(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201410739430.5
(22)申请日 2014.12.08
H03K 19/0175(2006.01)
(71)申请人刘毛飞
地址719400 陕西省榆林市府谷县二道街天
鹿宾馆二楼农村社会养老保险经办中
心
(72)发明人
刘毛飞
(54)发明名称
(57)摘要
配置成接收表示电压信号，所述电压信号由MEMS
传感器所产生的电荷；相移电路，其电耦合到该
输入端，并且被配置成将输入信号相移大体上90
度；以及具有滞后的比较器电路。比较器的输入
的输出端电耦合到驱动信号电路的输出端。反馈
回路从驱动信号电路的输出端延伸到相移电路的
输入端，并且被配置成在驱动信号电路的输出端
处产生自振荡信号。由驱动信号电路所产生的输
出信号被施加到MEMS 传感器的驱动输入端。(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书8页 附图5页CN 105743484 A 2016.07.06
C N 105743484
A
1. 一种电子电路，包括：驱动信号电路，其用于微机电系统(MEMS) 传感器，所述驱动信号电路包括：输入端，其被配置成接收电压信号，所述电压信号表示由所述MEMS 传感器所产生的电荷；相移电路，其电耦合到所述输入端，并且被配置成将输入信号相移大体上90 度；具有滞后的比较器电路，其中，所述比较器的输入端电耦合到所述相移电路的输出端，
并且所述比较器电路的输出端电耦合到所述驱动信号电路的输出端；以及反馈回路，其从所述驱动信号电路的输出端延伸到所述相移电路的输入端，其中，所述反馈回路被配置成在所述驱动信号电路的输出端处产生自振荡信号，并且，其中由所述驱动信号电路所产生的输出信号被施加到所述MEMS 传感器的驱动输入端。
2. 根据权利要求1 所述的电子电路，其中，所述反馈回路包括：第一跨导放大器电路，其具有电耦合到所述比较器电路的输出端的输入端；第二跨导放大器电路，其具有电耦合到所述第一跨导放大器电路的输出端的输入端，和电耦合到所述相移电路的输入端的输出端；以及电容器，其耦合到所述第一跨导放大器电路的输出端和电路接地。
3. 根据权利要求1 所述的电子电路，包括分流器电路，其电耦合到所述第二跨导放大器电路的输出端。
4. 根据权利要求2 所述的电子电路，包括电阻分压器电路，其电耦合到所述第二跨导放大器电路的输出端和所述相移电路的输入端，其中，所述电阻分压器被配置成对所述第二跨导放大器电路的输出电流进
行分流。
5. 根据权利要求1 至4 中任一项所述的电子电路，其中，所述相移电路包括积分器电路，所述积分器电路包括放大器电路，以及其中，所述反馈回路从所述比较器电路的输出端电耦合到所述积分器放大器电路的输入端。
6. 根据权利要求5 所述的电子电路，其中，所述积分器放大器电路为直流(DC) 信号提供受控的信号增益。
7. 根据权利要求5 所述的电子电路，包括：第三跨导放大器电路，以及其中，所述第三跨导放大器电路的输入端电耦合到所述比较器电路的输出端和所述积分器放大器电路的输入端，以形成第二反馈回路。
8. 根据权利要求5 所述的电子电路，其中，所述反馈回路包括：第一跨导放大器电路，其具有电耦合到所述比较器电路的输出端的输入端；第二跨导放大器电路，其具有电耦合到所述第一跨导放大器电路的输出端的输入端，并且具有电耦合到所述积分器放大器电路的输入端的输出端；电阻器，其耦合到所述第一跨导放大器电路的输出端；以及电容器，其耦合到所述电阻器和电路接地。
9. 根据权利要求1 所述的电子电路，包括所述MEMS 传感器，其中，所述MEMS 传感器包括MEMS 陀螺仪。
电子电路
技术领域
[0001] 概括地说，本发明涉及电子电路，并且特别涉及MEMS 传感器电路。
背景技术
[0002] 微机电系统（MEMS）包括小型机械设备，这些小型机械设备执行电气功能和机械功能，这些电气功能和机械功能是使用与用于制造集成电路的技术相似的光刻技术来进行制造。一些MEMS 设备是可以检测运动的传感器（例如，加速度计）或检测角速率的传感器（例如，陀螺仪）。
[0003] 陀螺仪已经变得广泛使用，并且多轴陀螺仪MEMS 结构可以集成到一个设备中。MEMS 陀螺仪传感器的大小和复杂度在某些应用（例如，个人电子设备或移动电子设备）中仍然可以被认为是过度的。进一步地，在用户/ 手机、汽车和航空航天/ 防御应用中对三轴加速检测的需求不断增长。因此，对于MEMS 陀螺仪而言，希望减小驱动和传感电子设备的大小和复杂度。
发明内容
[0004] 除了其他方面以外，本申请还讨论了与MEMS 传感器配合的设备、系统和方法。一种装置示例包
括用于MEMS 传感器的驱动信号电路。该驱动信号电路包括：输入端，其配置成接收电压信号，所述电压信号表示由所述MEMS 传感器所产生的电荷；相移电路，其电耦合到所述输入端，并且被配置成将输入信号相移大体上90 度；以及具有滞后的比较器电路。所述比较器的输入端电耦合到所述相移电路的输出端，并且所述比较器电路的输出端电耦合到所述驱动信号电路的输出端。反馈回路从所述驱动信号电路的输出端延伸到所述相移电路的输入端，并且，所述反馈回路被配置成在所述驱动信号电路的输出端处产生自振荡信号。由所述驱动信号电路所产生的输出信号被施加到所述MEMS 传感器的驱动输入端。
[0005] 这部分旨在提供对本专利申请的主题的概述。这部分并非旨在提供本发明的排他性的或详尽的说明。本文包括了详细的描述，以提供关于本专利申请的进一步信息。
附图说明
[0006] 在附图中（这些附图不一定是按照比例绘制的），相同的数字能够描述不同视图中的类似部件。具有不同字母后缀的相同数字能够表示类似部件的不同示例。附图通过示例而非限制的方式概括地示例了本申请中讨论的各个实施例。
[0007] 图1 是包括MEMS 传感器和IC 的电子系统的一示例的一部分的方框图。[0008] 图2 是一种产生用于MEMS 传感器的驱动信号的方法的流程图。
[0009] 图3 是驱动信号电路的一示例的一部分的电路图。
[0010] 图4 是驱动信号电路的另一示例的一部分的电路图。
[0011] 图5 是驱动信号电路的又一示例的一部分的电路图。
[0012] 图6 是驱动信号电路的再一示例的一部分的电路图。
[0013] 图7 是驱动信号电路的还一示例的一部分的电路图。
[0014] 图8 是一种形成用于MEMS 传感器的驱动信号电路的方法的一示例的流程图。
具体实施方式
[0015] 图1 是包括MEMS 传感器105 和IC110 的电子系统的一示例的一部分的方框图。[0016] 传感器可以包括MEMS 陀螺仪，例如，振动陀螺仪。振动陀螺仪可以包括悬浮在衬底上方的试验块（proof mass）。试验块在驱动方向以及在垂直于驱动方向的感应方向上机械地振荡。试验块受外部驱动源驱使而在驱动方向上处于共振状态。当陀螺仪遭受角转动时，在感应方式上产生科里奥利力（Coriolis force），科里奥利力是使用感应电容器来进行检测的。在该图中，电容器gdp和gdn表示至MEMS 传感器105 的驱动输入端，并且电容器gp和gn表示MEMS 传感器105 的感测信号输出端。
[0017] 包括配置或设计成将MEMS 传感器105 的机械振荡保持到目标机械振荡的电路。这些电路包括电
荷- 电压转换器电路115（C2V）和传感器驱动放大器电路120。C2V将由MEMS 传感器的机械振荡所产生的电荷转换成电压。传感器驱动放大器电路120 提供静电力到传感器，以导致机械振荡。IC110 还包括自动增益控制（AGC）电路125 和驱动信号电路130。AGC 电路125 调节静电力，以将机械振荡保持到目标值。
[0018] 驱动信号电路130 向传感器驱动放大器电路120 提供参考驱动信号。该参考驱动信号可以是基于由MEMS 传感器105 所感应出的信号的。因为由MEMS 传感器所进行的感测与MEMS 传感器的驱动是90 度异相的，因此所感测的信号偏移大致90 度，以产生参考驱动信号。然而，当电子系统首次启动或上电时，并不存在可用于MEMS 传感器105 的驱动信号，并且因此不存在来自MEMS 传感器105 的感测信号以创建参考驱动信号。[0019] 为了创建初始参考驱动信号，驱动信号电路130 在上电时产生一个振荡信号。因此，即使当来自MEMS 传感器105 的感测信号是不存在的时候，驱动信号也可以被提供到传感器驱动放大器电路120。该振荡信号在MEMS 传感器105 中引起机械振荡，机械振荡继而产生电荷并且在C2V 电路的输出端处产生感测信号。初始驱动信号可以包括多个谐波频率。当所产生的感测信号达到阈值幅度时，参考驱动信号被锁定到所产生的感测信号的频率。由于MEMS 传感器105 的机械共振，由MEMS 传感器所产生的感测信号是高Q 信号，并且使用该信号来产生高Q 参考驱动信号。
[0020] 图2 是一种产生用于MEMS 传感器（例如，MEMS 回转仪或陀螺仪）的驱动信号的方法200 的流程图。在方框205 处，振荡信号是由驱动信号电路在驱动信号电路的输出端处自产生的。振荡信号被施
加到MEMS 传感器的驱动输入端。
[0021] 在方框210 处，响应于将振荡信号施加到MEMS 传感器的驱动输入端，表示由MEMS传感器所产生的电荷的电压信号在驱动信号电路的输入端处被接收。
[0022] 在方框215 处，所接收到的电压信号的相位被偏移大体上90 度，并且经相移的信号被用于产生驱动信号，而不是使用自产生的信号。在方框220 处，所产生的驱动信号被施加到MEMS 传感器的驱动输入端。
[0023] 图3 是驱动信号电路的一示例的一部分的电路图。驱动信号电路为MEMS 传感器提供参考驱动信号。驱动信号电路包括输入端335，输入端335 接收表示由MEMS 传感器所
产生的电荷的电压信号。在一些示例中，电压信号是从电荷- 电压转换器电路接收的。[0024] 电压信号电路还包括相移电路340 和比较器电路345。相移电路340 可以被电耦合到输入端335。相移电路340 将输入信号的相位偏移大体上90 度（90°）。在一些示例中，相移电路340 包括积分器电路。比较器电路345 具有滞后。当输入大于第一阈值时，比较器电路345 的输出从低转换到高，并且当输入小于与第一阈值不同的第二阈值时，输出从高转换到低。比较器电路345 的输入端可以电耦合到相移电路340 的输出端，并且比较器电路345 的输出端可以电耦合到驱动信号电路的输出端350。
[0025] 驱动信号电路包括反馈回路，该反馈回路从驱动信号电路延的输出端伸到相移电路340 的输入端。如果相移电路340 包括积分器电路，则反馈回路可以从比较器电路345的输出端电耦合到积分器电路的放大器电路355 的输入端。正如图3 的示例中所示的，反馈回路可以包括：第一跨导放大器电路360（有时称为运算跨导放大器或OTA），其具有电耦合到比较器电路350 的输出端的输入端；以及第二跨导放大器电路365，其具有电耦合到第一跨导放大器电路360 的输出端的输入端和电耦合到相移电路340 的输入端的输出端。反馈回路可以包括电容器370（C1），电容器370 耦合到第一跨导放大器电路360 的输出端和电路接地。
[0026] 反馈回路的配置在驱动信号电路的输出端350 处自产生振动信号或自振荡信号。[0027] 迟滞比较器电路将回路中（积分器的输出端处）的振荡的幅度保持最小，并且控制自振荡频率的范围。比较器的二进制输出通过第一跨导放大器电路360 对电容器370 进行充电/ 放电。由50% 占空比引起的自振荡信号中的误差被存储在电容器370 上，并且通过第二跨导放大器电路365 反馈到相移电路340。该反馈布置对输入信号偏移、放大器偏移和比较器偏移进行校正，以提供大体上50% 占空比的输出信号。
[0028] 由驱动信号电路所产生的输出信号被施加到MEMS 传感器的驱动输入端。作为参考驱动信号而提供的输出信号可以是驱动电路输出端350（输出端）处的信号或相移电路340 的输出端（输出端- 正弦波）处的信号。对于图1 中所示的示例，驱动信号电路的自振荡信号是由AGC 电路125 在上电时选择作为用于驱动放大器电路120 的参考驱动信号。该自产生的振荡信号是在驱动信号电路中标记有输出端的
电路结点处可得到的。当所感测的信号的幅度是足够的（例如，满足预定的信号阈值幅度）时，AGC 电路125 能够将由从输出端处可得到的信号而来的参考驱动信号切换到输出端- 正弦波处可得到的信号来当作参考驱动信号。这是因为在达到幅度阈值之后，输出端- 正弦波为MEMS 传感器提供了谐波较纯（例如，较高的Q）的参考驱动信号。由于较少的谐波频率，高Q 信号使MEMS 传感器中的驱动和机械共振得到了改善。输出端- 正弦波处的高Q 信号提供了准确的90 度相移和大体上50% 的占空比。
[0029] 如果相移电路340 包括积分器电路，则反馈布置为正向通路积分器提供稳定的操作点。稳定的操作点避免了失控问题（run-away problem），失控问题可以由对较小的偏置进行积分而导致。此外，使用对于直流（DC）信号具有可控的信号增益的放大器电路355 使自振荡信号随温度的频移最小化。反馈通路应当被设计成提供足够大的DC 电流，以对输入信号偏移进行补偿，但是应当具有非常低的交流（AC）增益，以不妨碍由正向通路积分器所提供的90 度相移。
[0030] 反馈回路的设计可以要求对于第二跨导放大器电路而言是难以实现的跨导gm
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