一对负零点CZ1'及CZ2'，根据寄生模式质量因子及取 决于寄生模式频率的角度0来调整量值y。然而，复零点在离散时间系统中在物理上不可 实现。因此，必须添加额外的两个极点P1、P2。为避免这些极点更改复零点的响应产生，在 Z域（Z= 0)的原点处添加这两个极点，如图9中所展示。所引入极点及零点由以下表示：
[0042]
[0043]所引入极点及零点的所得传递函数为FIR性质。注意，使用例如巴特沃斯 (Butterworth)、切比雪夫（Chebyshev)、椭圆或贝塞尔（Bessel)或具有有限脉冲响应 (IIR)性质的其数字实现等标准模拟滤波器将极点引入到系统，所述极点使稳定性降级，如 先前所提及。
[0044] 参考图10,展示包含具有前述特性的定制FIR滤波器1001的补偿式电子机械 S-A环路系统。图11中展示另一实施例，其中定制FIR滤波器1101直接放置于环路比较 器1103之前。在此情形中，滤波器1101除了充当补偿器之外也提供反馈定形。
[0045] 图12及图13中分别展示使用在z域的原点处建立有复零点及极点的滤波器来稳 定的陀螺仪S-A接口系统的根轨迹曲线图及开环响应。如图13中所见，补偿式系统是稳 定的且与其中在不存在寄生模式的情形中具有-6. 42dB的增益裕量相比具有-3. 26dB的增 益裕量。图13中的圆圈突出显示了在补偿之前寄生模式的位置。
[0046] 陀螺仪测试平台经建构以证实在存在寄生高Q模式的情况下电子机械2 -A调制 器的稳定。测试平台主要由与MEMS传感器介接的C/V构成，后续接着A/D转换器、现场可编 程门阵列（FPGA)及致动数/模转换器。FPGA实施2-A环路滤波器及FIR块。A/D-FPGA 布置提供所需要灵活性以用于测试稳定性。图14中展示与测试平台一起使用的MEMS陀螺 仪的频率响应且通过将伪随机致动顺序应用于MEMS传感器且在其检测电极处测量MEMS电 容信号而确定所述频率响应。MEMS传感器具有接近于4-KHz的主谐振模式及大约80-KHz 的许多寄生高Q模式的群集器。图15中展示其中定制FIR滤波器起作用的所测量2-A环 路输出，展示在存在以80-KHz群集的一群寄生模式的情况下的稳定操作及适当2-A噪声 定形。测量展示，所达成的稳定性对MEMS过程及温度变化是稳健的。测试平台达成+/-100 度/s输入信号范围及lm度/s/VHz的噪声基底。
[0047] 实际MEMS传感器具有可导致基于2-A的反馈力反馈系统的不稳定性的寄生模 式。如已描述，在一个实施例中，可通过插入位于Z域原点处的一对复零点及两个极点来稳 定此类系统。稳定性分析（根轨迹曲线图及开环响应的稳定性裕量）指示稳定运算。此稳 定方法比现有埃泽奎方法简单得多。另外，所提议解决方案并不限于二阶及低Q寄生模式， 如西格的设计推荐的情形。测试平台用以证实在存在高Q模式的情况下的稳定运算。测试 平台展示，解决方案在存在围绕特定频率群集的若干个寄生模式的情况下稳定2A电子 机械环路。
【主权项】
1. 一种使用接口电路与MEMS传感器以电子方式介接的方法，所述MEMS传感器与所述 接口电路一起形成S-A调制器环路，所述方法包括： 识别所述S-A调制器环路的潜在寄生谐振模式，所述潜在寄生谐振模式具有频率及 质量因子； 将具有根据所述潜在寄生谐振模式的所述频率及所述质量因子中的至少一者挑选的 特性的滤波器插入到所述S-A调制器环路中。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述滤波器为FIR滤波器。3. 根据权利要求3所述的方法，其中所述FIR滤波器经配置以便在复平面中由位于原 点处的一对复零点及一对极点来表示。4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述滤波器具有根据所述潜在寄生谐振模式的所 述频率及所述质量因子两者挑选的特性。5. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过在所述2-A调制器环路的前馈环 路部分与所述S-A调制器环路的反馈部分之间提供反馈分支而增加所述2-A调制器环 路的稳定性。6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述2-A调制器为四阶2-A调制器。7. -种接口电路，其用于使用接口电路与MEMS传感器以电子方式介接，所述MEMS传感 器及所述接口电路一起形成具有潜在寄生谐振模式的S-A调制器环路，所述潜在寄生谐 振模式由频率及质量因子表征，所述接口电路包括： 电容/电压转换器； 前向环路电路，其耦合到所述电容/电压转换器且包括量化器； 反馈环路，其耦合到所述量化器且向所述MEMS传感器提供力反馈信号；及 滤波器，其插入到所述前向环路电路中且具有根据所述寄生谐振模式的所述频率及所 述质量因子中的至少一者挑选的特性。8. 根据权利要求7所述的设备，其中所述滤波器为FIR滤波器。9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述FIR滤波器经配置以便在复平面中由位于原 点处的一对复零点及一对极点来表示。10. 根据权利要求7所述的设备，其中所述滤波器具有根据所述潜在寄生谐振模式的 所述频率及所述质量因子两者挑选的特性。11. 根据权利要求7所述的设备，其进一步包括提供从所述反馈环路到前馈电路而不 通过所述MEMS传感器的路径的稳定电路。12. 根据权利要求7所述的设备，其中所述2-A调制器为四阶5：-A调制器。13. -种传感器子系统，其包括： MfflS传感器； 接口电路，其耦合到所述MEMS传感器，所述MEMS传感器及所述接口电路一起形成具有 潜在寄生谐振模式的2-A调制器环路，所述潜在寄生谐振模式由频率及质量因子表征， 所述接口电路包括： 电容/电压转换器； 前向环路电路，其耦合到所述电容/电压转换器且包括量化器； 反馈环路，其耦合到所述量化器且向所述MEMS传感器提供力反馈信号；及 滤波器，其插入到所述前向环路电路中且具有根据所述寄生谐振模式的所述频率及所 述质量因子中的至少一者挑选的特性。14. 根据权利要求13所述的设备，其中所述滤波器为FIR滤波器。15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述FIR滤波器经配置以便在复平面中由位于 原点处的一对复零点及一对极点来表示。16. 根据权利要求13所述的设备，其中所述滤波器具有根据所述潜在寄生谐振模式的 所述频率及所述质量因子两者挑选的特性。17. 根据权利要求13所述的设备，其进一步包括提供从所述反馈环路到前馈电路而不 通过所述MEMS传感器的路径的稳定电路。18. 根据权利要求13所述的设备，其中所述2-A调制器为四阶2-A调制器。
【专利摘要】以力反馈模式操作电容性传感器具有许多益处，例如改进的带宽以及对过程及温度变化的较低敏感性。为克服电容性反馈中的电压与力的关系的非线性，通常使用双电平反馈信号。因此，单位Σ-Δ调制器表示实施电容性传感器接口电路的实际方式。然而，高Q传感器(在真空中操作)中存在的高Q寄生模式导致Σ-Δ环路的稳定性问题，且因此限制Σ-Δ技术对此类传感器的适用性。提供允许在存在高Q寄生模式的情况下稳定所述Σ-Δ环路的解决方案。所述解决方案适用于电容性传感器的基于低阶或高阶Σ-Δ的接口。
【IPC分类】H02K3/00
【公开号】CN105009422
【申请号】CN201480011355
【发明人】艾曼·伊斯梅尔, 艾哈迈德·叶利舍纳威, 艾哈迈德·穆赫塔尔, 艾曼·埃尔萨伊德
【申请人】斯维尔系统
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2014年2月27日
【公告号】US8872683, US20140240156, WO2014134300A1