采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制方法及电路技术

本发明专利技术公开了一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制方法及电路，该反馈控制电路可与电容式微加速度计以及常见的电容读出前端配合，构成闭环结构的电容式微加速度计读出系统。本发明专利技术电路包括用于将外部输入的反馈控制电压Vin_FB与内部产生的锯齿波电压进行比较的比较器，带使能端的锯齿波发生器，用于产生两路互补控制时钟的逻辑块，以及多个静电力反馈控制开关。整个电路受一路静电力反馈控制时钟phFB控制。本发明专利技术电路通过三端子接口TOP、CTR、BOT与电容式微加速度计相连接，实现了高线性度的模拟静电力反馈，且其线性度对微加速度计的结构失配不敏感。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及惯性传感器
，是一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制方法及电路，针对电容式微加速度计的高线性度闭环读出系统。
技术介绍
电容式加速度计是一种被广泛应用的惯性传感器，在国防技术、航空航天、汽车电子、工业控制等领域有着广泛的应用。随着信息技术和微制造技术的进步，传感器系统的微型化、集成化、智能化和网络化已成为技术发展的主要趋势，微加速度计 (Micro-accelerometer)因具有体积小、重量轻、价格便宜和功耗低等优点而备受青睐，不仅在传统的传感领域中得到广泛的应用，还应用在了一些新兴领域中，如智能鼠标，高级玩具，智能手机，医疗监护等，具有非常广阔的应用前景和市场。电容式微加速度计大多是差分结构，通常可将其等效为一对差分可变电容，两可变电容之间的差值直接反映了外界加速度的大小，将这一电容差值转换为电压值即可实现对外界加速度的测量。应用于高端领域的微加速度计系统在线性度方面对设计者提出了很高的要求。目前已经存在许多高线性度的电容读出电路，然而受到微加速度计本身“加速度-电容”转换特性的非线性的限制，直接将微加速度计与电容读出电路级联的开环结构往往线性度很差，这就需要采用“电-机械”(“Electro-Mechanical”)闭环负反馈结构，利用静电力负反馈降低微加速度计本身“加速度_电容”转换特性的非线性对整个系统线性度的影响。然而分析表明，静电力反馈单元的非线性同样会对“电-机械”("Electro-Mechanical")闭环负反馈系统的线性度产生很大的影响，这就对静电力反馈的线性度提出了很高的要求。目前主要存在两种静电力反馈控制方式模拟力反馈与数字力反馈。与数字力反馈相比，模拟力反馈的可控性高，采用这种方式构成的闭环系统稳定性好，且不存在数字力反馈闭环系统所面临的噪声性能与系统稳定性之间的折衷，噪声性能更好。然而受制造工艺水平的限制，差分结构的微加速度计会由于工艺偏差而存在比较大的失配，传统形式的模拟力反馈会因为这一非理想因素而出现线性度的极大恶化，从而限制了采用模拟力反馈方式的闭环系统的线性度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制方法及电路，该方法实现了高线性度的模拟静电力反馈，且其线性度对加工工艺误差所造成的微加速度计的结构失配不敏感。为了实现上述目的，本专利技术的技术解决方案是—种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制方法，其包括a)在全局时钟的控制之下，根据输入的反馈控制信号幅值的变化，生成两路脉宽互补的反馈控制时钟，脉宽之差与反馈控制信号的幅值成线性关系；b)这两路时钟分别控制着每一个时钟周期内，微加速度计可动质量块受到的分别指向固定极板TOP与固定极板BOT的静电力的作用时间；C)由于极板间所施加电压是固定的，因此每一个时钟周期内，可动质量块受到的净作用力与作用时间之差有关，静电力反馈的线性度取决于反馈控制信号与静电力作用时间之差的转换关系的线性程度，而对微加速度计的结构失配不敏感。一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制电路，其包括用于将外部输入的反馈控制电压Vin_FB与内部产生的锯齿波电压进行比较的比较器，带使能端的锯齿波发生器，用于产生两路互补控制时钟的逻辑块，以及静电力反馈控制开关；其中，比较器的输入端Vin_P与反馈控制电路的输入端Vin_FB相连，比较器的输入端Vin_N与带使能端的锯齿波发生器的输出端Vo相连，比较器的输出端Vo与逻辑块的输入端Vin_sig相连；带使能端的锯齿波发生器的使能输入端EN分别和反馈控制电路的输入端phFB、 逻辑块的输入端Vin_Syn、开关的控制端、开关(7)的控制端、开关的控制端相连； 逻辑块的输出端Vo_P与开关的控制端相连，逻辑块的输出端Vo_N与开关的控制端相连；开关的一端接电压Vdr_N，开关的另一端分别与开关的一端、开关的一端相连，开关的另一端接电压Vdr_P，开关的另一端接反馈控制电路的端子CTR，开关的一端接电压 Vdr_P,开关的另一端接反馈控制电路的端子TOP，开关的一端接电压Vdr_N，开关的另一端接反馈控制电路的端子Β0Τ。所述的模拟静电力反馈控制电路，其所述逻辑块包括非门，与门；非门的输入端分In别和逻辑块的输入端Vin_sig、与门的输入端InB相连，非门的输出端Out和与门的输入端InB相连，与门的输入端InA分别和逻辑块的输入端Vin_Syn、 与门的输入端InA相连，与门的输出端Out与逻辑块的输出端Vo_P相连，与门的输出端Out 与逻辑块的输出端Vo_N相连。所述的模拟静电力反馈控制电路，其使用时，三端子接口 TOP、CTR、BOT与电容式微加速度计相连接。本专利技术的采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制方法及电路，实现了高线性度的模拟静电力反馈，且其线性度对加工工艺误差所造成的微加速度计的结构失配不敏感。基于ChartedSemiconductor 0. 35m CMOS工艺的仿真结果表明，当微加速度计不存在结构失配时，在环路增益不小于50的前提下，采用传统形式模拟静电力反馈控制电路的闭环系统的非线性低于0. 1%，采用本专利技术的一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制电路的闭环系统的非线性也低于0. 1%;当微加速度计的结构失配为10%时，采用传统形式模拟静电力反馈控制电路的闭环系统的非线性恶化为5%，而采用本专利技术提供的一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制电路的闭环系统的非线性依旧低于0. 1%, 表现出了很高的对加工工艺误差的容忍性。本专利技术电路原理并不限于0.35 μ m CMOS，在各种CMOS工艺尺寸下均可以使用。附图说明图1为本专利技术的一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制电路的示意图2为将本专利技术的一种 用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈电路与电容式微加速度计以及常见的电容读出前端相连接，构成闭环结构的电容式微加速度计读出系统的示意图；图3为本专利技术的一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制电路在工作时节点的电压信号波形示意图；图4为仿真所得的采用传统形式模拟静电力反馈控制电路的闭环系统线性度在不同的微加速度计失配情况下的对比示意图；图5为仿真所得的采用本专利技术的一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制电路的闭环系统线性度在不同的微加速度计失配情况下的对比示意图。具体实施例方式本专利技术的一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制方法，该方法的核心思想是在全局时钟的控制之下，根据输入的反馈控制信号幅值的变化，生成两路脉宽互补的反馈控制时钟，脉宽之差与反馈控制信号的幅值成线性关系。这两路时钟分别控制着每一个时钟周期内，微加速度计可动质量块受到的分别指向固定极板TOP与固定极板BOT的静电力的作用时间。由于极板间所施加电压是固定的，因此每一个时钟周期内，可动质量块受到的净作用力与作用时间之差有关，静电力反馈的线性度取决于反馈控制信号与静电力作用时间之差的转换关系的线性程度，而对微加速度计的结构失配不敏感。图1为本专利技术提供的一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制方案的具体实现电路的示意图，主要包括用于将外部输入的反馈控制电压Vin_FB与内部产生的锯齿波电压进行比较的比较器1，带使能端的锯齿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：叶珍华，杨海钢，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：