一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路制造技术

本发明专利技术公开了一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路，特点是：由陀螺仪传感器件、读出电路、比较器、锁相环、幅度调节电路与开关2构成闭环，负责驱动陀螺仪传感器件沿驱动轴振荡；幅度提取电路、幅度调节电路与读出电路、陀螺仪传感器件构成闭环，负责控制陀螺仪传感器件振荡幅度恒定；激励电路负责激励陀螺仪传感器件振荡，频率测量电路负责读出振荡信号频率值，电压预置电路负责将频率值转换成预置电压信号，并施加到锁相环中的压控振荡器上，预置压控振荡器的起振频率。本发明专利技术的闭环驱动电路的优点是：通过预置压控振荡器起振频率，利用锁相环的窄带滤波及频率追踪功能，有效避免电学振荡发生，并可用常压集成电路工艺实现。

Micro electromechanical gyroscope closed loop driving circuit for preventing electric oscillation

The invention discloses a micro mechanical gyroscope closed-loop anti electrical oscillation driving circuit, and is characterized in that the gyro sensor, readout circuit, comparator, PLL, amplitude adjusting circuit and the switch 2 is a closed loop for driving the gyro sensor along the drive shaft oscillation; amplitude extraction circuit, amplitude adjustment circuit and the readout circuit, the gyro the closed loop is composed of sensors, gyroscope sensor is responsible for the control of constant amplitude oscillation; excitation circuit is responsible for gyroscope sensor excitation oscillation frequency measuring circuit for signal readout oscillation frequency value, voltage preset circuit will be responsible for the frequency value into a preset voltage signal, and applied to the PLL VCO, the preset of the voltage controlled oscillator vibration frequency. The closed-loop driving circuit of the invention has the advantages of: through the preset voltage controlled oscillator oscillation frequency, the tracking function using narrowband filter of phase-locked loop and frequency, effectively avoid electrical oscillations, and available atmospheric integrated circuit technology to achieve.

【技术实现步骤摘要】
一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路
本专利技术涉及一种微机械陀螺仪的闭环驱动电路，尤其是一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路。
技术介绍
微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。微机械陀螺仪是一种重要的惯性MEMS器件。典型的微机械陀螺仪由传感器件和接口电路两部分构成，其工作原理是基于哥氏力(CoriolisForce)效应。以谐振式电容型微机械陀螺仪为例，如图1所示，闭环驱动电路先将传感器件的驱动模态(X方向)驱动至谐振状态，当有外界角速度Ωz输入时，在检测模态(Y方向)将会产生大小为2MΩv的哥氏力Fc，此哥氏力会造成Y方向产生频率与X方向相同的调幅位移信号y(t)，从而引起检测极板等效电容C(t)变化，通过检测电路读出C(t)并解调滤波，即可得到反映输入角速度信号Ωz的输出电压信号Vout。由于微机械陀螺仪传感器件加工工艺的精度有限，传感器件驱动方向上的驱动极板与驱动反馈极板间不可避免的会存在一个寄生电容，称之为寄生跨接电容，如图2所示。由于寄生跨接电容的存在，导致驱动信号可以直接通过此电容耦合至驱动反馈端，并带来诸多负面效应。主要的负面效应包括阻止“电学-机械”振荡的发生以及引发“电学振荡”。如图3所示，“电学-机械”振荡是指闭环驱动电路与驱动极板等效电容Cd与驱动反馈极板等效电容Cs形成的振荡，一般由陀螺仪驱动轴谐振频率决定，在几千赫兹(kHz)至几十千赫兹(kHz)范围内，是期望发生的；而“电学振荡”指闭环驱动电路与寄生跨接电容Cf形成的振荡，由闭环驱动电路结构和寄生跨接电容Cf的大小有关，一般在百千赫兹(kHz)以上，是不期望发生的。但是，闭环驱动电路与寄生跨接电容构成的环路满足振荡发生的增益条件与相位条件时，陀螺仪有可能落入电学振荡频率点而无法正常工作，因此，需要想办法避免电学振荡。寄生跨接电容阻止“电学-机械”振荡发生的原因分析如下。如图3所示，当存在寄生跨接电容Cf时，闭环驱动电路检测的电流为经Cf耦合的电流if与微陀螺驱动反馈极板端的电流is的叠加。由于if和is有90度的相位差，若if远大于is，由于环路中相位条件无法满足，期望的“电学-机械”振荡将不会发生。图3中的振荡器电学模型可以表示为其中，X为陀螺仪质量块的位移，Fext为驱动力，mx为陀螺仪质量块X轴方向重量，ωx为陀螺仪驱动轴本征角频率，Q为陀螺仪驱动轴品质因子，Vdc和Vb分别为驱动端和驱动反馈端的直流压差，Vdr是驱动电压，Cd为驱动极板等效电容，Cs为驱动反馈极板等效电容，KF/V2为驱动电压转驱动力转换系数，Kc/x是位移电容转换系数。由式(1)可得振荡器跨导的表达式为令式(2)中跨导相位等于零，可得方程其中ωd为驱动信号频率。为使得式(3)有实数根，需满足式(4)表明，避免电学振荡的发生办法主要有两个，第一是从传感器件机械设计角度，尽量减小跨接寄生电容Cf的值；第二是从电路设计角度，可以通过改变式(4)中的各个变量，比如提高施加在微陀螺质量块上的极化电压Vp，以提高直流压差Vb和Vdc。目前避免电学振荡的方法包括，在机械设计方面，有将衬底材料由硅换成玻璃(参见AlperSE,AkinT.Symmetricalanddecouplednickelmicrogyroscopeoninsulatingsubstrate[J].Sensors&ActuatorsAPhysical,2004,115(2–3):336-350.)、在驱动极板和驱动反馈极板间增加偏置极板(参见ParkHW,KimYK,JeongHG,etal.Feed-throughcapacitancereductionforamicro-resonatorwithpush–pullconfigurationbasedonelectricalcharacteristicanalysisofresonatorwithdirectdrive[J].Sensors&ActuatorsAPhysical,2011,170(1):131-138.)等方法，但这些方法本质上只能减小寄生跨接电容，并无法完全避免电学振荡，而且会增大传感器件的设计复杂度。而在电路设计方面，目前有在跨阻放大器上跨接补偿电容以抑制高频振荡信号的方法(参见AlperSE,SahinK,AkinT.AnAnalysistoImproveStabilityofDrive-ModeOscillationsinCapacitiveVibratoryMEMSGyroscopes[J].2009,51(1):817-820.)，但此方法的缺点是大的补偿电容会引入大的相位移动，导致振荡频率大量偏离谐振频率。另一种方法是增大传感器件质量块上的偏置电压，从而避免振荡器起振时落入电学振荡点(参见WuHM,YinT,JiaoJW,etal.Analysisofparasiticfeed-throughcapacitanceeffectinclosed-loopdrivecircuitdesignforcapacitivemicro-gyroscope[J].MicrosystemTechnologies,2016,22(9):1-7.)，但此方法的缺点是稳定的高压偏置难以在常规电压工艺的集成电路芯片上实现。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路，以解决目前闭环驱动电路防电学振荡设计中存在振荡频率大量偏离谐振频率与高压偏置难以用常规集成电路工艺片上实现的问题，避免陀螺仪驱动轴落入电学振荡而导致陀螺仪无法正常工作。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路，由陀螺仪传感器件、读出电路、比较器、锁相环、幅度提取电路、幅度调节电路、频率测量电路、电压预置电路、激励电路以及开关1、开关2、开关3及时序控制电路组成。此闭环驱动电路的设计思想将锁相环串联进入闭环驱动电路，并将锁相环中的压控振荡器预置成陀螺仪驱动轴谐振频率附件启动振荡，利用锁相环的窄带滤波及频率追踪功能，避免电学振荡发生。所述的陀螺仪传感器件的驱动反馈极板与读出电路相连接、读出电路与比较器相连接、比较器与锁相环相连接、锁相环与幅度调节电路相连接、幅度调节电路通过开关2与陀螺仪传感器件的驱动极板断开或相连接构成闭环，负责驱动陀螺仪传感器件沿驱动轴振荡。所述的幅度提取电路分别与读出电路和幅度调节电路相连接，并与陀螺仪传感器件构成闭环反馈控制振荡信号幅度。所述的激励电路通过开关1与陀螺仪传感器件的驱动极板断开或相连接，负责激励陀螺仪传感器件振荡，频率测量电路与读出电路相连接负责读出振荡信号频率值，电压预置电路与频率测量电路相连接将频率值转换成预置电压信号，并通过开关3与锁相环中的压控振荡器断开或相连接，负责预置压控振荡器的起振频率。所述的时序控制电路负责控制开关1、开关2和开关3的闭合与打开的时序。所述的闭环驱动电路的具体工作原理及工作时序为初始阶段开关1、开关2、开关3均打开；第一阶段开关1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路，其特征在于由陀螺仪传感器件、读出电路、比较器、锁相环、幅度提取电路、幅度调节电路、频率测量电路、电压预置电路、激励电路以及开关1、开关2、开关3及时序控制电路组成，所述的陀螺仪传感器件的驱动反馈极板与读出电路相连接、读出电路与比较器相连接、比较器与锁相环相连接、锁相环与幅度调节电路相连接、幅度调节电路通过开关2与陀螺仪传感器件的驱动极板断开或相连接构成闭环，负责驱动陀螺仪传感器件沿驱动轴振荡；幅度提取电路分别与读出电路和幅度调节电路相连接，并与陀螺仪传感器件构成闭环反馈控制振荡信号幅度；激励电路通过开关1与陀螺仪传感器件的驱动极板断开或相连接，负责激励陀螺仪传感器件振荡，频率测量电路与读出电路相连接负责读出振荡信号频率值，电压预置电路与频率测量电路相连接将频率值转换成预置电压信号，并通过开关3与锁相环中的压控振荡器断开或相连接，负责预置压控振荡器的起振频率；时序控制电路负责控制开关1、开关2和开关3的闭合与打开的时序；闭环驱动电路的工作时序为初始阶段开关1、开关2、开关3均打开；第一阶段开关1闭合、开关2与开关3保持打开，激励电路激励陀螺仪传感器件，然后开关1打开，激励取消，传感器按谐振频率衰减振荡，由频率测量电路读出衰减振荡信号频率值，并由电压预置电路输出锁相环中压控振荡器的预置电压；第二阶段开关1和开关2保持打开，开关3闭合，将预置电压施加于压控振荡器；第三阶段开关1保持打开，开关3打开，开关2闭合，锁相环追踪陀螺仪谐振频率，并由幅度提取电路和幅度调节电路反馈控制传感器振荡幅度，陀螺仪传感器件以谐振频率按恒定幅度振荡。...

【技术特征摘要】
1.一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路，其特征在于由陀螺仪传感器件、读出电路、比较器、锁相环、幅度提取电路、幅度调节电路、频率测量电路、电压预置电路、激励电路以及开关1、开关2、开关3及时序控制电路组成，所述的陀螺仪传感器件的驱动反馈极板与读出电路相连接、读出电路与比较器相连接、比较器与锁相环相连接、锁相环与幅度调节电路相连接、幅度调节电路通过开关2与陀螺仪传感器件的驱动极板断开或相连接构成闭环，负责驱动陀螺仪传感器件沿驱动轴振荡；幅度提取电路分别与读出电路和幅度调节电路相连接，并与陀螺仪传感器件构成闭环反馈控制振荡信号幅度；激励电路通过开关1与陀螺仪传感器件的驱动极板断开或相连接，负责激励陀螺仪传感器件振荡，频率测量电路与读出电路相连接负责读出振荡信号频率值，电压预置电路与频率测量电路相连接将频率值转换成预置电压信号，并通过开关3与锁相环中的压控振荡器断开或相连接，负责预置压控振荡器的起振频率；时序控制电路负责控制开关1、开关2和开关3的闭合与打开的时序；闭环驱动电路的工作时序为初始阶段开关1、开关2、开关3均打开；第一阶段开...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴焕铭，杨海钢，尹韬，
申请(专利权)人：宁波大学，中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33