专利名称：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的制作方法
技术领域：
本发明涉及惯性传感器技术领域，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。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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，本发明的技术解决方案是—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。本发明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%，采用本发明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%，而采用本发明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。本发明电路原理并不限于0.35 μ m CMOS，在各种CMOS工艺尺寸下均可以使用。
图1为本发明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为将本发明的一种 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为本发明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发明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。
具体实施例方式本发明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为本发明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，带使能端的锯齿波发生器2，用于产生两路互补控制时钟的逻辑块3，以及静电力反馈控制开关4、5、6、7、8。其中，比较器1的输入端Vin_P与反馈控制电路的输入端Vin_FB 相连，比较器1的输入端Vin_N与带使能端的锯齿波发生器2的输出端Vo相连，比较器1 的输出端Vo与逻辑块3的输入端Vin_sig相连。带使能端的锯齿波发生器2的使能输入端EN分别和反馈控制电路的输入端phFB、 逻辑块3的输入端Vin_Syn、开关6的控制端、开关7的控制端、开关8的控制端相连。逻辑块3包括非门9，与门10、11 ；非门9的输入端分In别和逻辑块3的输入端Vin_sig、与门10的输入端InB相连，非门9的输出端Out和与门11的输入端InB相连，与门10的输入端InA分别和逻辑块 3的输入端Vin_Syn、与门11的输入端InA相连，与门10的输出端Out与逻辑块3的输出端Vo_P相连，与门11的输出端Out与逻辑块3的输出端Vo_N相连。逻辑块3的输出端Vo_P与开关4的控制端相连，逻辑块3的输出端Vo_N与开关 5的控制端相连。开关4的一端接电压Vdr_N，开关4的另一端分别与开关5的一端、开关6的一端相连，开关5的另一端接电压Vdr_P，开关6的另一端接反馈控制电路的端子CTR，开关7的一端接电压Vdr_P，开关7的另一端接反馈控制电路的端子TOP，开关8的一端接电压Vdr_ N，开关8的另一端接反馈控制电路的端子Β0Τ。其中，比较器1采用常见的滞回比较器结构；带使能端的锯齿波发生器2采用常见的锯齿波发生器结构，且受使能端信号EN控制，当信号EN为“1”时，带使能端的锯齿波发生器2开始在输出端Vo产生一个斜坡电压信号，从低电平VL线性上升到高电平VH，当信号EN为“O”时，带使能端的锯齿波发生器2进入“重置”状态，输出端Vo电压返回到低电平VL ；整个控制电路受一路静电力反馈控制时钟phFB控制。 图2为将本发明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。常见的电容式微加速度计对外界表现为三端子结构，通常将这三个端子分别命名为T0P、B0T、CTR，端子TOP与端子CTR之间、端子BOT与端子CTR之间分别存在一个可变平板电容Cs_t0p、Cs_b0t。可变平板电容Cs_top的一个极板固定不动，且与端子 TOP相连，可变平板电容Cs_top的另一个极板则是一个可动质量块的上表面，类似的，可变平板电容Cs_bot的一个极板固定不动，且与端子BOT相连，可变平板电容Cs_bot的另一个极板则是可动质量块的下表面。与端子CTR相连的可动质量块能够感应外界加速度的大小并产生相应的位移，进而让Cs_top、Cs_bot的电容值差分变化，两电容的差值即直接反映了外界加速度的大小。常见的电容读出前端可以检测出这一电容差值的变化，并线性地转换为读出电压信号Vrdout，将此信号采样得到的离散时间信号Vrd0Ut_s即可用于静电力反馈控制。根据静电力学知识，在平板电容的两极板之间施加驱动电压Vdr时，平板电容的两极板之间会产生一个静电力Fi=!C肌K =(!)
el dd 2 dd 2d 2d2其中ε为极板间电介质常数，A为两极板相对面积，d为两极板间距，负号表示此静电力的作用是令电容的两个极板相互吸引。利用这一电学现象，通过分别控制差分可变平板电容Cs_top、Cs_bot两端电压信号的变化，即可改变微加速度计的可动质量块所受静电力的大小和极性，从而实现静电力反馈。本发明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是一种时钟控制的离散时间形式模拟静电力反馈，其核心思想为在全局时钟的控制之下，根据输入的反馈控制信号Vrd0Ut_s幅值的变化，生成两路脉宽互补的反馈控制时钟phActTop、 phActBot，这两路时钟的脉宽之差与反馈控制信号Vrd0Ut_s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，可变平板电容Cs_top、Cs_bot两端驱动电压Vdrtop、 Vdrbot的维持时间，也即可动质量块所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。由于在设计良好的闭环系统中，微加速度计中可变质量块的位移是可以忽略不计的，也即可以近似地认为式(1)最后一项中的分母保持不变，因此，在可变平板电容Cs_top、Cs_bot的极板两端驱动电压均保持不变的情况下，可以近似地认为分别指向固定极板TOP与固定极板BOT的静电力方向相反、大小不变。这样一来，每一个时钟周期内， 可动质量块受到的净作用力就只是与这两个静电力的作用时间之差有关，从而静电力反馈的线性度只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，而不再受到微加速度计的结构失配的影响。图3为本发明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在工作时节点的电压信号波形示意图。反馈控制电路通过三端子TOP、CTR、BOT与相应的电容式微加速度计端子相连。静电力反馈控制时钟PhFB的周期为Ts、脉宽为Tfb，包括“重置”(“Reset”)与“静电力反馈”(“Force Feedback")两相。举例说明，当进入第一个 “静电力反馈”相时，带使能端的锯齿波发生器2产生一个最低电平为VL、最高电平为VH、中间电平为Vmid = (VL+VH)/2、脉宽等于Tfb的斜坡信号Vramp，比较器1根据静电力反馈控制信号Vrd0Ut_s当前的幅值Vl与斜坡信号Vramp的相对大小，决定当前的输出电压信号 Vo_Comp的脉宽Tl，显而易见，Tl与Vl成正比。同理，当进入第二个“静电力反馈”相时， 比较器1的输出电压信号Vo_Comp的脉宽T2会与静电力反馈控制信号Vrd0Ut_s当时的幅值V2成正比。由此便得到了一路脉宽与静电力反馈控制信号Vrd0Ut_s成线性变化的控制信号Vo_Comp。逻辑块3再将Vo_Comp与时钟phFB做逻辑运算，得到两路反馈控制时钟 phActTop、phActBot。其中，phActTop 为 Vo_Comp 与 phFB 做逻辑与、phActBot 为 Vo_Comp 取反之后再与PhFB做逻辑与，从而phActTop与phActBot的脉宽关于Tfb互补。在时钟 phFB、phActTop、phActBot的控制下，开关4、5、6、7、8发生通断，从而改变微加速度计端子 TOP、CTR、BOT上的电压信号VTOP、VCTR、VB0T，其中，VTOP、VBOT的电平值在静电力反馈相 Tfb中分别保持为Vdr_P、Vdr_N, VCTR的电平值则根据开关4、开关5的通断情况，在Vdr_ P、Vdr_N2间进行切换。具体而言，开关4的控制信号phActTop为高(同时开关5的控制信号phActBot为低)时，VCTR的电平为Vdr_N，当phActTop跳变为低(同时phActBot跳变为高)时，VCTR的电平也相应地跳变为Vdr_P，跳变时刻由phActTop的脉宽决定，由此可见，VCTR是一个电平在Vdr_P、Vdr_N之间切换的二电平信号，只是脉宽会随着phActTop的脉宽变化(也即Vdr0Ut_s的幅值变化)而变化，从而实现对可动质量块受到的静电力的控制，如下分析所示。近似的，可以假设在“重置”相时，可动质量块受到的净作用力为0，则每一个全局时钟周期Ts内，可动质量块受到的净作用力为
权利要求
1.一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制方法，其特征在于，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。
2.一种采用互补脉宽调制技术的模拟静电力反馈控制电路，其特征在于，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)，带使能端的锯齿波发生器(2)，用于产生两路互补控制时钟的逻辑块(3)，以及静电力反馈控制开关(4、5、6、7、8)；其中，比较器(1)的输入端Vin_P与反馈控制电路的输入端Vin_FB相连， 比较器⑴的输入端Vin_N与带使能端的锯齿波发生器⑵的输出端Vo相连，比较器(1) 的输出端Vo与逻辑块(3)的输入端Vin_sig相连；带使能端的锯齿波发生器(2)的使能输入端EN分别和反馈控制电路的输入端phFB、 逻辑块(3)的输入端Vin_Syn、开关(6)的控制端、开关(7)的控制端、开关(8)的控制端相连；逻辑块(3)的输出端Vo_P与开关(4)的控制端相连，逻辑块(3)的输出端Vo_N与开关(5)的控制端相连；开关⑷的一端接电压Vdr_N，开关(4)的另一端分别与开关(5)的一端、开关(6)的一端相连，开关(5)的另一端接电压Vdr_P，开关(6)的另一端接反馈控制电路的端子CTR， 开关(7)的一端接电压Vdr_P，开关(7)的另一端接反馈控制电路的端子TOP，开关(8)的一端接电压Vdr_N，开关⑶的另一端接反馈控制电路的端子B0T。
3.如权利要求2所述的模拟静电力反馈控制电路，其特征在于，所述逻辑块(3)包括非门(9)，与门(10、11)；非门(9)的输入端分In别和逻辑块(3)的输入端Vin_sig、与门(10)的输入端InB相连，非门(9)的输出端Out和与门(11)的输入端InB相连，与门(10)的输入端InA分别和逻辑块⑶的输入端Vin_Syn、与门(11)的输入端InA相连，与门(10)的输出端Out与逻辑块⑶的输出端Vo_P相连，与门(11)的输出端Out与逻辑块(3)的输出端Vo_N相连。
4.如权利要求2所述的模拟静电力反馈控制电路，其特征在于，使用时，三端子接口 TOP、CTR、BOT与电容式微加速度计相连接。
全文摘要
本发明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。
文档编号H03K5/22GK102445564SQ201010513839
公开日2012年5月9日 申请日期2010年10月13日 优先权日2010年10月13日
发明者叶珍华, 杨海钢 申请人:中国科学院电子学研究所