一種低功耗數(shù)字加速度計(jì)接口電路系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于MEMS慣性器件領(lǐng)域，具體涉及一種低功耗數(shù)字加速度計(jì)接口電路系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高精度的微機(jī)械MEMS (Micro Electromechanical System)加速度計(jì)因具有小 型化、智能化、集成化、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境 監(jiān)測等領(lǐng)域，典型的應(yīng)用于這些領(lǐng)域的MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)關(guān)注于噪聲特性、偏置穩(wěn)定 性、直流精度。但是根據(jù)市場分析，消費(fèi)類電子仍然是目前MESM加速度計(jì)最大的應(yīng)用領(lǐng) 域，在這類應(yīng)用中，除了以上幾個(gè)要求，加速度計(jì)還必須具有低功耗和數(shù)字輸出的特性。 Sigma-Delta(X Δ)調(diào)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的重要方式，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，Σ Δ調(diào) 制技術(shù)被引入到電容式MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)中。微機(jī)械加速度計(jì)的敏感結(jié)構(gòu)特性帶寬通常 較窄，因此可以很容易地獲得很高的過采樣率（OSR)，從而有效地抑制噪聲，提高傳感器系 統(tǒng)性能。采用ΣΔ調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)的閉環(huán)反饋，不僅結(jié)構(gòu)簡單，帶寬高，易于采用 CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，而且，在實(shí)現(xiàn)閉環(huán)工作方式的同時(shí)也得到了直接的數(shù)字輸出。
[0003]目前已經(jīng)有大量關(guān)于采用Σ △調(diào)制結(jié)構(gòu)的電容式加速度計(jì)接口電路的報(bào)道，然 而這些電路都存在一個(gè)重要問題就是功耗過大，其原因有兩個(gè)：第一，為了降低系統(tǒng)的量化 噪聲，提高過采樣率，整個(gè)系統(tǒng)都工作在一個(gè)很高的采樣頻率下，然而過高的采樣頻率導(dǎo)致 非常大的機(jī)械電容和寄生電容要以相同的頻率進(jìn)行充電和放電，進(jìn)而導(dǎo)致了很高的功耗。 第二，盡管具有二階低通特性的敏感單元可以作為Σ △調(diào)制器中的積分器，但由于其非常 低的直流增益導(dǎo)致系統(tǒng)具有很低的信號(hào)-量化噪聲比（SQNR)，為了提高SQNR，必須要在敏 感單位之后級(jí)聯(lián)幾個(gè)電學(xué)積分器，而該電學(xué)積分器同樣在高頻下工作，其中的運(yùn)算放大器 也消耗了大量功耗。
[0004] 本發(fā)明是基于以上問題發(fā)明的，其目的是為了提供一種可以有效降低系統(tǒng)功耗的 方法，并提供一種低功耗、高精度的具有數(shù)字輸出功能的微加速度計(jì)接口電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種低功耗、高精度數(shù)字輸出的低功耗數(shù)字加速度計(jì)接口 電路系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部（101)、電荷積分器（102)、前置補(bǔ)償器（103)、采樣保 持電路（104)、三階Σ Δ調(diào)制器（105)和1位靜電力反饋（106)，
[0008] 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部（101)，產(chǎn)生兩相高頻驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)，分別加載在敏感結(jié)構(gòu)的上下 兩個(gè)固定電極；
[0009] 電荷積分器（102)與敏感單元和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部（101)共同組成電容-電壓轉(zhuǎn)換 電路，將敏感結(jié)構(gòu)的微小電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸送給后級(jí)的前置補(bǔ)償器（104);
[0010] 前置補(bǔ)償器（103)通過在敏感結(jié)構(gòu)兩個(gè)開環(huán)極點(diǎn)附近增加零點(diǎn)的方式提供前置 相位；
[0011] 采樣保持電路（104)將前級(jí)電路產(chǎn)生的離散電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為連續(xù)電壓信號(hào)并輸 送給后級(jí)的三階電學(xué)Σ Δ調(diào)制器（105)處理；驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部（101)、電荷積分器（102)、 前置補(bǔ)償器（103)和采樣保持電路（104)檢測加速度計(jì)敏感單元微小的電容變化，并轉(zhuǎn)化 為連續(xù)的電壓值；
[0012] 三階電學(xué)Σ Δ調(diào)制器（105)完成AD轉(zhuǎn)換并降低量化噪聲，將前級(jí)采樣保持電路 (104)產(chǎn)生的連續(xù)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為Ibit的脈寬調(diào)制信號(hào)（PffM);
[0013] 1位靜電力反饋（106)，根據(jù)三階電學(xué)Σ Δ調(diào)制器（105)輸出的Ibit PffM信號(hào)， 判斷反饋回敏感結(jié)構(gòu)的反饋力方向。
[0014] 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部（101)、電荷積分器（102)、前置補(bǔ)償器（103)和采樣保持電路 (104)工作頻率為，三階電學(xué)Σ Δ調(diào)制器（105)工作頻率為f2，且小于動(dòng)信號(hào) 產(chǎn)生部（101)、電荷積分器（102)、前置補(bǔ)償器（103)和采樣保持電路（104)的功耗均與頻 率匕成正比。
[0015] 三階電學(xué)Σ Δ調(diào)制器（105)工作于高頻&下，其中的運(yùn)算放大器用共源共柵反 相器來替代。
[0016] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0017] 本發(fā)明同現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要區(qū)別在于：第一，驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部（101)、電荷 積分器（102)、前置補(bǔ)償器（103)、采樣保持電路（104)工作頻率為，三階電學(xué)Σ △調(diào)制 器（105)工作頻率為f2，且遠(yuǎn)小于f2。在該發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)中，101、102、103、104部主要 完成將敏感電容的變化轉(zhuǎn)化為連續(xù)的電壓值，并提供給105,這樣這四個(gè)部分可以不需要工 作在高頻下，而只需要工作于較低頻率即可，可以大大降低對(duì)機(jī)械電容和寄生電容充放電 功耗。三階電學(xué)Σ Δ調(diào)制器（105)則完成Σ AAD轉(zhuǎn)換，因此其工作頻率必須很高，以提供 較高的過采樣率。第二，本發(fā)明中，三階電學(xué)Σ △調(diào)制器（105)中的運(yùn)算放大器用反相器 來替代，由于反相器可以在極低的靜態(tài)電流下提供很寬的單位增益帶寬，所以盡管105部 具有很高的工作頻率，但其功耗卻大大降低了。
【附圖說明】
[0018] 圖1為低功耗數(shù)字加速度計(jì)接口電路系統(tǒng)框圖；
[0019] 圖2為開關(guān)電容積分器；
[0020] 圖3為基于反相器的三階電學(xué)Σ Δ調(diào)制器。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：
[0022] 本發(fā)明屬于MEMS慣性器件領(lǐng)域，具體涉及一種低功耗的電容式微加速度計(jì)數(shù)字 輸出的接口電路系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部、電荷積分器、前置補(bǔ)償器、采 樣保持電路、電學(xué)積分器和1位靜電力反饋。本發(fā)明的主要目的是提出一種數(shù)字輸出加速 度計(jì)接口電路的低功耗技術(shù)，通過使電路系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部、電荷積分器、前置補(bǔ)償 器、采樣保持電路工作于低頻，而電學(xué)積分器工作于高頻下，且使用反相器替代電學(xué)積分器 中的運(yùn)算放大器，既大大降低了系統(tǒng)功耗，減小芯片面積，又可以有效地提高系統(tǒng)精度。
[0023] 本發(fā)明包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部（101)、電荷積分器（102)、前置補(bǔ)償器（103)、采樣保 持電路（104)、三階電學(xué)Σ △調(diào)制器（105)、和1位靜電力反饋（106)，
[0024] 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部（101)，產(chǎn)生兩相高頻驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)，分別加載在敏感結(jié)構(gòu)的上下 兩個(gè)固定電極；
[0025] 電荷積分器（102)與敏感單元和驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部（101)共同組成電容-電壓轉(zhuǎn)換 電路，將敏感結(jié)構(gòu)的微小電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸送給后級(jí)的前置補(bǔ)償器（104);
[0026] 前置補(bǔ)償器（103)通過在敏感結(jié)構(gòu)兩個(gè)開環(huán)極點(diǎn)附近增加零點(diǎn)的方式提供前置 相位，提尚系統(tǒng)的穩(wěn)定性；
[0027] 采樣保持電路（104)將前級(jí)電路產(chǎn)生的離散電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為連續(xù)電壓信號(hào)，并輸 送給后級(jí)的三階電學(xué)Σ Δ調(diào)制器（105)處理；
[0028] 三階電學(xué)Σ Δ調(diào)制器（105)是完成AD轉(zhuǎn)換和降低量化噪聲的關(guān)鍵部件，將前級(jí) 采樣保持電路（104)產(chǎn)生的連續(xù)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為Ibit的脈寬調(diào)制信號(hào)（PffM);
[0029] 1位靜電力反饋（106)，根據(jù)三階電學(xué)Σ Δ調(diào)制器（105)輸出的Ibit PffM信號(hào)， 判斷反饋回敏感結(jié)構(gòu)的反饋力方向。
[0030] 圖1表示本實(shí)施方式的低功耗數(shù)字加速度計(jì)接口電路系統(tǒng)框圖。
[0031] 如圖1所示，該接口電路系統(tǒng)具有：驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部（101)，電荷積分器（102)，前 置補(bǔ)償器（103)，采樣保持電路（104)，三階電學(xué)Σ △調(diào)制器（105)，1位靜電力反饋（106)。
[0032] 在圖1中，Csi和Cs2是由敏感單元的兩固定電極與中間活動(dòng)質(zhì)量塊組成的兩個(gè)可 變電容，開關(guān)Sl、S2、S3、S4在雙相不交疊時(shí)鐘clkl和clk2