本发明专利技术公开了一种ＭＥＭＳ陀螺电容读出电路中失调电容的补偿方法及电路，该补偿电路包括依次连接的电荷放大器、高通滤波器、同步解调电路、低通滤波器和一失调电容补偿反馈回路，该反馈回路由低通滤波器、可变增益放大器和反馈电容组成。其中，ＭＥＭＳ陀螺的变化电容信号经过电荷放大器放大后转换成电压信号，并且被载波调制到高频，再经过高通滤波器放大；放大后的信号经过同步解调后，用低通滤波器提取反映失调电容大小的电压信号，该电压信号通过可变增益放大器放大并调制到高频以产生负反馈电压，反馈电容将负反馈电压耦合到电荷放大器输入端，与ＭＥＭＳ陀螺的变化电容信号中的失调电容信号相减，实现了失调电容的自适应补偿。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是关于微电子集成电路设计及微电子MEMS领域中电容式振动陀螺检测及控制 电路中的电容检测技术，具体涉及一种MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿方法及 电路。
技术介绍
电容式MEMS振动陀螺在军事、工业控制、汽车及消费类电子等多个领域有着广泛的 应用前景，极微小电容(通常在10—21~10'15法拉量级)的检测电路是电容式MEMS陀螺系 统的关键组件之一。该组件由陀螺差分检测电容和C/V (Capacitance to Voltage)转换电路 组成。电荷放大器(CSA: Charge Sensitive Amplifier)是最常见的C/V转换电路之一，其检 测精度主要由电路的噪声决定。MEMS陀螺的差分检测电容信号的频率等于陀螺驱动轴谐 振频率，通常在几KHz到几十KHz左右，而在该频段范围内，CMOS电路中MOS管的 1/f噪声是主要的噪声源，因此电容检测电路的检测精度主要由电路的l/f噪声决定。为了 降低l/f噪声的影响，通常在电容检测电路中采用CHS (chopper stabilization)技术。由于实际工艺加工的误差，陀螺差分检测电容存在失调电容(差分电容初始值之间的 差别)。在采用了 CHS技术的电荷放大器中，失调电容会同差分变化电容信号一起被调制、 放大和解调，通常失调电容的大小远大于变化电容信号的幅度，因此失调电容会降低电容 检测电路的动态范围。传统的抑制失调电容的方法主要有两种外加补偿电压和片上补偿电容阵列。外加补 偿电压方式是通过外加幅度可调的电压信号以抵消失调电容所引入的电压输出信号，片上 补偿电容阵列方式是通过在陀螺差分检测电容上并联不同大小的电容，以补偿差分检测电 容之间的失调电容。外加补偿电压方式的补偿精度由外加电压幅度的精度决定的，需要外 围电路来产生幅度可调的补偿电压，增加了电路系统的复杂度；片上补偿电容阵列方式的 补偿精度由电容阵列的最小电容决定，要实现高精度和大范围的失调电容补偿，就需要更 大的电容阵列和更多的控制信号，增加电路的复杂度和成本。由于工艺的限制，即使是同 一硅片上加工出来的陀螺，其差分失调电容的大小也各不相同，因此两种传统的失调电容 补偿方法都需要针对每一个陀螺进行单独的测试和校正，不利于实际应用。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术中的不足，提供了一种MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的 补偿方法及电路。该补偿方法无需针对每个陀螺进行单独测试和校正。 本专利技术的技术方案是-一种MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿方法，其步骤包括1) 电荷放大器将MEMS陀螺的变化电容信号放大后转换成电压信号，该电压信号被载 波调制到高频，再经过高通滤波器放大；2) 放大后的信号经过同步解调后，用低通滤波器提取反映失调电容大小的电压信号；3) 低通滤波器提取的电压信号通过可变增益放大器放大并调制到高频以产生负反馈电 压，将上述负反馈电压反馈到电荷放大器输入端，与MEMS陀螺的变化电容信号中的失调 电容信号相减，实现失调电容的补偿。一种MEMS陀螺电容读出电路中失调电容的补偿电路，包括依次连接的电荷放大器、高 通滤波器、同步解调电路和低通滤波器，电荷放大器，用于完成C/V转换以及调制；高通 滤波器，用于完成信号放大及滤波；同步解调电路，用于完成信号同步解调；以及低通滤 波器，用于对同步解调后的信号滤波，其特征在于，还包括一失调电容补偿反馈回路，该 反馈回路由低通滤波器、可变增益放大器和反馈电容组成，其中，低通滤波器，用于对同 步解调后的信号进行分离，提取反映失调电容大小的电压信号；可变增益放大器，用于将 低通滤波器提取的电压信号放大并调制到高频以产生负反馈电压；反馈电容用于将负反馈 电压耦合到电荷放大器的输入端。可变增益放大器为一模拟乘法器。同步解调电路可为一同步开关解调电路。同步解调电路可为一模拟乘法器。进一步，上述失调电容的补偿电路还包括一正弦波发生器和一高速比较器，正弦波发 生器用于产生高频正弦载波，高速比较器用于产生与高频正弦载波同步的解调方波。 与现有技术相比，本专利技术的有益效果是对于每一个陀螺来说，失调电容为一个固定值，可以等效为直流输入信号，而变化电 容信号等效为交流输入信号(频率等于陀螺驱动轴的谐振频率)，因此可以通过滤波在频 域将失调电容信号和变化电容信号分离。利用乘法器将分离出的失调电容信号再次经过载 波调制到高频，然后将调制后的高频信号负反馈到电荷放大器的输入端，该高频信号的幅度大小与分离出的失调电容信号的幅度成正比，因此利用该负反馈机制就可以实现对失调 电容的自适应补偿。附图说明图1为常规CSA电路的电路图2为具有失调电容自适应补偿功能的CSA电路的原理图3为失调电容自适应补偿的一种具体实现的电路图4为简化的失调电容自适应补偿的系统原理图5为常规电荷放大器在存在失调电容时的输出波形；图6为本专利技术所提出的电荷放大器在存在失调电容时的输出波形。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述参考图1， Csp和Csn为陀螺差分检测电容，Co+C。ff和Co-C。ff为差分检测电容的初始值，C。ff为差分检测电容的失调电容，Cs为差分检测电容的变化电容量，CLK/VAC是与高频载 波Vae同步的同步解调方波。Cf、 Rf和AMPl组成电荷放大器，Cf2、 Rc和ICMFB组成输 入共模反馈电路，C" C2、 R2和AMP2组成高通滤波器。 电荷放大器的输出为<formula>formula see original document page 5</formula> 式("经过高通滤波器、同步解调和低通滤波器LPF后的输出为<formula>formula see original document page 5</formula>式(2)其中d/C2为高通滤波器的增益，LPF()表示低通滤波操作，sign表示符号操作，sign(Vac(t)) 表示产生与Vac同步的方波信号CLK/VAC。由式(2)可以看出，要提高电容检测的灵敏度，就需要减小电荷放大器的反馈积分电 容Cf和增大高通滤波器的增益d/C2，但通常失调电容C。ff远大于电容变化量Cs，减小Cf 和增大CVC2容易使得电路的输出饱和，因此失调电容的存在会降低电容检测的动态范围， 需要进行补偿。参考图2，同步解调后的输出Vop3和VoN3中包含了变化电容信号和失调电容，变化电容信号的频率等于陀螺驱动轴的谐振频率，失调电容为直流量，因此通过引入低通滤波器 LPF2将变化电容信号和失调电容分离，使得Vf^和V船只包含失调电容，低通滤波器LPF1滤除VoP3和VoN3中的高频分量。通过可变增益放大器将Vf^和Vfl^放大、重新调制到高频后 产生负反馈电压Vfp2和Vfo2，并经过反馈电容C。f将负反馈电压耦合到电荷放大器的输入，最终将失调电容所引起的输出电压信号从电荷放大器的输出VOPl和VONl中抵消掉，从而实 现对失调电容的补偿。失调电容越大，则负反馈电压Vfpi和Vftu越大，反之失调电容越小， 则负反馈电压Vf^和Vfiu越小，因此由电荷放大器、高通滤波器、同步开关解调、低通滤波 器LPF2、可变增本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种ＭＥＭＳ陀螺电容读出电路中失调电容的补偿方法，其步骤包括： １）电荷放大器将ＭＥＭＳ陀螺的变化电容信号放大后转换成电压信号，该电压信号被载波调制到高频，再经过高通滤波器放大； ２）放大后的信号经过同步解调后，用低通滤波器提取反映失调电容大小的电压信号； ３）低通滤波器提取的电压信号通过可变增益放大器放大并调制到高频以产生负反馈电压，将上述负反馈电压反馈到电荷放大器输入端，与ＭＥＭＳ陀螺的变化电容信号中的失调电容信号相减，实现失调电容的补偿。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王展飞，鲁文高，李志宏，闫桂珍，刘畅，王佳，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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