专利名称：带宽可调的零相移rc低通滤波器及微机械陀螺仪驱动电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微机械陀螺仪驱动信号处理技术，尤其涉及一种带宽可调的零相移RC低通滤波器及微机械陀螺仪驱动电路。
背景技术：
在微机械陀螺仪驱动电路中，在陀螺固有频率的控制下产生驱动信号，所述驱动信号与驱动检测电极的相位差为90°，在90°相移电路之后的连续时间内，微机械陀螺仪驱动电路中的低通滤波器要求尽可能小的相位偏移。微机械陀螺仪驱动电路的系统时钟通常是陀螺固有频率的倍数(通常为几十倍)。因此，低通滤波器的带宽随陀螺固有频率可调，才能更好地抑制驱动信号的带外噪声。由于工艺的原因，同一种设计，不同的加工批次，滤波器的带宽变化很大。此外，同一种设计、同一硅片上制作的陀螺，固有频率各不相同。传统RC低通滤波器带宽不可调，对带外噪声，特别是系统时钟的噪声抑制性能一致性差。传统零相移RC低通滤波器如图1，具有两差分输入端Vil和Vi2，两差分输出端Vol和Vo2。两差分输入端的输入信号为驱动检测电路的输出差分正弦信号，带有较大时钟信号噪声；两差分输出信号Vol和Vo2滤除输入信号带外噪声，特别是系统时钟噪声。制造过程中，R和C的工艺分布分别可达±25%，因此，RC低通滤波电路的_3dB频率变化范围为O. 67 1.33f0，f0是RC为标称值时的-3dB频率值。图2为图1所示的零相移RC低通滤波器中RC参数变化引起的滤波特性差异，如图2，传统零相移RC低通滤波器，对同一频率的衰减差异很大。陀螺仪固有频率的批次性差异，引起系统时钟频率的变化，针对固定RC的低通滤波电路，如图2所示，系统时钟的频率变化导致滤波电路对系统时钟噪声的抑制一致性差。图3为针对固定RC的低通滤波电路的零相移RC低通滤波器不同频率衰减差异示意图，如图3所示系统时钟的频率变化导致滤波电路对系统时钟噪声的抑制一致性差。本实用新型提供一种_3dB带宽随输入信号频率可调的零相移RC低通滤波器。提高对驱动信号带外噪声抑制的性能及其一致性。该电路还引入RC常数检测环路，解决由于制造过程中R和C工艺分布引起的_3dB带宽偏移。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种带宽可调的零相移RC低通滤波器。为解决上述问题，本实用新型提供一种一种带宽可调的零相移RC低通滤波器，包括零相移RC低通滤波电路、频率检测环路、RC常数检测环路以及加法和寄存器，其中所述零相移RC低通滤波电路接收输入信号，滤除输入信号的带外噪声信号后输出输出信号；所述频率检测环路接收并检测所述输出信号的频率，接收参考频率和所述输出信号，输出第一带宽控制信号，并根据所述输出信号的谐振频率和所述参考频率调节所述零相移RC低通滤波器的带宽；所述加法和寄存器接收所述第一带宽控制信号和第二带宽控制信号，输出带宽控制位信号至所述零相移RC低通滤波电路。进一步的，所述频率检测环路根据所述输出信号的谐振频率和所述参考频率调节所述零相移Re低通滤波器的带宽；所述RC常数检测环路调节所述零相移RC低通滤波器的带宽以校正RC参数分布导致的带宽偏移。进一步的，输入信号的带外噪声信号包括所述零相移RC低通滤波器所在系统的时钟信号。进一步的，所述第一带宽控制信号和第二带宽控制信号经所述加法和寄存器相加后，输出带宽控制位信号，调节所述零相移RC低通滤波器的电容阵列单元，以实现对所述零相移RC低通滤波器带宽的调整。进一步的，所述的零相移RC低通滤波电路具有两个差分输入端、两个差分输出端和第三输入端，其中所述两个差分输入端接收的输入信号为带有输入信号的带外噪声的差分正弦信号；所述两个差分输出端输出的输出信号为滤除所述时钟信号噪声的差分正弦信号；所述第三输入端的输入信号为所述加法和寄存器输出的带宽控制位信号。进一步的，所述频率检测环路包括串联连接的频率检测电路和固有频率检测电路，所述频率检测电路接收所述零相移RC低通滤波电路的输出信号，所述固有频率检测电路接收所述参考频率和频率检测电路的输出信号，根据参考频率计算出一固有频率值，将所述固有频率值同一期望频率值进行比较，并输出所述第一带宽控制信号，所述固有频率检测电路的输出端与所述加法和寄存器的输入端相连。进一步的，所述RC常数检测环路包括由RC振荡器和RC常数检测电路构成的环路。进一步的，所述RC振荡器用于产生一个频率只与所述RC常数相关的时钟信号。进一步的，所述RC振荡器具有寄存器输入端和振荡频率输出端，所述RC振荡器的寄存器输入端和振荡频率输出分别接所述RC常数检测电路，所述RC振荡器根据所述RC常数检测电路调节输出频率。进一步的，所述RC常数检测电路具有两个输入端和两个输出端，所述两个输入端分别接入参考频率和所述RC振荡器的振荡频率输出端，所述RC常数检测电路的两个输出端分别接入所述RC振荡器的寄存器输入端和加法和寄存器的输入端。进一步的，所述RC常数检测电路根据所述参考频率计算所述RC振荡器的输出信号的频率，计算出所述RC常数，并将得到的RC常数与目标值进行比较后调整所述RC振荡器的RC常数。进一步的，所述加法和寄存器包括两个输入端和一个输出端，所述加法和寄存器的两个输入端分别接收第一带宽控制信号和第二带宽控制信号，所述加法和寄存器的输出端与所述零相移RC低通滤波电路相连。进一步的，所述零相移RC低通滤波器的相移范围小于等于3°。本实用新型还提供一种微机械陀螺仪驱动电路，包括驱动检测电路和所述低通滤波器，所述低通滤波器接收所述驱动检测电路的输出信号。综上所述，本实用新型提供一种_3dB带宽随输入信号频率可调的零相移RC低通滤波电路。提高对驱动信号带外噪声抑制的性能及其一致性。该电路还引入RC常数检测环路，解决由于制造过程中R和C工艺分布引起的_3dB带宽偏移。
图1为现有技术中零相移RC低通滤波器的结构示意图。图2为图1所示的零相移RC低通滤波器中RC参数变化引起的滤波特性差异示意图。图3为图1所示的零相移RC低通滤波器的不同时钟频率的衰减差异示意图。图4为本实用新型一实施例中带宽随输入频率可调的零相移RC低通滤波的结构示意图。图5(a)为本实用新型一实施例中零相移二阶RC低通滤波电路的结构示意图。图5(b)为图5(a)中可变电容Cl和C2的结构示意图。图6为本实用新型一实施例中频率检测电路的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本实用新型的内容作进一步说明。当然本实用新型并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本实用新型的保护范围内。其次，本实用新型利用示意图进行了详细的表述，在详述本实用新型实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本实用新型的限定。本实用新型提供一种带宽可调的零相移RC低通滤波器，该零相移RC低通滤波器能够根据输入信号进行调节，且所述零相移低相移RC低通滤波器的相移范围能够控制在小于等于3°内，即范围控制在3/360=0. 83%以内，从而提高对驱动信号带外噪声抑制的性能及其一致性。所述零相移RC低通滤波器还引入RC常数检测环路，以解决由于制造过程中R(电阻)和C(电容)的工艺分布引起的带宽偏移。图4为本实用新型一实施例中带宽随输入频率可调的零相移RC低通滤波的结构示意图。如图4所示，所述零相移RC低通滤波器由零相移RC低通滤波电路101、频率检测环路、RC常数检测环路以及加法和寄存器106组成。所述零相移RC低通滤波电路101接收输入信号，输出滤除时钟噪声信号的输出信号；所述频率检测环路接收参考频率和所述输出信号，输出第一带宽控制信号；所述RC常数检测环路接收所述参考频率，输出第二带宽控制信号；所述加法和寄存器105接收所述第一带宽控制信号和第二带宽控制信号，输出带宽控制位信号至所述零相移RC低通滤波电路。所述频率检测电路104用以检测输出信号的频率，并根据所述输出信号的频率和所述参考频率，所述频率检测电路的功能是将零相移RC低通滤波电路的正弦信号转换为数字方波信号，以调节所述零相移RC低通滤波器的带宽；所述频率检测环路接收用以检测所述低通滤波电路的RC常数，并根据RC常数和所述参考频率，调节所述零相移RC低通滤波器的带宽，以校正RC参数分布导致的带宽偏移；所述第一带宽控制信号和第二带宽控制信号经所述加法和寄存器相加后，输出带宽控制位信号，调节所述零相移RC低通滤波器的电容阵列单元，以实现对所述零相移RC低通滤波器带宽的调整。在本实施例中，频率检测电路104、固有频率检测电路105构成所述频率检测环路，用以检测陀螺仪的谐振频率，并根据所述谐振频率调节所述零相移RC低通滤波电路的带宽；所述RC振荡器102、RC常数检测电路103构成所述RC常数检测环路，检测低通滤波电路的RC常数，根据RC常数检测值调节零相移RC低通滤波电路的带宽，校正制造过程中RC参数分布导致的带宽偏移；频率检测环路输出的第一带宽控制信号和RC常数检测电路103构输出的第二带宽控制信号经加法和寄存器106相加后，控制所述零相移RC低通滤波电路101的可调的电容阵列单元，从而调整零相移RC低通滤波电路101的带宽，在较佳的实施例中，所述频率检测电路104的结构可以如图6所示，输出信号Vol和Vo2输入至比较器中后，结果经过鉴频鉴相器、电荷泵及压控振荡器后从频率检测环路的输出端5a输出。其中，所述的零相移RC低通滤波电路101，具有两差分输入端Vil和Vi2，两差分输出端Vol和Vo2和第三输入端6a。两差分输入端Vil和Vi2的输入信号为驱动检测电路的输出差分正弦信号，带有较大时钟信号噪声；两差分输出信号Vol和Vo2滤除输入信号带外噪声，特别是系统时钟噪声。第三输入端6a为寄存器控制信号输入，调节零相移RC低通滤波电路的带宽。所述的RC振荡器102，产生一个频率只与RC常数相关的时钟信号。具有寄存器输入端2a和震荡频率输出2b。寄存器输入端2a和震荡频率输出2b分别接RC常数检测103。寄存器输入端2a控制RC振荡器电容阵列，改变RC常数，进而调节RC振荡器输出频率。RC振荡器的电阻单元和电容阵列单元与零相移RC滤波电路相同，以提高两部分电路的匹配精度。其中，所述的RC常数检测103，具有两个输入端2b和Fref，两输出端2a和3b。RC常数检测103，用参考频率Fref计算RC振荡器输出信号的频率，进而计算RC常数值，得到的RC常数值与目标值比较并实时调整RC振荡器的RC常数，最终RC振荡器的RC常数与目标值一致时，RC常数调节完成，输出RC常数控制信号3b。其中，所述的频率检测电路104，具有两差分输入端和一个输出端。两差分输入端接零相移RC低通滤波电路输出端Vol和Vo2。输出端接频率检测电路104。频率检测锁电路，检测零相移RC低通滤波电路101输出信号的频率。其中，所述的固有频率检测105，具有两个输入端和一个输出端。两个输入端接频率检测环路输出5a和参考频率Fref。输出端6a接加法和寄存器106。固有频率检测105，用参考频率Fref计算陀螺仪固有频率。并输出零相移RC低通滤波电路带宽控制信号6a。其中，所述的加法和寄存器106，具有两个输入端和一个输出端。两个输入端接RC常数检测103和固有频率检测105。加法和寄存器106，根据RC常数检测103的输出3b和105的输出5a计算得到零相移RC低通滤波电路的带宽控制位信号6a。所述的零相移RC低通滤波电路，具有两差分输入端Vil和Vi2，第三输入端6a，两差分输出端Vol和Vo2。第三输入端6a为寄存器控制信号输入，调节零相移RC低通滤波电路的带宽。精确的滤波电路Q值和带宽等参数设置使得在陀螺仪谐振频率点上，相位偏移极低。图5(a)为本实用新型一实施例中零相移二阶RC低通滤波电路的结构示意图。图5(b)为图5(a)中可变电容Cl和C2的结构示意图。为本实用新型一实施例中零相移二阶RC低通滤波电路实例。结合图5(a)为图5(b)，以二阶RC低通滤波电路为例，其传递函数为
权利要求1.一种带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，包括零相移RC低通滤波电路、 频率检测环路、RC常数检测环路以及加法和寄存器，其中所述零相移RC低通滤波电路接收输入信号，滤除输入信号的带外噪声信号后输出输出信号；所述频率检测环路接收并检测所述输出信号的频率，接收参考频率和所述输出信号， 输出第一带宽控制信号，并根据所述输出信号的谐振频率和所述参考频率调节所述零相移 RC低通滤波器的带宽；所述RC常数检测环路接收并检测所述低通滤波电路的RC常数，接收所述参考频率，并根据RC振荡频率和所述参考频率输出第二带宽控制信号，并调节所述零相移RC低通滤波器的带宽以校正RC参数分布导致的带宽偏移；所述加法和寄存器接收所述第一带宽控制信号和第二带宽控制信号，输出带宽控制位信号至所述零相移RC低通滤波电路。
2.如权利要求1所述的带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，所述频率检测环路根据所述输出信号的谐振频率和所述参考频率调节所述零相移RC低通滤波器的带宽；所述RC常数检测环路调节所述零相移RC低通滤波器的带宽以校正RC参数分布导致的带宽偏移。
3.如权利要求1所述的带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，输入信号的带外噪声信号包括所述零相移RC低通滤波器所在系统的时钟信号。
4.如权利要求1所述的带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，所述第一带宽控制信号和第二带宽控制信号经所述加法和寄存器相加后，输出带宽控制位信号，调节所述零相移RC低通滤波器的电容阵列单元。
5.如权利要求1所述的带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，所述的零相移 RC低通滤波电路具有两个差分输入端、两个差分输出端和第三输入端，其中所述两个差分输入端接收的输入信号为带有输入信号的带外噪声的差分正弦信号；所述两个差分输出端输出的输出信号为滤除所述时钟信号噪声的差分正弦信号；所述第三输入端的输入信号为所述加法和寄存器输出的带宽控制位信号。
6.如权利要求1所述的带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，所述频率检测环路包括串联连接的频率检测电路和固有频率检测电路，所述频率检测电路接收所述零相移RC低通滤波电路的输出信号,所述固有频率检测电路接收所述参考频率和频率检测电路的输出信号，根据参考频率计算出一固有频率值，将所述固有频率值同一期望频率值进行比较，并输出所述第一带宽控制信号，所述固有频率检测电路的输出端与所述加法和寄存器的输入端相连。
7.如权利要求1所述的带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，所述RC常数检测环路包括由RC振荡器和RC常数检测电路构成的环路。
8.如权利要求7所述的带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，所述RC振荡器产生一个频率只与所述RC常数相关的时钟信号。
9.如权利要求7所述的带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，所述RC振荡器具有寄存器输入端和振荡频率输出端，所述RC振荡器的寄存器输入端和振荡频率输出分别接所述RC常数检测电路，所述RC振荡器根据所述RC常数检测电路调节输出频率。
10.如权利要求7所述的带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，所述RC常数检测电路具有两个输入端和两个输出端，所述两个输入端分别接入参考频率和所述RC振荡器的振荡频率输出端，所述RC常数检测电路的两个输出端分别接入所述RC振荡器的寄存器输入端和加法和寄存器的输入端。
11.如权利要求10所述的带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，所述RC常数检测电路根据所述参考频率计算所述RC振荡器的输出信号的频率，计算出所述RC常数，并将得到的RC常数与目标值进行比较后调整所述RC振荡器的RC常数。
12.如权利要求1所述的带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，所述加法和寄存器包括两个输入端和一个输出端，所述加法和寄存器的两个输入端分别接收第一带宽控制信号和第二带宽控制信号，所述加法和寄存器的输出端与所述零相移RC低通滤波电路相连。
13.如权利要求1所述的带宽可调的零相移RC低通滤波器，其特征在于，所述零相移 RC低通滤波器的相移范围小于等于3°。
14.一种微机械陀螺仪驱动电路，其特征在于，包括驱动检测电路和如权利要求1至13 中任意一项的低通滤波器，所述低通滤波器接收所述驱动检测电路的输出信号。
专利摘要本实用新型提供一种带宽可调的零相移RC低通滤波器，包括零相移RC低通滤波电路、频率检测环路、RC常数检测环路以及加法和寄存器，其中所述零相移RC低通滤波电路接收输入信号，输出滤除时钟噪声信号的输出信号；所述频率检测环路接收参考频率和所述输出信号，输出第一带宽控制信号；所述RC常数检测环路接收所述参考频率，输出第二带宽控制信号；所述加法和寄存器接收所述第一带宽控制信号和第二带宽控制信号，输出带宽控制位信号至所述零相移RC低通滤波电路。
文档编号H03H7/09GK202841069SQ201220456399
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者郑泉智 申请人:杭州士兰微电子股份有限公司