用于维持MEMS陀螺仪超低功耗休眠和快速唤醒的接口电路

本发明属于微机电，具体涉及一种用于维持mems陀螺仪超低功耗休眠和快速唤醒的接口电路。

背景技术：

1、微机电子机械系统(micro electro-mechanical system，mems)陀螺仪是一种基于科里奥利效应的惯性传感器，由于其具有功耗低、尺寸小、质量轻等特点，被广泛应用于如智能手机、可穿戴设备、虚拟现实设备等电池供电的可移动设备上。在半导体工艺不断进步，器件尺寸不断缩小的大背景下，对mems陀螺仪功耗的要求越来越高，一种传统的方法是通过优化陀螺仪接口电路的复杂度来降低功耗，但在设计过程中需要考虑与功耗相矛盾指标的折中关系，增加了设计难度；一种新的方法是通过周期性关断和启动mems陀螺仪，在关断外部陀螺传感单元和接口电路后系统的功耗得以显著降低，但对高品质因数的外部陀螺传感单元而言通常需要较长的启动时间，无法同时做到低功耗休眠和快速启动，从而一定程度上制约了该技术的广泛应用。

2、因此，通过优化陀螺仪接口电路的复杂度来降低功耗设计难度较高，增加了设计成本，而通过周期性关断和启动mems陀螺仪的接口电路则唤醒陀螺仪的时间长。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种用于维持mems陀螺仪超低功耗休眠和快速唤醒的接口电路，可以在降低系统功耗的同时，解决高品质因数的mems陀螺仪重新唤醒时间过长的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供的一种用于维持mems陀螺仪超低功耗休眠和快速唤醒的接口电路，所述接口电路包括：

3、驱动通道，驱动通道的第一输入端与外部陀螺传感单元的输出端相连，驱动通道的第一输出端与检测通道的第一输入端相连，驱动通道的第二输出端与外部陀螺传感单元的输入端相连，驱动通道用于控制接口电路的工作模式，并生成驱动幅度控制信号以控制外部陀螺传感单元的谐振状态；

4、其中，工作模式包括普通测量模式和休眠模式，当驱动通道处于休眠模式时，驱动通道用于关断检测通道和驱动通道内部的部分功耗电路，以降低接口电路的功耗，并通过驱动通道中的非主要功耗电路控制外部陀螺传感单元的谐振位移信号处于近似恒幅谐振状态以令外部陀螺传感单元能够被快速唤醒；

5、检测通道，检测通道的第二输入端与外部陀螺传感单元的输出端相连，当检测通道处于激活状态时检测通道用于获取并输出外部陀螺传感单元检测得到的角速率信号；

6、高压偏置电荷泵，高压偏置电荷泵的输出端与外部陀螺传感单元的输入端相连，高压偏置电荷泵用于向外部陀螺传感单元提供质量块偏置电压。

7、在本发明的一些实施例中，接口电路还包括第一开关s1和第二开关s2；

8、第一开关s1的输入端与第一电源端相连，第一开关s1的输出端与驱动通道的第二输入端相连；

9、第二开关s2的输入端与第二电源端相连，第二开关s2的输出端与检测通道的第三输入端相连；

10、驱动通道包括：

11、dpg信号控制模块，dpg信号控制模块的输入端作为驱动通道的第一输入端与外部陀螺传感单元的驱动模态的输出端相连，dpg信号控制模块的第一输出端与跟随保持电路的第一输入端相连，dpg信号控制模块的第二输出端与及突发模式锁相环的输入端相连；

12、跟随保持电路，跟随保持电路的第二输入端与突发模式锁相环的第一输出端相连，跟随保持电路的输出端与驱动缓冲电路的第二输入端相连；

13、突发模式锁相环，突发模式锁相环的第一输出端还与第一开关相连，突发模式锁相环的第二输出端与第二开关的相连，突发模式锁相环的第三输出端与驱动缓冲电路的第二输入端相连；

14、驱动缓冲电路，驱动缓冲电路的输出端与外部陀螺传感单元的驱动模态的输入端相连。

15、在本发明的一些实施例中，当驱动通道的工作模式为休眠模式，休眠模式包括挂起阶段和矫正阶段时，突发模式锁相环用于：

16、生成固定占空比的驱动通道门控信号dpg，以根据固定占空比的dpg信号的幅值对第一开关s1进行周期性连通和关断，并对dpg信号控制模块进行周期性激活和关断；

17、生成低电平的检测通道功耗门控信号spg，以关断第二开关s2，并关断检测通道。

18、示例性的，固定占空比的dpg信号为一个固定占空比的脉冲信号，当固定占空比的dpg信号处于高电平状态时，驱动通道处于矫正阶段，第一开关s1连通，dpg信号控制模块处于激活状态；当固定占空比的dpg信号处于低电平状态时，驱动通道处于挂起阶段，第一开关s1关断，dpg信号控制模块处于关断状态。

19、在本发明的一些实施例中，当驱动通道处于休眠模式中的挂起阶段时：

20、跟随保持电路用于生成第一幅值控制信号；

21、突发模式锁相环还用于生成第一基准方波信号；

22、驱动缓冲电路用于根据第一基准方波信号确定驱动幅度控制信号的频率，并根据第一幅值控制信号确定驱动幅度控制信号的幅值，生成驱动幅度控制信号。

23、在本发明的一些实施例中，当驱动通道的工作模式为普通测量模式时；

24、dpg信号控制模块用于根据外部陀螺传感单元的谐振位移信号生成前馈控制信号和参考信号；

25、跟随保持电路用于根据前馈控制信号，生成第二幅值控制信号；

26、突发模式锁相环用于根据参考信号，生成第二基准方波信号、高电平的dpg信号及高电平的spg信号，以通过高电平的dpg信号连通第一开关s1并令dpg信号控制模块处于激活状态，通过高电平的spg信号连通第二开关s2并令检测通道处于激活状态，第一基准方波信号和第二基准方波信号的频率相同；

27、驱动缓冲电路用于根据第二基准方波信号确定驱动幅度控制信号的频率，并根据第二幅值控制信号确定驱动幅度控制信号的幅值，生成驱动幅度控制信号。

28、在本发明的一些实施例中，当驱动通道处于矫正阶段时；

29、dpg信号控制模块具体用于对谐振位移信号依次进行峰值检测、误差放大及比例积分控制处理，得到前馈控制信号，以通过前馈控制信号矫正挂起阶段生成的驱动幅度控制信号与外部陀螺传感单元的谐振位移信号的幅度误差；

30、突发模式锁相环具体用于根据参考信号，生成第二基准方波信号，以通过第二基准方波信号矫正挂起阶段生成的驱动幅度控制信号与谐振位移信号的相位误差。

31、在本发明的一些实施例中，突发模式锁相环包括：

32、鉴频鉴相器，鉴频鉴相器的输入端作为突发模式锁相环的第一输入端与dpg信号控制模块的第二输出端相连，鉴频鉴相器的输出端与休眠模式控制电路的输入端相连；

33、休眠模式控制电路，休眠模式控制电路的输出端与电荷泵的输入端相连；

34、电荷泵，电荷泵的输出端与环路滤波器相连；

35、环路滤波器，环路滤波器的输出端与压控环形振荡器的输入端相连；

36、压控环形振荡器，压控环形振荡器的输出端与90度相移器的输入端、鉴频鉴相器的第二输入端相连，压控环形振荡器的输出端还作为驱动通道的第一输出端与检测通道的第一输入端相连；

37、90度相移器，90度相移器的输出端与控制信号生成电路的输入端及检测通道的第一输入端相连，90度相移器的输出端还作为突发模式锁相环的第三输出端与驱动缓冲电路的第二输入端相连；

38、控制信号生成电路，控制信号生成电路的第一输出端作为突发模式锁相环的第一输出端与第一开关s1相连，控制信号生成电路的第二输出端作为突发模式锁相环的第二输出端与第二开关s2相连。

39、在本发明的一些实施例中，dpg信号控制模块包括：

40、c/v转换电路，c/v转换电路的输入端作为dpg信号控制模块的输入端与外部陀螺传感单元的驱动模态相连，c/v转换电路的第一输出端与峰值检测电路的输入端相连，c/v转换电路的第二输出端与比较器的输入端相连；

41、峰值检测电路，峰值检测电路的输出端与误差放大电路的输入端相连；

42、误差放大电路，误差放大电路的输出端与比例控制电路相连；

43、比例控制电路，比例控制电路的输出端作为dpg信号控制模块的第一输出端与跟随保持电路的第一输入端相连；

44、比较器，比较器的输出端作为dpg信号控制模块的第二输出端与突发模式锁相环的输入端相连。

45、在本发明的一些实施例中，跟随保持电路由被动采样网络和电压跟随器构成。

46、在本发明的一些实施例中，驱动缓冲电路可以由两级级联的低阈值mos管搭建的反相器构成。

47、本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：根据本发明提供的接口电路，通过在休眠模式下关断驱动通道的部分功耗电路和检测通道，能够减少接口电路的功耗；通过在休眠模式时产生驱动幅度控制信号使得外部陀螺传感单元处于近似恒幅谐振状态，能够确保外部陀螺传感单元能够被快速唤醒；从而在降低接口电路的功耗的同时减少外部陀螺传感单元的唤醒时间。同时，本发明提供的接口电路架构无需考虑与功耗相矛盾指标的折中关系，降低了电路设计过程中的难度。