CN108599738A - 一种适用于mems谐振式传感器的闭环驱动电路 - Google Patents

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刘松
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Abstract

本发明涉及一种适用于MEMS谐振式传感器的闭环驱动电路，传感器在静电力的激励下处于谐振状态时，I/V转换器将检测电极上的感应电流转换成电压，其中反馈回路上的电阻用于设定增益，与之并联的电容则用于环路相位补偿，取代现有的相位补偿电路，降低了电路成本和复杂度。接下来，I/V转换器的输出经过二级放大器，获得进一步的增益。然后二级放大器的输出分为两路，一路用于检波器检波，检测结果与参考电压通过比较器进行比较后产生增益控制电压，用于调节VGA的增益；另一路则作为VGA的输入，根据增益控制电压进行幅度调整后产生交流驱动电压。本发明可以降低电路的成本和复杂度。

Description

一种适用于MEMS谐振式传感器的闭环驱动电路
技术领域
本发明涉及一种闭环驱动电路，特别是涉及一种适用于MEMS谐振式传感器的闭环驱动电路。
背景技术
MEMS传感器作为一类新兴的传感器，因具有体积小，重量轻，功耗低以及与传统的IC工艺兼容等诸多优点，得到了广泛的研究。目前很多器件都采用谐振原理以尽可能的提高灵敏度，比如谐振式压力传感器，谐振式磁场传感器以及MEMS陀螺仪。为了使得微机械结构工作在谐振状态，需要施加一定的激励力。对于静电驱动而言，通常采用开环驱动的方式，即由函数信号发生器产生交流驱动信号，稳压电源提供必要的直流偏置。但是，当测试环境发生变化时，尤其是温度变化，器件的谐振频率和所受的空气阻尼就会随之发生变化，使得器件输出的稳定性显著降低。针对此问题，能够***件谐振频率漂移和提供可变幅值的闭环驱动显得十分必要。
近年来，相关科研人员提出了许多闭环驱动的方案，总的来说主要是利用锁相环(Phase-locked Loop，PLL)或自激振荡两种原理来***件的谐振频率并加入自动增益控制环节稳定微机械结构的振动幅值。采用PLL方式的闭环驱动可靠性行高，但是也具有较高的成本，并且电路复杂，不易调试，而采用自激振荡方式的闭环驱动具有电路简单，实现容易，成本低等优点。对于后者而言，基本的组成部分包括：I/V转换器，相位补偿电路，检波环节和可变增益放大器(Variable Gain Amplifier,VGA)。其中，检波环节用于产生增益控制电压从而调节VGA的增益，进而实现稳定振动幅值的目的，因此该部分电路发挥着十分重要的作用。检波环节的具体实现原理可概括为，首先通过检波器检测VGA输入信号的幅值或有效值，然后将测量结果与参考电压进行比较，比较的结果则作为增益控制电压调节VGA的增益。实际应用时，为了能够保证在测试温区(比如-40℃-80℃)内获得恒定的振动幅值，即恒定的灵敏度，需要检波器具有较高的温度稳定性。但是，一些低成本的检波方式，比如二极管检波，由于对温度的变化十分敏感，使其很难满足上述要求。另外，对于上面提到的相位补偿电路，目前常用的方案是引入有源元件并配合外部的RC环节进行相位调整，这无疑增加了整体电路的成本和复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于MEMS谐振式传感器的闭环驱动电路，降低了电路的成本和复杂度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种适用于MEMS谐振式传感器的闭环驱动电路，包括MEMS传感器、I/V转换器、放大器、检波器、比较器和可变增益放大器，所述MEMS传感器的输出端与I/V转换器的输入端，所述I/V转换器用于将MEMS传感器的检测电极上由于谐振结构振动产生的感应电流转换成电压，所述I/V转换器的输出经过放大器后分成两路，一路经过检波器进行检波，并将检测结果与参考回路的电压通过比较器进行比较后产生增益控制电压，用于调节可变增益放大器的增益，另一路作为可变增益放大器的输入，所述可变增益放大器的输出与MEMS传感器的输入端相连，所述I/V转换器的输出端还通过一个电阻与I/V转换器的输入端相连形成反馈回路，所述电阻两端还并联有一个用于环路相位补偿的电容。
所述参考回路中加入与所述检波器中相同的检波元件用于抵消温度对检波结果的影响。
所述检波器采用二极管半波整流的方式进行检波，所述参考回路中串联有与检波器相同的二极管。
所述检波器采用二极管全波整流的方式进行检波，所述参考回路中串联有与检波器相同的二极管。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过在I/V转换器设置反馈回路，其中反馈回路上的电阻用于设定增益，与电阻并联的电容则用于环路相位补偿，取代现有的相位补偿电路，降低了电路成本和复杂度。另外在参考电压回路中加入与检波器具有相同温度特性的检波元件，用于温度补偿，为易受温度影响的低成本检波电路提供了一种有效的应用方案。
附图说明
图1是本发明的结构方框图；
图2是本发明中一个实施例的结构方框图；
图3是本发明中另一个实施例的结构方框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种适用于MEMS谐振式传感器的闭环驱动电路，如图1所示，包括MEMS传感器、I/V转换器、放大器、检波器、比较器和可变增益放大器，所述MEMS传感器的输出端与I/V转换器的输入端，所述I/V转换器用于将MEMS传感器的检测电极上由于谐振结构振动产生的感应电流转换成电压，所述I/V转换器的输出经过放大器后分成两路，一路经过检波器进行检波，并将检测结果与参考回路的电压通过比较器进行比较后产生增益控制电压，用于调节可变增益放大器的增益，另一路作为可变增益放大器的输入，所述可变增益放大器的输出与MEMS传感器的输入端相连，所述I/V转换器的输出端还通过一个电阻与I/V转换器的输入端相连形成反馈回路，所述电阻两端还并联有一个用于环路相位补偿的电容。
MEMS传感器在静电力的激励下处于谐振状态时，I/V转换器将检测电极上由于谐振结构振动产生的感应电流转换成电压，其中反馈回路上的电阻用于设定增益，与之并联的电容则用于环路相位补偿，取代现有的相位补偿电路。接下来，I/V转换器的输出经过二级放大器，获得进一步的增益。然后二级放大器的输出分为两路，一路用于检波器检波，检测结果与参考电压通过比较器进行比较后产生增益控制电压，用于调节VGA的增益；另一路则作为VGA的输入，根据增益控制电压进行幅度调整后产生交流驱动电压。该闭环驱动回路满足自激振荡条件。
考虑到低成本检波器中检波元件自身的温度特性，在参考电压回路中加入相同的检波元件用于温度补偿，用来抵消检波器中检波元件受温度影响造成的增益控制电压的偏差。具体可解释为，当检波器中检波元件受温度影响使得检测结果发生±ΔV的变化时，参考电压回路由于加入了相同的检波元件也会发生±ΔV的变化，经过比较器时，两个输入端相同的电压变化作为共模信号予以消除，从而避免了温度对检波器的影响。
如图2所示，本实施例中采用二极管半波整流的方式检测输入到VGA的信号幅值。为了抵消温度对二极管导通压降的影响，参考电压回路加入了相同的二极管。
如图3所示，本实施例中采用二极管全波整流的方式检测输入到VGA的信号幅值。为了抵消温度对二极管导通压降的影响，参考电压回路加入了相同的二极管。
不难发现，本发明的电路避免了检波器自身的温度特性对控制效果的影响，利用单个相位补偿电容取代现有的相位补偿电路，降低了电路的成本和复杂度。

Claims (3)

1.一种适用于MEMS谐振式传感器的闭环驱动电路，包括MEMS传感器、I/V转换器、放大器、检波器、比较器和可变增益放大器，所述MEMS传感器的输出端与I/V转换器的输入端，所述I/V转换器用于将MEMS传感器的检测电极上由于谐振结构振动产生的感应电流转换成电压，所述I/V转换器的输出经过放大器后分成两路，一路经过检波器进行检波，并将检测结果与参考回路的电压通过比较器进行比较后产生增益控制电压，用于调节可变增益放大器的增益，另一路作为可变增益放大器的输入，所述可变增益放大器的输出与MEMS传感器的输入端相连，其特征在于，所述I/V转换器的输出端还通过一个电阻与I/V转换器的输入端相连形成反馈回路，所述电阻两端还并联有一个用于环路相位补偿的电容。
2.根据权利要求1所述的适用于MEMS谐振式传感器的闭环驱动电路，其特征在于，所述参考回路中加入与所述检波器中相同的检波元件用于抵消温度对检波结果的影响。
3.根据权利要求2所述的适用于MEMS谐振式传感器的闭环驱动电路，其特征在于，所述检波器采用二极管半波整流的方式进行检波，所述参考回路中串联有与检波器相同的二极管。
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