MEMS陀螺6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路

摘要

本发明涉及一种MEMS陀螺6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路，属于利用科氏效应的制导或控制装置领域。该电路由电荷放大器5，高通滤波器6，二极管7，低通滤波器8，全差分放大电路9，相位补偿电路10，谐振电路11，数字转换电路12，模拟开关13，带通滤波器14，解调器15，低通滤波器16组成。本发明提出的电路能够消除驱动耦合信号对陀螺检测信号的影响；提高检测模态的两路全差分信号的对称性，消除非对称直流分量；将输出的脉宽密度调制数字信号b(t)做进一步的处理，得到模拟角速度信号Ω(t)输出。

主权项

1.一种MEMS陀螺6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路，其特征在于：由电荷放大器（5），高通滤波器（6），二极管（7），第一低通滤波器（8），全差分放大电路（9），相位补偿电路（10），谐振电路（11），数字转换电路（12），模拟开关（13），带通滤波器（14），解调器（15），第二低通滤波器（16）组成；变化的电流信号i(t)经过频率为f₁的高频载波V_c(t)调制到高频段，V_c(t)加载到MEMS陀螺结构（4）的质量块上，也即为等效的公共电极（1）上；调制信号经过电荷放大器（5）后，将电流信号转换为电压信号V_i(t)；电荷放大器（5）的反馈电容采用可变电容用于调节两路全差分信号V_i(t)和V_i'(t)的匹配性，使得其幅值相等，相位相反；V_i(t)和V_i'(t)经过高通滤波器（6）将驱动模态耦合信号V_d'(t)滤除得到V_i2(t)和V′_i2(t)，高通滤波器（6）的截止频率f_c1满足：f_c1＞f_x,其中f_x为MEMS陀螺驱动模态的谐振频率也即模态耦合信号V_d'(t)的频率；V_i2(t)和V′_i2(t)再经过由二极管（7）和第一低通滤波器（8）组成的解调电路进行解调和滤波，第一低通滤波器（8）的截止频率f_c2满足：f_y＜f_c2＜f₁，其中，f_y为陀螺检测模态的谐振频率；解调和滤波后的信号进入增益为G₁的全差分放大电路（9）对其做进一步的全差分放大得到V_i3(t)和V′_i3(t)；相位补偿电路（10）对V_i3(t)和V′_i3(t)进行一定的相位移动使得整个闭环控制回路的相移不等于2n　；移相后得到信号V_i4(t)和V′_i4(t)进入谐振电路（11），谐振电路（11）包括串联的完全相同的谐振器a（17）和谐振器b（18），谐振器a（17）和谐振器b（18）的谐振中心频率f₂等于f_x，且谐振器a（17）和谐振器b（18）在f₂处的增益为10-20dB，在其他频率范围内的增益均小于0dB；经过谐振电路（11）之后的信号V_i5(t)和V′_i5(t)进入数字转换电路（12），其包括比较器（19）和D触发器（20），比较器（19）对V_i5(t)和V′_i5(t)两路全差分信号进行比较，产生高低电平的数字比较信号b'(t)，D触发器（20）对b'(t)进行采样和量化，最终输出数字脉宽密度调制信号b(t)；一路用于控制模拟开关（13）将反馈电压V_fb加载到陀螺检测模态的反馈电极上；另一路经过带通滤波器（14）将[f_y-BW,f_y+BW]频率范围外的量化噪声去除，其中BW为陀螺的带宽；带通滤波之后的信号进入解调器（15），与驱动信号V_d(t)进行解调，再通过第二低通滤波器（16）处理得到角速度信号Ω(t),第二低通滤波器（16）的截止频率f_c3满足：f_c3＞BW。