[發明專利]一種適用于MEMS諧振式傳感器的閉環驅動電路

在審

• 申請號: 201810241026.3
• 申請日: 2018-03-22
• 公開（公告）號: CN108599738A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 熊斌;劉松;梁亨茂;徐德輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H03K3/011
• 分類號: H03K3/011;H03F1/34;H03K5/00
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 宋纓;錢文斌

本發明涉及一種適用于MEMS諧振式傳感器的閉環驅動電路，傳感器在靜電力的激勵下處于諧振狀態時，I/V轉換器將檢測電極上的感應電流轉換成電壓，其中反饋回路上的電阻用于設定增益，與之并聯的電容則用于環路相位補償，取代現有的相位補償電路，降低了電路成本和復雜度。接下來，I/V轉換器的輸出經過二級放大器，獲得進一步的增益。然后二級放大器的輸出分為兩路，一路用于檢波器檢波，檢測結果與參考電壓通過比較器進行比較后產生增益控制電壓，用于調節VGA的增益；另一路則作為VGA的輸入，根據增益控制電壓進行幅度調整后產生交流驅動電壓。本發明可以降低電路的成本和復雜度。

技術領域

本發明涉及一種閉環驅動電路，特別是涉及一種適用于MEMS諧振式傳感器的閉環驅動電路。

背景技術

MEMS傳感器作為一類新興的傳感器，因具有體積小，重量輕，功耗低以及與傳統的IC工藝兼容等諸多優點，得到了廣泛的研究。目前很多器件都采用諧振原理以盡可能的提高靈敏度，比如諧振式壓力傳感器，諧振式磁場傳感器以及MEMS陀螺儀。為了使得微機械結構工作在諧振狀態，需要施加一定的激勵力。對于靜電驅動而言，通常采用開環驅動的方式，即由函數信號發生器產生交流驅動信號，穩壓電源提供必要的直流偏置。但是，當測試環境發生變化時，尤其是溫度變化，器件的諧振頻率和所受的空氣阻尼就會隨之發生變化，使得器件輸出的穩定性顯著降低。針對此問題，能夠跟蹤器件諧振頻率漂移和提供可變幅值的閉環驅動顯得十分必要。

近年來，相關科研人員提出了許多閉環驅動的方案，總的來說主要是利用鎖相環(Phase-locked Loop，PLL)或自激振蕩兩種原理來跟蹤器件的諧振頻率并加入自動增益控制環節穩定微機械結構的振動幅值。采用PLL方式的閉環驅動可靠性行高，但是也具有較高的成本，并且電路復雜，不易調試，而采用自激振蕩方式的閉環驅動具有電路簡單，實現容易，成本低等優點。對于后者而言，基本的組成部分包括：I/V轉換器，相位補償電路，檢波環節和可變增益放大器(Variable Gain Amplifier,VGA)。其中，檢波環節用于產生增益控制電壓從而調節VGA的增益，進而實現穩定振動幅值的目的，因此該部分電路發揮著十分重要的作用。檢波環節的具體實現原理可概括為，首先通過檢波器檢測VGA輸入信號的幅值或有效值，然后將測量結果與參考電壓進行比較，比較的結果則作為增益控制電壓調節VGA的增益。實際應用時，為了能夠保證在測試溫區(比如-40℃-80℃)內獲得恒定的振動幅值，即恒定的靈敏度，需要檢波器具有較高的溫度穩定性。但是，一些低成本的檢波方式，比如二極管檢波，由于對溫度的變化十分敏感，使其很難滿足上述要求。另外，對于上面提到的相位補償電路，目前常用的方案是引入有源元件并配合外部的RC環節進行相位調整，這無疑增加了整體電路的成本和復雜度。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種適用于MEMS諧振式傳感器的閉環驅動電路，降低了電路的成本和復雜度。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種適用于MEMS諧振式傳感器的閉環驅動電路，包括MEMS傳感器、I/V轉換器、放大器、檢波器、比較器和可變增益放大器，所述MEMS傳感器的輸出端與I/V轉換器的輸入端，所述I/V轉換器用于將MEMS傳感器的檢測電極上由于諧振結構振動產生的感應電流轉換成電壓，所述I/V轉換器的輸出經過放大器后分成兩路，一路經過檢波器進行檢波，并將檢測結果與參考回路的電壓通過比較器進行比較后產生增益控制電壓，用于調節可變增益放大器的增益，另一路作為可變增益放大器的輸入，所述可變增益放大器的輸出與MEMS傳感器的輸入端相連，所述I/V轉換器的輸出端還通過一個電阻與I/V轉換器的輸入端相連形成反饋回路，所述電阻兩端還并聯有一個用于環路相位補償的電容。

所述參考回路中加入與所述檢波器中相同的檢波元件用于抵消溫度對檢波結果的影響。

所述檢波器采用二極管半波整流的方式進行檢波，所述參考回路中串聯有與檢波器相同的二極管。

所述檢波器采用二極管全波整流的方式進行檢波，所述參考回路中串聯有與檢波器相同的二極管。