一种高线性度全差分数字微加速度计接口电路系统

摘要

本发明属于MEMS惯性器件领域，具体涉及一种电容式微加速度计数字输出的全差分数字加速度计接口电路系统。本发明包括驱动信号产生部、全差分电荷积分器、全差分后级放大器、全差分前置补偿器、相关双采样与采样保持电路、全差分电学积分器、1位动态比较器、1位数模转换器和1位静电力反馈，本发明提高了加速度计系统线性度，有效降低了模数转换的量化噪声，抑制了零点漂移，减小了开关电荷注入和衬底噪声产生的共模干扰，提高了电源抑制比，减小了谐波失真。

说明书

技术领域

本发明属于MEMS惯性器件领域，具体涉及一种电容式微加速度计数字输出的全差分数 字加速度计接口电路系统。

背景技术

微机电系统MEMS(Micro Electromechanical System)是在微电子技术的基础上发展起来 的，采用MEMS技术制作的器件因具有小型化、智能化、集成化、高可靠性等优点而被广泛 应用于航空航天、汽车、生物医学、环境监测以及几乎人们接触到的所有领域。微机械加速 度计是最重要的MEMS器件之一，其市场销售量仅次于压力传感器。微加速度计具有体积小、 功耗低、稳定性好、可靠性高以及利于批量生产等优点，广泛运用于汽车工业，航空航天领 域，以及消费电子产品中。

当前很多惯性传感器的应用要用到计算机、微处理器和其他的一些数字器件，为了能够 在数字领域处理信号，有必要将模数转换与传感器信号处理电路集成在同一个芯片上，集成 的数字传感器不仅提供了更多的功能，而且降低了整个系统的成本。Sigma-Delta(∑Δ)调制 技术是实现模数转换的重要方式，随着MEMS技术的发展，∑Δ调制技术被引入到微机械加速 度计设计中。微加速度计的敏感结构可以作为一个二阶∑Δ调制器使用，然而由于敏感结构部 分非常低的直流增益，使得二阶结构很难实现低的量化噪声，高阶结构是降低系统量化噪声 最有效的途径。

另外，由于敏感结构为三端器件，即两个固定电极和作为输出的中间可变电极，因此当 前普遍采用单端检测方式对该输出信号进行处理，其优点是结构简单、控制时钟少，反馈易 于实现，其缺点是零点漂移比较严重，驱动信号噪声对输出影响比较严重。事实上，也可将 两个固定电极作为敏感结构的输出，采用全差分检测电路对信号进行处理，这样可以减小开 关电荷注入和衬底噪声产生的共模干扰，提高电源抑制比，减小谐波失真。

然而，对于全差分∑Δ信号处理结构，存在的一个主要问题是：差分结构中，驱动信号施 加在活动电极，因此只能将反馈电压加载在固定电极，反馈时，活动电极接地，两固定极板 一个接反馈电压V_fb，另一个也接在0电位，形成与惯性力相反的静电力，活动电极所受静电合 力与反馈电压为二次方关系，降低了系统线性度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高线性度、高精度数字输出的全差分数字加速度计接口电路 系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括驱动信号产生部(101)、全差分电荷积分器(102)、全差分后级放大器(103)、全 差分前置补偿器(104)、相关双采样与采样保持电路(105)、全差分电学积分器(106)、1位动态 比较器(107)、1位数模转换器(108)和1位静电力反馈(109)其特征在于：

驱动信号产生部(101)，产生两相高频驱动方波信号，分别加载在敏感结构的两个固定电 极；

全差分电荷积分器(102)将敏感结构的微小电容变化转换为差分电压信号输出给全差分 后级放大器(103)；

差分后级放大器(103)将信号进行反相放大输出给全差分前置补偿器(104)；

全差分前置补偿器(104)为信号的高频部分提供前置相位后输出给相关双采样与采样保 持(105)；

相关双采样与采样保持电路(105)消除信号高频1/f噪声和运放失调，补偿运放有限带宽 和有限增益影响，解调高频信号后发送给全差分电学积分器(106)；

全差分电学积分器(106)对信号提供低频增益，降低信号量化噪声后发送给1位动态比 较器(107)；

1位数模转换器(108)，接收1位动态比较器(107)的输出信号，判断电学积分器的反 馈电压；

1位静电力反馈(109)，接收1位动态比较器(107)的输出信号，判断反馈回敏感结构 的反馈力方向。

本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种双侧静电力反馈方式，相比于当前普遍采用的单侧静电力反馈，极大 提高了加速度计系统线性度；利用微机械结构自身的二阶低通滤波特性结合电学积分器有效 降低模数转换的量化噪声；全差分结构的信号处理方式抑制了零点漂移，减小了开关电荷注 入和衬底噪声产生的共模干扰，提高了电源抑制比，减小了谐波失真。

附图说明

图1为高线性度全差分数字加速度计接口电路系统框图；

图2为单侧静电力反馈原理图；

图3为双侧静电力反馈原理图。

具体实施方式

图1表示本实施方式的高线性度全差分数字加速度计接口电路系统框图。

如图1所示，该接口电路系统具有：驱动信号产生部101，全差分电荷积分器102，全差分 后级放大器103，全差分前置补偿器104，相关双采样与采样保持电路105，全差分电学积分器 106，1位动态比较器107，1位数模(D/A)转换器108，1位静电力反馈109，时钟信号产生器 110。

由微加速度计的敏感结构100和全差分电学积分器106共同组成∑Δ调制器中的积分器， 在时钟信号产生器控制下，提供高的低频增益，获得高精度的1位数字输出，并由1位数模 D/A转换器108和1位静电力反馈109构成全差分闭环结构。全差分前置补偿器104由全差 分电荷积分器的级数和机械结构参数决定前置补偿的深度，以在精度和稳定性之间折中考虑。 1位数模转换器根据1位动态比较器的输出电平决定全差分电荷积分器1的反馈电压的正负。 1位静电力反馈根据1位动态比较器的输出电平决定施加在敏感质量块的静电力的方向。反 馈采用双侧静电力反馈方式，提高系统线性度。

结合图2和图3说明系统高线性度的获得。图2是现在普遍使用的适用于全差分∑Δ接口电 路的单侧静电力反馈方式，反馈时，活动电极接地，两固定极板一个接反馈电压V_fb，另一个 也接在0电位，形成与惯性力相反的静电力F_fb

$F_{\mathrm{fb}}=\frac{1}{2}\frac{C_{S0}}{d_0}{V}_{\mathrm{fb}}^2---\left(1\right)$

由上式可知，活动电极所受静电合力与反馈电压为二次方关系，降低了系统线性度。

图3为本发明中提出的双侧静电力反馈原理图。反馈时，活动电极接负电源电压V_SS，在 两极板上分别施加反馈电压V_fb和-V_fb，因此，质量块所受静电合力为：

$F_{\mathrm{fb}}=\frac{1}{2}\frac{C_{S0}}{d_0}{(V_{\mathrm{SS}}-V_{\mathrm{fb}})}^2-\frac{1}{2}\frac{C_{S0}}{d_0}{(V_{\mathrm{SS}}+V_{\mathrm{fb}})}^2=-\frac{{2C}_{S0}}{d_0}{V}_{\mathrm{SS}}{V}_{\mathrm{fb}}---\left(2\right)$

由此可见，该方式提高了系统线性度。反馈时，也可将活动电极连接在正电源电压V_CC上，此时，只要将反馈回固定电极的电压互换即可。

本发明利用驱动信号产生电路产生双相不交叠方波驱动信号，该驱动信号分别施加在敏 感结构的上下固定电极板，结合电荷积分器将外加加速度导致的敏感结构电容变化转化为全 差分电压信号输出。通过后级放大器将微弱的信号放大，输送给后级电路处理。通过前置补 偿器对系统进行相位补偿，提高系统稳定性。利用相关双采样和采样保持电路消除电路高频 1/f噪声和运放失调，同时实现对高频信号解调。比较器的输出既作为最终的1位数字输出，也 作为电学积分器反馈和1位静电力反馈的控制信号，静电力反馈部分采取双侧反馈方式大大提 高系统线性度。