[發明專利]一種高線性度全差分數字微加速度計接口電路系統

有效

• 申請號: 201210077500.6
• 申請日: 2012-03-22
• 公開（公告）號: CN102624397A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 劉云濤;邵雷;高松松
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: H03M3/02
• 分類號: H03M3/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于MEMS慣性器件領域，具體涉及一種電容式微加速度計數字輸出的全差分數字加速度計接口電路系統。

背景技術

微機電系統MEMS(Micro?Electromechanical?System)是在微電子技術的基礎上發展起來的，采用MEMS技術制作的器件因具有小型化、智能化、集成化、高可靠性等優點而被廣泛應用于航空航天、汽車、生物醫學、環境監測以及幾乎人們接觸到的所有領域。微機械加速度計是最重要的MEMS器件之一，其市場銷售量僅次于壓力傳感器。微加速度計具有體積小、功耗低、穩定性好、可靠性高以及利于批量生產等優點，廣泛運用于汽車工業，航空航天領域，以及消費電子產品中。

當前很多慣性傳感器的應用要用到計算機、微處理器和其他的一些數字器件，為了能夠在數字領域處理信號，有必要將模數轉換與傳感器信號處理電路集成在同一個芯片上，集成的數字傳感器不僅提供了更多的功能，而且降低了整個系統的成本。Sigma-Delta(∑Δ)調制技術是實現模數轉換的重要方式，隨著MEMS技術的發展，∑Δ調制技術被引入到微機械加速度計設計中。微加速度計的敏感結構可以作為一個二階∑Δ調制器使用，然而由于敏感結構部分非常低的直流增益，使得二階結構很難實現低的量化噪聲，高階結構是降低系統量化噪聲最有效的途徑。

另外，由于敏感結構為三端器件，即兩個固定電極和作為輸出的中間可變電極，因此當前普遍采用單端檢測方式對該輸出信號進行處理，其優點是結構簡單、控制時鐘少，反饋易于實現，其缺點是零點漂移比較嚴重，驅動信號噪聲對輸出影響比較嚴重。事實上，也可將兩個固定電極作為敏感結構的輸出，采用全差分檢測電路對信號進行處理，這樣可以減小開關電荷注入和襯底噪聲產生的共模干擾，提高電源抑制比，減小諧波失真。

然而，對于全差分∑Δ信號處理結構，存在的一個主要問題是：差分結構中，驅動信號施加在活動電極，因此只能將反饋電壓加載在固定電極，反饋時，活動電極接地，兩固定極板一個接反饋電壓V_fb，另一個也接在0電位，形成與慣性力相反的靜電力，活動電極所受靜電合力與反饋電壓為二次方關系，降低了系統線性度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高線性度、高精度數字輸出的全差分數字加速度計接口電路系統。

本發明的目的是這樣實現的：

本發明包括驅動信號產生部(101)、全差分電荷積分器(102)、全差分后級放大器(103)、全差分前置補償器(104)、相關雙采樣與采樣保持電路(105)、全差分電學積分器(106)、1位動態比較器(107)、1位數模轉換器(108)和1位靜電力反饋(109)其特征在于：

驅動信號產生部(101)，產生兩相高頻驅動方波信號，分別加載在敏感結構的兩個固定電極；

全差分電荷積分器(102)將敏感結構的微小電容變化轉換為差分電壓信號輸出給全差分后級放大器(103)；

差分后級放大器(103)將信號進行反相放大輸出給全差分前置補償器(104)；

全差分前置補償器(104)為信號的高頻部分提供前置相位后輸出給相關雙采樣與采樣保持(105)；

相關雙采樣與采樣保持電路(105)消除信號高頻1/f噪聲和運放失調，補償運放有限帶寬和有限增益影響，解調高頻信號后發送給全差分電學積分器(106)；

全差分電學積分器(106)對信號提供低頻增益，降低信號量化噪聲后發送給1位動態比較器(107)；

1位數模轉換器(108)，接收1位動態比較器(107)的輸出信號，判斷電學積分器的反饋電壓；

1位靜電力反饋(109)，接收1位動態比較器(107)的輸出信號，判斷反饋回敏感結構的反饋力方向。

本發明的有益效果在于：

本發明提出了一種雙側靜電力反饋方式，相比于當前普遍采用的單側靜電力反饋，極大提高了加速度計系統線性度；利用微機械結構自身的二階低通濾波特性結合電學積分器有效降低模數轉換的量化噪聲；全差分結構的信號處理方式抑制了零點漂移，減小了開關電荷注入和襯底噪聲產生的共模干擾，提高了電源抑制比，減小了諧波失真。

附圖說明

圖1為高線性度全差分數字加速度計接口電路系統框圖；

圖2為單側靜電力反饋原理圖；

圖3為雙側靜電力反饋原理圖。

具體實施方式

圖1表示本實施方式的高線性度全差分數字加速度計接口電路系統框圖。