相移电路及其控制方法、以及MEMS陀螺仪驱动电路

摘要

公开了一种相移电路及其控制方法。所述相移电路接收输入信号，并且产生相对于输入信号相移的输出信号，输入信号是第一频率的周期信号按照第二频率采样获得的信号，第一频率小于第二频率。相移电路在每个采样周期中依次执行以下步骤：运算放大器的输入端的开关电容对输入信号进行采样，以电荷的形式存储在输入电容；将电荷从输入电容转移至至少两个输出电容；至少两个输出电容中的一部分输出电容复位至共模电压。采用开关电容技术，以及周期性重复上述步骤，在输出端得到与输入信号有一定相移的信号。该相移电路采用开关电容电路技术，结构简单，面积小，减小了复杂度，从而降低整个芯片功耗，减小芯片的面积。

说明书

技术领域

本发明涉及信号处理技术，更具体地，涉及相移电路及其控制方法、以及MEMS陀螺仪驱动电路。

背景技术

微机电系统(Microelectromechanical Systems，简称MEMS)的应用领域越来越广泛。在这些应用中，MEMS陀螺仪是一种重要的角速度传感器。

MEMS陀螺仪通常包括质量块以及沿着相互垂直的第一和第二方向分别设置在质量块上的驱动梳齿电极和驱动检测梳齿电极。驱动梳齿电极沿着第一方向对质量块施加静电力，使得质量块沿着第一方向谐振。在系统的运动存在着角速度时，由于科里奥效应产生第二方向的作用力，质量块将沿着第二方向振动，导致驱动检测梳齿电极的电容变化。通过检测电容变化值，就可以测量角速度的数值。

在MEMS陀螺仪工作时，利用驱动电路使MEMS陀螺仪处于谐振状态。驱动电压在驱动梳齿电极上产生静电力，进一步转化成质量块的位移变化，该过程存在90°的相位差。然而，为了维持MEMS陀螺仪的谐振状态，整个陀螺仪驱动电路的相位需要满足0°或者360°(即2π)整数倍相位差的要求。因此，MEMS陀螺仪驱动电路需要利用相移电路调节驱动电压信号与机械谐振之间的相位差。

在现有的MEMS陀螺仪驱动电路中例如采用RC相移电路。然而，RC相移电路的电路面积大、功耗和成本高，相移大小容易受工艺制程影响，不能满足便携式产品的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种可以减小电路复杂度、面 积小、相移不受工艺制程偏移的相移电路及其控制方法。

根据本发明的一方面，提供一种相移电路，所述相移电路接收输入信号，并且产生相对于输入信号相移的输出信号，所述输入信号是第一频率的周期信号按照第二频率采样获得的信号，所述第一频率是输入信号的包络信号的频率f，第一频率小于第二频率，所述相移电路包括：

运算放大器，所述运算放大器具有同相输入端、反相输入端和输出端；

第一输入电容，第一输入电容一端接收输入信号，另一端与第二开关、第三开关以及第三电容连接；

第二开关，连接在第一输入电容和运算放大器的反相输入端之间；

第三开关，连接在第一输入电容和第二开关的中间节点与共模电压之间；

第三电容和第五开关，串联连接在第一输入电容和第二开关的中间节点与运算放大器的输出端之间；

第四电容，连接在运算放大器的反相输入端与输出端之间；以及

第四开关，连接在第三电容和第五开关的中间节点与共模电压之间，

其中，在相移电路的工作期间，第二至第五开关在第一和第二时序时钟信号的控制下闭合或断开。

优选地，所述相移电路的工作周期、以及所述第一和第二时序时钟信号各自的周期与所述输入信号的采样周期相等。

优选地,所述第二和第五开关受到第二时序时钟信号的控制，第三和第四开关受到第一时序时钟信号的控制。

优选地，所述相移电路的工作周期分为连续的第一和第二时间段，

在第一时间段内，第一时序时钟信号为高电平，第二时序时钟信号为低电平，第三和第四开关闭合，第二和第五开关断开，第三和第四电容作为输出电容，在运算放大器的反相输入端，输入信号对第一输入电容充电，使得第一输入电容、第三开关组成的电路采样储存输入信号的电荷，第三电容复位至共模电压，第四电容储存上次的输出信号的电荷，使得输出端处于保持状态，

在第二时间段内，第一时序时钟信号从高电平变为低电平，第二从低电平变为高电平，第三和第四开关断开，第二和第五开关闭合，第一输入电容的连接第二开关的这一端被接到运算放大器的反相输入端，第一输入电容通过输入信号的共模电压和第二开关接运放反相输入端的虚地复位，第一输入电容将上次采样的输入信号的电荷全部释放出来，第一输入电容上的释放出来的电荷被转移到第三和第四电容，输出端输出新的值。

优选地，所述相移电路产生的相位差由第一频率、第二频率以及第三和第四电容的电容值确定。

优选地，所述相移电路产生的相位差Φ为：

$\Phi =-\Omega -\arctan \frac{C_4·\sin \Omega }{C_3+C_4·(1-\cos \Omega )}$

其中，$\Omega =\omega ·T_S=2\mathrm{\pi f}·T_S=2\pi \frac{f}{f_S},$

Ω为弧度，f表示第一频率，fs表示第二频率,C₃表示第三电容的电容值，C₄表示第四电容的电容值。

优选地，所述相移电路产生的相位差为约90°。

优选地，在所述相移电路的工作周期内，从第一输入电容转移的电荷表示为：

V_in(n-1)·Cin＝[C₃·V₀(n)+C₄·(V₀(n)-V₀(n-1))]

其中，V_in(n-1)表示上一个时刻的输入信号，V_o(n)表示当前时刻的输出信号大小，V_o(n-1)表示上一个时刻的输出信号，Cin表示第一输入电容的电容值，C₃表示第三电容的电容值，C₄表示第四电容的电容值。

优选地，所述运算放大器的同相输入端接收共模电压。

优选地，所述的相移电路，还包括第一直流误差补偿电路，所述第一直流误差补偿电路包括：

第一电容，第一电容的一端接收输入信号，另一端连接第一输入电容；以及

第一开关，连接在第一电容和第一输入电容的中间节点与共模电压之间，

其中，第一开关在第三时序时钟信号信号的控制下闭合或断开。

优选地，第三时序时钟信号信号与所述输入信号的采样周期相等。

优选地，所述相移电路的工作周期分为连续的第一至第三时间段，

在第一时间段内，第一时序时钟信号为高电平，第二和第三时序时钟信号为低电平，第三和第四开关闭合，第一、第二和第五开关断开，第一电容和第一输入电容作为输入电容，第三和第四电容作为输出电容，在运算放大器的输入端，输入信号对第一电容和第一输入电容充电，使得第一电容和第一输入电容、第三开关组成的电路采样储存输入信号的电荷，第三电容复位至共模电压，第四电容储存上次的输出信号的电荷，使得输出端处于保持状态；

在第二时间段内，第一时序时钟信号从高电平变为低电平，第二和第三时序时钟信号从低电平变为高电平，第三和第四开关断开，第一、第二和第五开关闭合，第一电容复位至共模电压，第一输入电容的连接第二开关的这一端被接到运算放大器的反相输入端，第一输入电容通过第一和第二开关也复位，第一电容和第一输入电容将上次采样的输入信号的电荷全部释放出来，第一电容和第一输入电容上的释放出来的电荷被转移到第三和第四电容，输出端输出新的值；

在第三时间段内，第一时序时钟信号从低电平变为高电平，第二时序时钟信号从高电平变为低电平，第三时序时钟信号保持高电平，第三和第四开关闭合，第二和第五开关断开，第一开关闭合，输入信号处于复位到共模电压期间，这样第一电容通过第一开关被复位，第一输入电容通过第一和第三开关也被复位，第三电容通过第三和第四开关也被复位，因为第二开关断开，第四电容储存上次输出电压的电荷，输出端处于保持状态。

优选地，所述运算放大器的输出端包括同相输出端和反相输出端，以及所述输入信号为包括同相输入信号和反相输入信号的差分输入信号，所述输出信号为所述运算放大器的同相输出端和反相输出端之间的电压差，

其中，第一输入电容接收反相输入信号，

第三电容和第五开关串联连接在第一输入电容和第二开关的中间 节点与运算放大器的同相输出端之间，以及

第四电容连接在运算放大器的反相输入端与同相输出端之间。

优选地、所述的相移电路，还包括：

第二输入电容接收同相输入信号；

第七开关，连接在第二输入电容和运算放大器的同相输入端之间；

第八开关，连接在第二输入电容和第七开关的中间节点与共模电压之间；

第七电容和第十开关，串联连接在第二输入电容和第七开关的中间节点与运算放大器的反相输出端之间；

第八电容，连接在运算放大器的同相输入端与反相输出端之间；以及

第九开关，连接在第七电容和第十开关的中间节点与共模电压之间。

优选地，第七开关与第二开关同时闭合或断开，第八开关与第三开关同时闭合或断开，第九开关与第四开关同时闭合或断开，第十开关与第五开关同时闭合或断开。

优选地，其中所述第七和第十开关受到第二时序时钟信号的控制，第八和第九开关受到第一时序时钟信号的控制。

优选地，所述相移电路的工作周期分为连续的第一和第二时间段，

在第一时间段内，第一时序时钟信号为高电平，第二时钟信号为低电平，第三和第四开关闭合，第二和第五开关断开，第八和第九开关闭合、第七和第十开关断开，第三和第四电容、第七和第八电容作为输出电容，在运算放大器的反相输入端，输入信号对第一输入电容充电，使得第一输入电容、第三开关组成的电路采样储存反相输入信号的电荷，第三电容复位至共模电压，第四电容储存上次的输出信号的电荷，在运算放大器的同相输入端，输入信号对第二输入电容充电，使得第二输入电容、第八开关组成的电路采样储存同相输入信号的电荷，第九电容复位至共模电压，第八电容储存上次的输出信号的电荷，使得输出端处于保持状态，

在第二时间段内，第一时序时钟信号从高电平变为低电平，第二时 序时钟信号从低电平变为高电平，第三和第四开关断开，第八和第九开关断开、第二和第五开关闭合，第七和第十开关闭合，第一输入电容的连接第二开关的这一端被接到运算放大器的反相输入端，第一输入电容通过输入信号的共模电压和第二开关接到运放反相输入端虚地复位，第一输入电容将上次采样的输入信号的电荷全部释放出来，第一输入电容上的释放出来的电荷被转移到第三和第四电容，第二输入电容的连接第七开关的这一端被接到运算放大器的同相输入端，第二输入电容通过输入信号的共模电压和第七开关接到运放同相输入端虚地复位，第二输入电容将上次采样的输入信号的电荷全部释放出来，第二输入电容上的释放出来的电荷被转移到第七和第八电容，输出端输出新的值。

优选地、所述的相移电路，还包括第一直流误差补偿电路和第二直流误差补偿电路，所述第一直流误差补偿电路包括：

第一电容，第一电容的一端接反相收输入信号，另一端连接第一输入电容；以及

第一开关，连接在第一电容和第一输入电容的中间节点与共模电压之间，

所述第二直流误差补偿电路包括：

第五电容，第五电容的一端接收同相输入信号，另一端连接第二输入电容；以及

第六开关，连接在第五电容和第二输入电容的中间节点与共模电压之间，

其中，第一开关和第六开关在第三时序时钟信号信号的控制下闭合或断开。

优选地，第三时序时钟信号信号与所述输入信号的采样周期相等。

优选地，所述相移电路的工作周期分为连续的第一至第三时间段，

在第一时间段内，第一时序时钟信号为高电平，第二和第三时序时钟信号为低电平，第三和第四开关闭合，第二和第五开关断开，第三和第四电容作为输出电容，在运算放大器的反相输入端，反相输入信号对第一输入电容充电，使得第一输入电容、第三开关组成的电路采样储存反相输入信号的电荷，第三电容复位至共模电压，第四电容储存上次的 同相输出信号的电荷，使得同相输出端处于保持状态，第八和第九开关闭合，第七和第十开关断开，第七和第八电容作为输出电容，在运算放大器的同相输入端，同相输入信号对第二输入电容充电，使得第二输入电容、第八开关组成的电路采样储存同相输入信号的电荷，第七电容复位至共模电压，第八电容储存上次的反相输出信号的电荷，使得反相输出端处于保持状态；

在第二时间段内，第一时序时钟信号从高电平变为低电平，第二和第三时序时钟信号从低电平变为高电平，第三和第四开关断开，第二和第五开关闭合，第一输入电容的连接第二开关的这一端被接到运算放大器的反相输入端，第一输入电容通过输入信号的共模电压和第二开关接运放输入端的虚地复位，第一输入电容将上次采样的反相输入信号的电荷全部释放出来，第一输入电容上的释放出来的电荷被转移到第三和第四电容，同相输出端输出新的值，第八和第九开关断开，第七和第十开关闭合，第二输入电容的连接第七开关的这一端被接到运算放大器的同相输入端，第二输入电容通过输入信号的共模电压和第七开关接运放输入端的虚地复位，第二输入电容将上次采样的同相输入信号的电荷全部释放出来，第二输入电容上的释放出来的电荷被转移到第七和第八电容，反相输出端输出新的值；

在第三时间段内，第一时序时钟信号从低电平变为高电平，第二时序时钟信号从高电平变为低电平，第三时序时钟信号保持高电平，第三和第四开关闭合，第二和第五开关断开，第一开关闭合，反相输入信号处于复位到共模电压期间，这样第一电容通过第一开关被复位，第一输入电容通过第一和第三开关也被复位，第三电容通过第三和第四开关也被复位，因为第二开关断开，第四电容储存上次同相输出电压的电荷，输出端处于保持状态，第八和第九开关闭合，第七和第十开关断开，第六开关闭合，同相输入信号处于复位到共模电压期间，这样第五电容通过第六开关被复位，第二输入电容通过第六和第八开关也被复位，第七电容通过第八和第九开关也被复位，因为第七开关断开，第八电容储存上次反相输出电压的电荷，输出端处于保持状态。

根据本发明的第二方面，提供一种MEMS陀螺仪驱动电路，包括上 述的相移电路。

根据本发明的第三方面，提供一种用于上述的相移电路的控制方法，包括在相移电路的每个工作周期中依次执行以下步骤：输入电容采样步骤，其中，在运算放大器的输入端，利用第一输入电容对输入信号进行采样并且以电荷形式存储，第四电容维持上一状态；电荷转移步骤，其中，将采样的输入信号电荷从第一输入电容转移至运算放大器的输出端的第三和第四电容。

优选地，所述相移电路的工作周期分为连续的第一和第二时间段，分别执行输入电容采样步骤、电荷转移步骤，在第一时间段内，第一时序时钟信号为高电平，第二时序时钟信号为低电平，第三和第四开关闭合，第二和第五开关断开，第三和第四电容作为输出电容，在运算放大器的输入端，输入信号对第一输入电容充电，使得第一输入电容、第三开关组成的电路采样储存输入信号的电荷，第三电容复位至共模电压，第四电容储存上次的输出信号的电荷，使得输出端处于保持状态，在第二时间段内，第一时序时钟信号从高电平变为低电平，第二时序时钟信号从低电平变为高电平，第三和第四开关断开，第二和第五开关闭合，第一输入电容的连接第二开关的这一端被接到运算放大器的输入端，第一输入电容通过输入信号的共模电压和第二开关接运放输入端虚地复位，第一输入电容将上次采样的输入信号的电荷全部释放出来，第一输入电容上的释放出来的电荷被转移到第三和第四电容，输出端输出新的值。

优选地，在电荷转移步骤之后，还包括：电容复位步骤，其中，将第一电容、第一输入电容以及第三电容复位至共模电压。

优选地，所述相移电路的工作周期分为连续的第一至第三时间段，分别执行输入电容采样步骤、电荷转移步骤和电容复位步骤，在第一时间段内，第一时序时钟信号为高电平，第二和第三时序时钟信号为低电平，第三和第四开关闭合，第一、第二和第五开关断开，第一电容和第一输入电容作为输入电容，第三和第四电容作为输出电容，在运算放大器的输入端，输入信号对第一电容和第一输入电容充电，使得第一电容和第一输入电容、第三开关组成的电路采样储存输入信号的电荷，第三 电容复位至共模电压，第四电容储存上次的输出信号的电荷，使得输出端处于保持状态；在第二时间段内，第一时序时钟信号从高电平变为低电平，第二和第三时序时钟信号从低电平变为高电平，第三和第四开关断开，第一、第二和第五开关闭合，第一电容复位至共模电压，第二电容的连接第二开关的这一端被接到运算放大器的输入端，第二电容通过第一和第二开关也复位，第二电容将上次采样的输入信号的电荷全部释放出来，第二电容上的释放出来的电荷被转移到第三和第四电容，输出端输出新的值；在第三时间段内，第一时序时钟信号从低电平变为高电平，第二时序时钟信号从高电平变为低电平，第三时序时钟信号保持高电平，第三和第四开关闭合，第二和第五开关断开，第一开关闭合，输入信号处于复位到共模电压期间，这样第一电容通过第一开关被复位，第一输入电容通过第一和第三开关也被复位，第三电容通过第三和第四开关也被复位，因为第二开关断开，第四电容储存上次输出电压的电荷，输出端处于保持状态。

根据本发明的第四方面，提供一种用于上述的相移电路的控制方法，包括在相移电路的每个工作周期中依次执行以下步骤：输入电容采样步骤，其中，在运算放大器的反相输入端，利用第一输入电容对反相输入信号进行采样并且以电荷形式存储，在运算放大器的同相输入端，利用第二输入电容对同相输入信号进行采样并且以电荷形式存储，同相输出端的第四电容和反相输出端的第八电容维持上一状态；电荷转移步骤，其中，将采样的电荷从第一输入电容转移至运算放大器的同相输出端的第三和第四电容，以及从第二输入电容转移至运算放大器的反相输出端的第七和第八电容。

优选地，所述相移电路的工作周期分为连续的第一和第二时间段，分别执行输入电容采样步骤和电荷转移步骤，在第一时间段内，第一时序时钟信号为高电平，第二时序时钟信号为低电平，第三和第四开关闭合，第二和第五开关断开，第三和第四电容作为输出电容，在运算放大器的反相输入端，反相输入信号对第一输入电容充电，使得第一输入电容、第三开关组成的电路采样储存反相输入信号的电荷，第三电容复位至共模电压，第四电容储存上次的同相输出信号的电荷，使得同相输出 端处于保持状态，第八和第九开关闭合，第七和第十开关断开，第七和第八电容作为输出电容，在运算放大器的同相输入端，同相输入信号对第二输入电容充电，使得第二输入电容、第八开关组成的电路采样储存同相输入信号的电荷，第七电容复位至共模电压，第八电容储存上次的反相输出信号的电荷，使得反相输出端处于保持状态，在第二时间段内，第一时序时钟信号从高电平变为低电平，第二时序时钟信号从低电平变为高电平，第三和第四开关断开，第二和第五开关闭合，第一输入电容的连接第二开关的这一端被接到运算放大器的反相输入端，第一输入电容通过输入信号的共模电压和第二开关接运放输入端的虚地复位，第一输入电容将上次采样的反相输入信号的电荷全部释放出来，第一输入电容上的释放出来的电荷被转移到第三和第四电容，同相输出端输出新的值，第八和第九开关断开，第七和第十开关闭合，第二输入电容的连接第七开关的这一端被接到运算放大器的同相输入端，第二输入电容通过复位，第二输入电容将上次采样的同相输入信号的电荷全部释放出来，第二输入电容上的释放出来的电荷被转移到第七和第八电容，反相输出端输出新的值。

优选地，在电荷转移步骤之后，还包括：电容复位步骤，其中，将第一电容、第一输入电容、第三电容、第五电容、第二输入电容以及第七电容复位至共模电压。

优选地，所述相移电路的工作周期分为连续的第一至第三时间段，分别执行输入电容采样步骤、电荷转移步骤和电容复位步骤，在第一时间段内，第一时序时钟信号为高电平，第二和第三时序时钟信号为低电平，第三和第四开关闭合，第一、第二和第五开关断开，第一电容和第一输入电容作为输入电容，第三和第四电容作为输出电容，在运算放大器的输入端，输入信号对第一电容和第一输入电容充电，使得第一电容和第一输入电容、第三开关组成的电路采样储存输入信号的电荷，第三电容复位至共模电压，第四电容储存上次的输出信号的电荷，使得输出端处于保持状态；在第二时间段内，第一时序时钟信号从高电平变为低电平，第二和第三时序时钟信号从低电平变为高电平，第三和第四开关断开，第一、第二和第五开关闭合，第一电容复位至共模电压，第二电 容的连接第二开关的这一端被接到运算放大器的输入端，第二电容通过第一和第二开关也复位，第二电容将上次采样的输入信号的电荷全部释放出来，第二电容上的释放出来的电荷被转移到第三和第四电容，输出端输出新的值；在第三时间段内，第一时序时钟信号从低电平变为高电平，第二时序时钟信号从高电平变为低电平，第三时序时钟信号保持高电平，第三和第四开关闭合，第二和第五开关断开，第一开关闭合，输入信号处于复位到共模电压期间，这样第一电容通过第一开关被复位，第一输入电容通过第一和第三开关也被复位，第三电容通过第三和第四开关也被复位，因为第二开关断开，第四电容储存上次输出电压的电荷，输出端处于保持状态。

根据本发明的相移电路，采用开关电容技术，以及周期性重复上述步骤，在输出端得到与输入信号有一定相移的信号。该相移电路采用开关电容电路技术，结构简单，面积小，减小了复杂度，从而降低整个芯片功耗，减小芯片的面积。该相移电路可以使得MEMS陀螺仪驱动电路的驱动信号与MEMS陀螺仪的机械谐振之间保持2π的整数倍的相位差，从而维持谐振状态。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出MEMS陀螺仪及其驱动电路的系统原理示意图；

图2示出根据本发明第一实施例的相移电路的示意图；

图3示出根据本发明第一实施例的相移电路的时序图；

图4示出根据本发明第二实施例的相移电路的示意图；

图5示出根据本发明第二实施例的相移电路的时序图；

图6示出根据本发明第三实施例的相移电路的示意图；

图7示出根据本发明第三实施例的相移电路的时序图；

图8示出根据本发明实施例的相移电路的输入信号和输出信号的波形图；以及

图9示出根据本发明的实施例的相移电路控制方法的流程图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

图1为MEMS陀螺仪及其驱动电路的系统原理示意图。MEMS陀螺仪驱动电路100包括驱动信号产生电路101和反馈信号处理电路102。驱动信号产生电路101向MEMS陀螺仪200的驱动梳齿电极201提供驱动信号，例如等幅正弦信号。反馈信号处理电路102从MEMS陀螺仪的驱动检测梳齿电极202获取驱动检测信号并进行处理，对驱动信号产生电路101进行反馈控制。

驱动信号产生电路101包括低通滤波电路1011、驱动可变增益放大器(VGA)模块1012、频率检测电路1013、锁相环(Phase-lockedloop,简称PLL)电路1014、时序产生和控制电路1016、驱动环路PID控制电路1015。在驱动信号产生电路101中，反馈电压信号经过低通滤波电路1011提供给驱动VGA模块1012，产生驱动信号，以及输出给频率检测电路1013。频率检测电路1013得到谐振频率，并且将该谐振频率提供给PLL模块1014，作为PLL模块1014的参考频率。PLL模块1014对参考频率进行倍频，获得时序控制信号的基本频率。由于PLL的特性，时序控制信号的基本频率与谐振频率同步。PLL模块1014控制驱动环路PID控制电路1015，并且控制时序产生和控制电路1016。时序产生和控制电路1016产生MEMS驱动电路工作所需要的一系列时序时钟信号ph1、ph2、ph3等。

反馈信号处理电路102包括电荷放大器1021、带通滤波电路1022、相移电路1023。在反馈信号处理电路102中，驱动检测信号经由电荷放大器1021放大，通过带通滤波电路1022滤波及相移电路1023的相移，形成满足上述闭环相位要求的反馈电压信号。

相移电路1023在驱动检测信号中产生大约90°的相位差，以维持MEMS陀螺仪的谐振状态。相移电路1023既可以采用单端工作方式，也可以采用双端差分工作方式。正如下文将描述的那样，单端工作方式 的相移电路如图2所示，双端差分工作方式的相移电路如图6所示。

在陀螺仪驱动电路100闭环正常工作的情形下，MEMS陀螺仪200将锁定在谐振频率。

图2示出根据本发明第一实施例的相移电路的示意图。相移电路1023包括运算放大器Opamp，采用单端工作方式。运算放大器Opamp的同相输入端接收共模电压Vcm，反相输入端接收输入信号Vin，输出端提供输出信号Vout。

相移电路1023还包括电容Cin、C3和C4以及开关S2至S5。电容Cin以及开关S2串联连接在输入信号Vin和运算放大器Opamp的反相输入端之间。开关S2具有与电容Cin相连的第一端和与运算放大器Opamp的反相输入端相连的第二端。电容C3的第一端连接到开关S2的第一端，电容C3的第二端连接到开关S5的第一端，开关S5的第二端连接到运算放大器Opamp的输出端Vout。电容C4连接在运算放大器Opamp的反相输入端和输出端之间。相移电路1023还包括连接在电容Cin和开关S2的中间节点和共模电压Vcm之间的开关S3、以及连接在电容C3和开关S5的中间节点和共模电压Vcm之间的开关S4。

本发明中涉及到的电容可以是双金属电容(MIM电容)或者是双多晶电容(PIP电容)，开关可以是MOS开关(单个NMOS管开关，或者PMOS开关，注意PMOS作开关的时候开关打开的有效电平变为低有效)，开关也可以是CMOS开关(即NMOS晶体管和PMOS晶体管并联形成的开关，NMOS管和PMOS管栅极控制的信号为互为反相信号)，运算放大器Opamp可以为满足工作要求的任何普通的运算放大器Opamp，例如折叠(Folded-Cascode)运算放大器Opamp、或者套筒式运算放大器Opamp等等。

在工作中，开关S2至S5在时序时钟信号ph1-ph2的控制下分别周期性地闭合或断开，其中，开关S3和S4受到时序时钟信号ph1的控制同时动作，开关S2和S5受到时序时钟信号ph2的控制同时动作。

图3示出根据本发明第一实施例的相移电路的时序图，图9示出根据本发明的第一实施例的相移电路控制方法的流程图。以下将结合图3和图9描述根据本发明的第一实施例的相移电路控制方法。

在MEMS陀螺仪200中，驱动检测梳齿电极202利用电容原理检测驱动检测信号。在MEMS陀螺仪驱动电路100的反馈信号处理电路102中，驱动检测信号经由电荷放大器1021周期性采样，经由带通滤波电路1022滤除噪声，获得高信噪比的输入信号Vin。相移电路1023接收输入信号Vin，对该输入信号Vin进行相移，以产生输出信号Vout。进一步地，将输出信号Vout提供给MEMS陀螺仪驱动电路100的驱动信号产生电路101。

电荷放大器1021的采样周期为Ts。每个采样周期Ts包括采样阶段(t0至t1)和保持阶段(t1至t2)。相移电路1023的输入信号Vin是在每个采样周期Ts的采样阶段获得的驱动检测信号的一部分波形，参见图3中的信号波形Vin。时序产生和控制电路1016产生用于控制相移电路1023中的开关S2至S5的时序时钟信号ph1至ph2。时序时钟信号ph1至ph2的周期与采样周期Ts相同，参见图3中的信号波形ph1至ph2。与电荷放大器1021的采样周期Ts相对应，相移电路1023的工作周期分为输入电容采样、电荷转移两个阶段，其中复位电压为共模电压Vcm。

在输入电容采样步骤S01中，即在t0至t1期间，时序时钟信号ph1为高电平，时序时钟信号ph2为低电平。开关S3和S4闭合，开关S2和S5断开。电容C3和C4作为输出电容。在运算放大器Opamp的输入端，输入信号Vin对电容Cin充电，使得电容Cin、开关S3组成的电路采样储存输入信号Vin的电荷。电容C3复位至共模电压Vcm。电容C4储存上次的输出信号Vout的电荷，使得输出端Vout处于保持状态。

在电荷转移步骤S02中，即在t1至t2期间，时序时钟信号ph1从高电平变为低电平，时序时钟信号ph2从低电平变为高电平。开关S3和S4断开，开关S2和S5闭合。电容Cin的连接开关S2的这一端被接到运算放大器Opamp的输入端(虚短)。电容Cin复位，电容Cin将上次采样的输入Vin的电荷全部释放出来。电容Cin上的释放出来的电荷被转移到电容C3和C4。输出端Vout输出新的值。

图4示出根据本发明第二实施例的相移电路的示意图。相移电路1023包括运算放大器Opamp，采用单端工作方式。运算放大器Opamp的同相输入端接收共模电压Vcm，反相输入端接收输入信号Vin，输出 端提供输出信号Vout。

与第一实施例的相移电路不同，第二实施例的相移电路还包括连接在输入信号Vin和电容Cin之间的直流误差(DC-Offset)补偿电路11。补偿电路11包括连接在输入信号Vin和电容Cin之间的电容C1，以及连接在电容C1和Cin的中间节点和共同模电压Vcm之间的开关S1。开关S1在时序时钟信号ph3的控制下断开或闭合。

图5示出根据本发明第二实施例的相移电路的时序图。以下将结合图5描述根据本发明的第二实施例的相移电路控制方法。

在MEMS陀螺仪200中，驱动检测梳齿电极202利用电容原理检测驱动检测信号。在MEMS陀螺仪驱动电路100的反馈信号处理电路102中，驱动检测信号经由电荷放大器1021周期性采样，经由带通滤波电路1022滤除噪声，获得高信噪比的输入信号Vin。相移电路1023接收输入信号Vin，对该输入信号Vin进行相移，以产生输出信号Vout。进一步地，将输出信号Vout提供给MEMS陀螺仪驱动电路100的驱动信号产生电路101。

电荷放大器1021的采样周期为Ts。每个采样周期Ts包括采样阶段(t0至t1)和保持阶段(t1至t3)。相移电路1023的输入信号Vin是在每个采样周期Ts的采样阶段获得的驱动检测信号的一部分波形，参见图5中的信号波形Vin。时序产生和控制电路1016产生用于控制相移电路1023中的开关S1至S5的时序时钟信号ph1至ph3。时序时钟信号ph1至ph3的周期与采样周期Ts相同，参见图5中的信号波形ph1至ph3。与电荷放大器1021的采样周期Ts相对应，相移电路1023的工作周期分为输入电容采样、电荷转移和电容复位三个阶段，其中复位电压为共模电压Vcm。

在输入电容采样步骤S01中，即在t0至t1期间，时序时钟信号ph1为高电平，时序时钟信号ph2和ph3为低电平。开关S3和S4闭合，开关S1、S2和S5断开。电容C1和Cin一起作为输入电容，电容C3和C4作为输出电容。在运算放大器Opamp的输入端，输入信号Vin对电容C1和Cin充电，使得电容C1和Cin、开关S3组成的电路采样储存输入信号Vin的电荷。电容C3复位至共模电压Vcm。电容C4储存上次的 输出信号Vout的电荷，使得输出端Vout处于保持状态。在第一时间段(t0至t1)内，如果输入信号中含有直流误差，则输入信号和直流误差同时被电容C1和Cin采样。

在电荷转移步骤S02中，即在t1至t2期间，时序时钟信号ph1从高电平变为低电平，时序时钟信号ph2和ph3从低电平变为高电平。开关S3和S4断开，开关S1、S2和S5闭合。电容C1复位至共模电压Vcm。电容Cin的连接开关S2的这一端被接到运算放大器Opamp的输入端(虚短)。电容Cin通过S1和开关S2也复位，电容Cin将上次采样的输入Vin的电荷全部释放出来。电容Cin上的释放出来的电荷被转移到电容C3和C4。输出端Vout输出新的值。在第二时间段(t1至t2)内，如果输入信号中含有直流误差，因为在前一周期的第三时间段(t2至t3)内，输入电容C1单独将直流误差采样并存储，在当前周期的第二时间段(t1至t2)电容Cin将输入信号和直流误差一起采样并存储，所以转移的电荷依然只是输入信号的电荷，直流误差的电荷被两次采样后抵消掉了，这样就消除了相移电路的前一级电路引入的直流误差。

在电容复位步骤S03中，即在t2至t3期间，时序时钟信号ph1从低电平变为高电平，时序时钟信号ph2从高电平变为低电平，时序时钟信号ph3保持高电平。开关S3和S4闭合，开关S2和S5断开，开关S1闭合。输入信号Vin处于复位到共模Vcm期间，这样C1通过开关S1被复位(ph3＝1)，Cin通过开关S1和开关S3也被复位，C3通过开关S3和开关S4也被复位。因为开关S2断开，C4储存了上次输出Vout的电荷。输出端Vout处于保持状态。在第三时间段(t2至t3)内，如果输入信号Vin中含有直流误差，电容C1就不是复位状态，该直流误差会被电容C1采样并存储。

根据第二实施例的相移电路按照这样的设计和时序ph1～ph3配合，可以去除输入信号Vin中的直流误差(DC-Offset)。

图6示出根据本发明第三实施例的相移电路的示意图。相移电路1023包括运算放大器Opamp，采用双端差分工作方式。运算放大器Opamp的同相输入端接收同相输入信号Vinp，反相输入端接收反相输入信号Vinm，同相输出端输出同相输出信号Voutp，反相输出端输出反相 输出信号Voutm，整个输出信号大小Vout等于Voutp和Voutm的差。

相移电路1023还包括电容Cin、C3至C4、Cin’、C3’至C4’、开关S2至S5、以及开关S2’至S5’,其中Cin＝Cin’，C3＝C3’，C4＝C4’。

电容Cin以及开关S2串联连接在反相输入信号Vinm和运算放大器Opamp的反相输入端之间。开关S2具有与电容Cin相连的第一端和与运算放大器Opamp的反相输入端相连的第二端。电容C3的第一端连接到开关S2的第一端，电容C3的第二端连接到开关S5的第一端，开关S5的第二端连接到运算放大器Opamp的的同相输出端Voutp。电容C4连接在运算放大器Opamp的反相输入端和同相输出端Voutp之间。相移电路1023还包括连接在电容Cin和开关S2的中间节点和共模电压Vcm之间的开关S3、以及连接在电容C3和开关S5的中间节点和共模电压Vcm之间的开关S4。

类似地，电容Cin’以及开关S2’串联连接在同相输入信号Vinp和运算放大器Opamp的同相输入端之间。开关S2’具有与电容Cin’相连的第一端和与运算放大器Opamp的同相输入端相连的第二端。电容C3’和开关S5’串联连接在开关S2’的第一端和运算放大器Opamp的反相输出端Voutm之间。电容C4’连接在运算放大器Opamp的同相输入端和反相输出端Voutm之间。相移电路1023还包括连接在电容Cin’和开关S2’的中间节点和共模电压Vcm之间的开关S3’、以及连接在电容C3’和开关S5’的中间节点和共模电压Vcm之间的开关S4’。

在工作中，开关S1至S5在时序时钟信号ph1-ph2的控制下分别周期性地闭合或断开，其中，开关S3和S4受到时序时钟信号ph1的控制同时动作，开关S2和S5受到时序时钟信号ph2的控制同时动作。开关S2、S3、S4、S5分别和S2’、S3’、S4’、S5’联动，在下文中仅描述开关S2、S3、S4、S5的动作，对开关S2’、S3’、S4’、S5’的动作不再赘述。

图7示出根据本发明第三实施例的相移电路的时序图，图9示出根据本发明的相移电路控制方法的流程图。以下将结合图7和图9描述根据本发明的第三实施例的相移电路控制方法。

在MEMS陀螺仪200中，驱动检测梳齿电极202利用电容原理检测驱动检测信号。在MEMS陀螺仪驱动电路100的反馈信号处理电路102 中，驱动检测信号经由电荷放大器1021周期性采样，经由带通滤波电路1022滤除噪声，获得高信噪比的差分输入信号，包括同相输入信号Vinp和反相输入信号Vinm。相移电路1023接收同相输入信号Vinp和反相输入信号Vinm，对同相输入信号Vinp和反相输入信号Vinm进行比较和相移，以产生同相输出信号Voutp和反相输出信号Voutm。整个输出信号大小Vout等于Voutp和Voutm的差。进一步地，将输出信号Vout提供给MEMS陀螺仪驱动电路100的驱动信号产生电路101。

电荷放大器1021的采样周期为Ts。每个采样周期Ts包括采样阶段(t0至t1)和保持阶段(t1至t2)。相移电路1023的反相输入信号Vinm是在每个采样周期Ts的采样阶段获得的驱动检测信号的一部分波形，参见图7中的信号波形Vinm和Vinp。时序产生和控制电路1016产生用于控制相移电路1023中的开关S1至S5的时序时钟信号ph1至ph2。时序时钟信号ph1至ph2的周期与采样周期Ts相同，参见图7中的信号波形ph1至ph2。与电荷放大器1021的采样周期Ts相对应，相移电路1023的工作周期分为输入电容采样、电荷转移两个阶段，其中复位电压为共模电压Vcm。

在输入电容采样步骤S01中，即在t0至t1期间，时序时钟信号ph1为高电平，时序时钟信号ph2为低电平。开关S3和S4闭合，开关S2和S5断开。反相输入信号Vinm对电容Cin，使得电容Cin、开关S3组成的电路采样储存反相输入信号Vinm的电荷。电容C3复位至共模电压Vcm。电容C4储存上次的输出信号Vout的电荷，使得输出端Vout处于保持状态。

在电荷转移步骤S02中，即在t1至t2期间，时序时钟信号ph1从高电平变为低电平，时序时钟信号ph2从低电平变为高电平。开关S3和S4断开，开关S2和S5闭合。电容Cin的连接开关S2的这一端被接到运算放大器Opamp的输入端(虚短)。电容Cin通过输入信号的共模电压和开关S2复位，电容Cin将上次采样的输入Vin的电荷全部释放出来。电容Cin上的释放出来的电荷被转移到电容C3和C4。输出端Vout输出新的值。

在第三实施例中，描述了采用双端差分工作方式的相移电路。

在优选的实施例中，与第二实施例类似，采用双端差分工作方式的相移电路1023也可以包括第一直流误差补偿电路11和第二直流误差补偿电路11’。第一直流误差补偿电路11包括包括连接在反相输入信号Vinm和电容Cin之间的电容C1，以及连接在电容C1和Cin的中间节点和共同模电压Vcm之间的开关S1。第二直流误差补偿电路11’包括连接在同相输入信号Vinp和电容Cin’之间的电容C1’，以及连接在电容C1’和Cin’的中间节点和共同模电压Vcm之间的开关S1’。开关S1和S1’在时序时钟信号ph3的控制下闭合或断开。根据该优选实施例的相移电路按照这样的设计和时序ph1～ph3配合，可以去除输入信号中的直流误差(DC-Offset)。

图8示出根据本发明实施例的相移电路的输入信号和输出信号的波形图。如上所述，相移电路的输入信号Vin是经由图1中的电荷放大器1021周期性采样后获得的信号。如图8所示，输入信号Vin包括周期性的复位阶段和采样阶段，输入波形的包络为信号频率即第一频率f，采样频率为第二频率fs。经过相移电路后，输出信号Vout和输入信号Vin之间会有一个相位差Φ，该相移大小由下文将描述的公式(6)得到。输出信号Vout不再出现复位状态，从而形成连续的输出信号。在输入电容采样步骤中输出信号保持不变，直到电荷转移步骤时输出信号才变化，不断重复信号输出、信号保持两个阶段。输出信号Vout包括与信号输出阶段相对应的时间段T1以及与信号保持阶段相对应的时间段T2。

在MEMS陀螺仪驱动电路100工作期间，相移电路周期性地重复输入电容采样、电荷转移的步骤，获得的输出信号Vout是输入信号Vin的相移信号。

在上述的电荷转移步骤中，转移电荷量如下式所示：

V_in(n-1)·Cin＝[C₃·V₀(n)+C₄·(V₀(n)-V₀(n-1))](1)

将上式转成Z域，可以表示成：

相移电路的Z域的传递函数可以表示如下，

$H\left(Z\right)=\frac{V_0\left(Z\right)}{V_{\mathrm{in}}\left(Z\right)}=\frac{Z^{-1}·\mathrm{Cin}}{C_3+C_4·\left({1-Z}^{-1}\right)}---\left(3\right)$

将Z＝e^jΩ代入上式，可以得出相移电路的频率响应如下：

$\left(\begin{array}{c}H\left(e^{\mathrm{j\Omega }}\right)=\frac{e^{-\mathrm{j\Omega }}{C}_{12}}{C_3+C_4·(1-e^{-\mathrm{j\Omega }})}\\ =\frac{(\cos \Omega -j\sin \Omega )·\mathrm{Cin}}{C_3+C_4·(1-\cos \Omega +j\sin \Omega )}\end{array}\right)---\left(4\right)$

根据式(4)，相移电路的幅频响应可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}\left|H\left(e^{\mathrm{j\Omega }}\right)\right|=\frac{C_{\mathrm{in}}}{\sqrt{{(C_3+C_4-C_4·\cos \Omega )}^2+{C_4}^2{\sin }^2\Omega }}\\ =\frac{C_{\mathrm{in}}}{\sqrt{{(C_3+C_4)}^2+{C_4}^2-2(C_3+C_4)·C_4·\cos \Omega }}\end{array}\right)---\left(5\right)$

根据式(4)，相移电路的相频特性可以表示为：

$\Phi =-\Omega -\arctan \frac{C_4·\sin \Omega }{C_3+C_4·(1-\cos \Omega )}---\left(6\right)$

上面各个方程中的频率变量Ω为弧度，Ω可以表示为

$\Omega =\omega {·T}_S=2\mathrm{\pi f}·T_S=2\pi \frac{f}{f_S},$

其中Ts为采样周期(fs为采样频率，)。采样频率与时序图中ph1、ph2的频率相等。f为输入信号Vin被采样之前的模拟信号频率即Vin的包络频率(在驱动环路中对应的是谐振信号频率)。

在MEMS陀螺仪驱动电路电路100中，信号频率f即为MEMS陀螺仪的谐振频率，采样频率是驱动电路电路中的锁相环电路基于该谐振频率倍频的，采样频率和输入信号频率的比值因为PLL工作原理的关系总是保持不变的，这样不管谐振频率怎么漂移，幅频和相频特性是不变的，所以相移电路的相移一旦设计好，就不会随谐振频率或电容的工艺漂移而变化。

在一个实例中，假设C_U为一个单位电容大小，C₃＝1*C_U，C₄＝95*C_U，则有：

C_in＝13.6667*C_U；

在设计时取采样频率和信号频率的比值所以Ω可以计算如下：

$\Omega =2\pi \frac{f}{f_S}=\frac{\pi }{22}$

将上面的电容值和Ω代入式(2)和式(3)可求出相移电路在采样频率和信号频率的比值的增益和相移分别如下：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Gain}=\frac{C_{\mathrm{in}}}{\sqrt{{(C_3+C_4)}^2+{C_4}^2-2(C_3+C_4)·C_4·\cos \Omega }}\\ =\frac{13.6667·C_U}{\sqrt{{(1+95)}^2+{95}^2-2(1+95)·95·0.98982·C_U}}\\ =\frac{13.6667}{13.66322}\approx 1\end{array}\right)$

按照上面给出的电容和Ω值，可以设计出一个增益接近为1、相移约为90°的相移电路，从而满足MEMS陀螺仪驱动电路相移的要求。因为该相移电路在输入电容采样步骤中输出信号保持不变，直到电荷转移步骤时输出信号才变化，不再有复位状态的出现，所以输出信号基本上已经转化成了模拟信号，减轻了后级低通滤波电路的设计难度。

本发明设计的相移电路结构新颖，且只有一个运算放大器Opamp，所占用的芯片面积小，功耗也低，易于实现；对于给定的电容和采样频率和信号频率的比值，相移大小不会漂移，始终保持在-90°附近，满足MEMS陀螺仪驱动电路对相移的设计要求，抵消了微机械引入因为电压 转化成位移过程中产生的90°相移差，使整个驱动电路的相位为2π的整数倍。

本发明设计的相移电路，不仅仅可以用于上述陀螺仪驱动电路之中，同时适用于其他需要相移的开关电容电路中，相移大小可以根据公式(6)，增益大小可以根据公式(5)灵活调整，设计出适合各种应用场合的实例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。