一種防電學振蕩的微機械陀螺儀閉環驅動電路制造技術

本發明專利技術公開了一種防電學振蕩的微機械陀螺儀閉環驅動電路，特點是：由陀螺儀傳感器件、讀出電路、比較器、鎖相環、幅度調節電路與開關2構成閉環，負責驅動陀螺儀傳感器件沿驅動軸振蕩；幅度提取電路、幅度調節電路與讀出電路、陀螺儀傳感器件構成閉環，負責控制陀螺儀傳感器件振蕩幅度恒定；激勵電路負責激勵陀螺儀傳感器件振蕩，頻率測量電路負責讀出振蕩信號頻率值，電壓預置電路負責將頻率值轉換成預置電壓信號，并施加到鎖相環中的壓控振蕩器上，預置壓控振蕩器的起振頻率。本發明專利技術的閉環驅動電路的優點是：通過預置壓控振蕩器起振頻率，利用鎖相環的窄帶濾波及頻率追蹤功能，有效避免電學振蕩發生，并可用常壓集成電路工藝實現。

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.

【技術實現步驟摘要】
一種防電學振蕩的微機械陀螺儀閉環驅動電路
本專利技術涉及一種微機械陀螺儀的閉環驅動電路，尤其是一種防電學振蕩的微機械陀螺儀閉環驅動電路。
技術介紹
微機電系統(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)是集微傳感器、微執行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統。微機械陀螺儀是一種重要的慣性MEMS器件。典型的微機械陀螺儀由傳感器件和接口電路兩部分構成，其工作原理是基于哥氏力(CoriolisForce)效應。以諧振式電容型微機械陀螺儀為例，如圖1所示，閉環驅動電路先將傳感器件的驅動模態(X方向)驅動至諧振狀態，當有外界角速度Ωz輸入時，在檢測模態(Y方向)將會產生大小為2MΩv的哥氏力Fc，此哥氏力會造成Y方向產生頻率與X方向相同的調幅位移信號y(t)，從而引起檢測極板等效電容C(t)變化，通過檢測電路讀出C(t)并解調濾波，即可得到反映輸入角速度信號Ωz的輸出電壓信號Vout。由于微機械陀螺儀傳感器件加工工藝的精度有限，傳感器件驅動方向上的驅動極板與驅動反饋極板間不可避免的會存在一個寄生電容，稱之為寄生跨接電容，如圖2所示。由于寄生跨接電容的存在，導致驅動信號可以直接通過此電容耦合至驅動反饋端，并帶來諸多負面效應。主要的負面效應包括阻止“電學-機械”振蕩的發生以及引發“電學振蕩”。如圖3所示，“電學-機械”振蕩是指閉環驅動電路與驅動極板等效電容Cd與驅動反饋極板等效電容Cs形成的振蕩，一般由陀螺儀驅動軸諧振頻率決定，在幾千赫茲(kHz)至幾十千赫茲(kHz)范圍內，是期望發生的；而“電學振蕩”指閉環驅動電路與寄生跨接電容Cf形成的振蕩，由閉環驅動電路結構和寄生跨接電容Cf的大小有關，一般在百千赫茲(kHz)以上，是不期望發生的。但是，閉環驅動電路與寄生跨接電容構成的環路滿足振蕩發生的增益條件與相位條件時，陀螺儀有可能落入電學振蕩頻率點而無法正常工作，因此，需要想辦法避免電學振蕩。寄生跨接電容阻止“電學-機械”振蕩發生的原因分析如下。如圖3所示，當存在寄生跨接電容Cf時，閉環驅動電路檢測的電流為經Cf耦合的電流if與微陀螺驅動反饋極板端的電流is的疊加。由于if和is有90度的相位差，若if遠大于is，由于環路中相位條件無法滿足，期望的“電學-機械”振蕩將不會發生。圖3中的振蕩器電學模型可以表示為其中，X為陀螺儀質量塊的位移，Fext為驅動力，mx為陀螺儀質量塊X軸方向重量，ωx為陀螺儀驅動軸本征角頻率，Q為陀螺儀驅動軸品質因子，Vdc和Vb分別為驅動端和驅動反饋端的直流壓差，Vdr是驅動電壓，Cd為驅動極板等效電容，Cs為驅動反饋極板等效電容，KF/V2為驅動電壓轉驅動力轉換系數，Kc/x是位移電容轉換系數。由式(1)可得振蕩器跨導的表達式為令式(2)中跨導相位等于零，可得方程其中ωd為驅動信號頻率。為使得式(3)有實數根，需滿足式(4)表明，避免電學振蕩的發生辦法主要有兩個，第一是從傳感器件機械設計角度，盡量減小跨接寄生電容Cf的值；第二是從電路設計角度，可以通過改變式(4)中的各個變量，比如提高施加在微陀螺質量塊上的極化電壓Vp，以提高直流壓差Vb和Vdc。目前避免電學振蕩的方法包括，在機械設計方面，有將襯底材料由硅換成玻璃(參見AlperSE,AkinT.Symmetricalanddecouplednickelmicrogyroscopeoninsulatingsubstrate[J].Sensors&ActuatorsAPhysical,2004,115(2–3):336-350.)、在驅動極板和驅動反饋極板間增加偏置極板(參見ParkHW,KimYK,JeongHG,etal.Feed-throughcapacitancereductionforamicro-resonatorwithpush–pullconfigurationbasedonelectricalcharacteristicanalysisofresonatorwithdirectdrive[J].Sensors&ActuatorsAPhysical,2011,170(1):131-138.)等方法，但這些方法本質上只能減小寄生跨接電容，并無法完全避免電學振蕩，而且會增大傳感器件的設計復雜度。而在電路設計方面，目前有在跨阻放大器上跨接補償電容以抑制高頻振蕩信號的方法(參見AlperSE,SahinK,AkinT.AnAnalysistoImproveStabilityofDrive-ModeOscillationsinCapacitiveVibratoryMEMSGyroscopes[J].2009,51(1):817-820.)，但此方法的缺點是大的補償電容會引入大的相位移動，導致振蕩頻率大量偏離諧振頻率。另一種方法是增大傳感器件質量塊上的偏置電壓，從而避免振蕩器起振時落入電學振蕩點(參見WuHM,YinT,JiaoJW,etal.Analysisofparasiticfeed-throughcapacitanceeffectinclosed-loopdrivecircuitdesignforcapacitivemicro-gyroscope[J].MicrosystemTechnologies,2016,22(9):1-7.)，但此方法的缺點是穩定的高壓偏置難以在常規電壓工藝的集成電路芯片上實現。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種防電學振蕩的微機械陀螺儀閉環驅動電路，以解決目前閉環驅動電路防電學振蕩設計中存在振蕩頻率大量偏離諧振頻率與高壓偏置難以用常規集成電路工藝片上實現的問題，避免陀螺儀驅動軸落入電學振蕩而導致陀螺儀無法正常工作。本專利技術解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種防電學振蕩的微機械陀螺儀閉環驅動電路，由陀螺儀傳感器件、讀出電路、比較器、鎖相環、幅度提取電路、幅度調節電路、頻率測量電路、電壓預置電路、激勵電路以及開關1、開關2、開關3及時序控制電路組成。此閉環驅動電路的設計思想將鎖相環串聯進入閉環驅動電路，并將鎖相環中的壓控振蕩器預置成陀螺儀驅動軸諧振頻率附件啟動振蕩，利用鎖相環的窄帶濾波及頻率追蹤功能，避免電學振蕩發生。所述的陀螺儀傳感器件的驅動反饋極板與讀出電路相連接、讀出電路與比較器相連接、比較器與鎖相環相連接、鎖相環與幅度調節電路相連接、幅度調節電路通過開關2與陀螺儀傳感器件的驅動極板斷開或相連接構成閉環，負責驅動陀螺儀傳感器件沿驅動軸振蕩。所述的幅度提取電路分別與讀出電路和幅度調節電路相連接，并與陀螺儀傳感器件構成閉環反饋控制振蕩信號幅度。所述的激勵電路通過開關1與陀螺儀傳感器件的驅動極板斷開或相連接，負責激勵陀螺儀傳感器件振蕩，頻率測量電路與讀出電路相連接負責讀出振蕩信號頻率值，電壓預置電路與頻率測量電路相連接將頻率值轉換成預置電壓信號，并通過開關3與鎖相環中的壓控振蕩器斷開或相連接，負責預置壓控振蕩器的起振頻率。所述的時序控制電路負責控制開關1、開關2和開關3的閉合與打開的時序。所述的閉環驅動電路的具體工作原理及工作時序為初始階段開關1、開關2、開關3均打開；第一階段開關1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種防電學振蕩的微機械陀螺儀閉環驅動電路，其特征在于由陀螺儀傳感器件、讀出電路、比較器、鎖相環、幅度提取電路、幅度調節電路、頻率測量電路、電壓預置電路、激勵電路以及開關1、開關2、開關3及時序控制電路組成，所述的陀螺儀傳感器件的驅動反饋極板與讀出電路相連接、讀出電路與比較器相連接、比較器與鎖相環相連接、鎖相環與幅度調節電路相連接、幅度調節電路通過開關2與陀螺儀傳感器件的驅動極板斷開或相連接構成閉環，負責驅動陀螺儀傳感器件沿驅動軸振蕩；幅度提取電路分別與讀出電路和幅度調節電路相連接，并與陀螺儀傳感器件構成閉環反饋控制振蕩信號幅度；激勵電路通過開關1與陀螺儀傳感器件的驅動極板斷開或相連接，負責激勵陀螺儀傳感器件振蕩，頻率測量電路與讀出電路相連接負責讀出振蕩信號頻率值，電壓預置電路與頻率測量電路相連接將頻率值轉換成預置電壓信號，并通過開關3與鎖相環中的壓控振蕩器斷開或相連接，負責預置壓控振蕩器的起振頻率；時序控制電路負責控制開關1、開關2和開關3的閉合與打開的時序；閉環驅動電路的工作時序為初始階段開關1、開關2、開關3均打開；第一階段開關1閉合、開關2與開關3保持打開，激勵電路激勵陀螺儀傳感器件，然后開關1打開，激勵取消，傳感器按諧振頻率衰減振蕩，由頻率測量電路讀出衰減振蕩信號頻率值，并由電壓預置電路輸出鎖相環中壓控振蕩器的預置電壓；第二階段開關1和開關2保持打開，開關3閉合，將預置電壓施加于壓控振蕩器；第三階段開關1保持打開，開關3打開，開關2閉合，鎖相環追蹤陀螺儀諧振頻率，并由幅度提取電路和幅度調節電路反饋控制傳感器振蕩幅度，陀螺儀傳感器件以諧振頻率按恒定幅度振蕩。...

【技術特征摘要】
1.一種防電學振蕩的微機械陀螺儀閉環驅動電路，其特征在于由陀螺儀傳感器件、讀出電路、比較器、鎖相環、幅度提取電路、幅度調節電路、頻率測量電路、電壓預置電路、激勵電路以及開關1、開關2、開關3及時序控制電路組成，所述的陀螺儀傳感器件的驅動反饋極板與讀出電路相連接、讀出電路與比較器相連接、比較器與鎖相環相連接、鎖相環與幅度調節電路相連接、幅度調節電路通過開關2與陀螺儀傳感器件的驅動極板斷開或相連接構成閉環，負責驅動陀螺儀傳感器件沿驅動軸振蕩；幅度提取電路分別與讀出電路和幅度調節電路相連接，并與陀螺儀傳感器件構成閉環反饋控制振蕩信號幅度；激勵電路通過開關1與陀螺儀傳感器件的驅動極板斷開或相連接，負責激勵陀螺儀傳感器件振蕩，頻率測量電路與讀出電路相連接負責讀出振蕩信號頻率值，電壓預置電路與頻率測量電路相連接將頻率值轉換成預置電壓信號，并通過開關3與鎖相環中的壓控振蕩器斷開或相連接，負責預置壓控振蕩器的起振頻率；時序控制電路負責控制開關1、開關2和開關3的閉合與打開的時序；閉環驅動電路的工作時序為初始階段開關1、開關2、開關3均打開；第一階段開...

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳煥銘，楊海鋼，尹韜，
申請(專利權)人：寧波大學，中國科學院電子學研究所，
類型：發明
國別省市：浙江,33