电子衰减器用于mems振荡器过驱动保护中的应用的制作方法
【专利摘要】一种设备包括配置为振荡器的一部分的微机电系统(MEMS)器件。该MEMS器件包括：从MEMS的衬底悬置的质量体；第一电极，配置为基于该质量体的位移来提供第一信号；以及第二电极，配置为接收基于第一信号的第二信号。该设备包括与第一电极和第一节点耦合的放大器。该放大器配置为产生输出信号，该输出信号基于第一信号和第一增益。该设备包括衰减器，该衰减器配置为基于第二增益来衰减输出信号，并且提供衰减后的输出信号作为第二信号。
【专利说明】电子衰减器用于MEMS振荡器过驱动保护中的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路振荡器，更具体地涉及微机电系统(MEMS)振荡器。
【背景技术】
[0002]通常，电子振荡器中可以包括微机电系统(MEMS)器件，该电子振荡器将来自电源的直流转换为交流信号。典型的振荡器包括核心放大器，该核心放大器感测MEMS器件的一个(或多个)电极，并且在MEMS器件的另一个电极上驱动恢复电压。典型MEMS谐振器的输出是小信号，该小信号由缓冲放大器放大以产生用于其他电路的可用信号。然而，任何小电极信号的低功率缓冲将较大的噪声引入到信号中。另外，减小由缓冲放大器叠加到信号上的噪声的技术通常增加了缓冲放大器的功耗，并且不会减小核心振荡器引入的噪声，因为缓冲放大器在核心振荡器反馈回路的外部。因此，需要改进的MEMS振荡器技术。
【发明内容】
[0003]在本发明的至少一个实施例中，一种设备包括配置为振荡器的一部分的MEMS器件。该MEMS器件包括:从MEMS的衬底悬置的质量体；第一电极，配置为基于质量体的位移来提供第一信号；以及第二电极，配置为接收基于第一信号的第二信号。该设备包括与第一电极和第一节点I禹合的放大器。放大器配置为产生输出信号。输出信号基于第一信号和第一增益。该设备包括衰减器，配置为基于第二增益来衰减输出信号，并且提供衰减后的输出信号作为第二信号。该设备可以包括自动幅度控制模块，配置为基于参考信号电平和第二信号来产生反馈信号。放大器可以基于反馈信号来调节第一增益。衰减器可以包括脉冲发生器。第二信号可以是具有与第一信号相同的周期以及基于第一增益的脉冲宽度的脉冲信号。第二信号的占空比可以实质上小于第一信号的占空比。衰减器可以基于参考信号电平产生第二信号。第二信号的基频与第二信号的脉冲宽度的乘积可以远小于I。该设备可以包括缓冲器，配置为将输出信号转换为数字信号。该设备可以包括反馈电阻器，耦合在放大器的输出节点和放大器的输入节点之间。第一增益可以基于参考信号电平。第二增益可以具有约二分之一和约千分之一之间的值。第二增益可以基于设备的功率预算。MEMS和放大器的组合增益可以近似是第二增益的倒数。
[0004]在本发明的至少一个实施例中，一种方法包括:对MEMS器件的第一电极上的第一信号进行放大以产生输出信号，该MEMS器件配置为振荡器的一部分。输出信号基于第一信号和第一增益。该方法包括基于第二增益来衰减输出信号以产生第二信号。该方法包括将第二信号提供给MEMS器件的第二电极。该方法可以包括基于参考信号电平和第二信号来调节第一增益。衰减可以包括产生具有与第一信号相同的周期以及基于第一增益的脉冲宽度的脉冲信号作为第二信号，并且第二信号的占空比可以实质上小于第一信号的占空比。衰减还可以基于参考信号电平。第二信号的基频与第二信号的脉冲宽度的乘积可以远小于
I。第二增益可以具有约二分之一和约千分之一之间的值。在产生输出信号时施加至第二信号的增益可以近似是第二增益的倒数。【专利附图】
【附图说明】
[0005]参考附图，可以更好地理解本发明，并且使得本领域普通技术人员清楚本发明的各种目的、特征和优点。
[0006]图1A示出了示例MEMS器件的电路图。
[0007]图1B示出了示例MEMS振荡器电路的电路图。
[0008]图2示出了根据本发明的至少一个实施例配置的包括衰减器在内的MEMS振荡器电路的电路图。
[0009]图3示出了根据本发明的至少一个实施例配置的包括衰减器和自动增益控制在内的MEMS振荡器电路的电路图。
[0010]图4示出了根据本发明的至少一个实施例配置的包括非线性衰减器在内的MEMS振荡器电路的电路图。
[0011]图5示出了根据本发明的至少一个实施例的由图4的MEMS振荡器电路的非线性衰减器产生的信号的电压图形表示。
[0012]图6示出了根据本发明的至少一个实施例的由图4的MEMS振荡器电路的非线性衰减器产生的信号的电流图形表示。
[0013]图7示出了根据本发明至少一个实施例的示例非线性衰减器的电路图及相关联的波形。
[0014]图8示出了根据本发明至少一个实施例的图7的非线性衰减器的示例反相延迟元件的电路图。
[0015]图9示出了根据本发明至少一个实施例的图7的非线性衰减器的示例反相延迟元件的电路图。
[0016]图10示出了根据本发明至少一个实施例的图9的反相脉冲产生电路的示例偏置电路的电路图。
[0017]图11示出了根据本发明至少一个实施例的图9的反相脉冲产生电路的示例偏置电路的电路图。
[0018]在不同的附图中使用相同的附图标记表示类似或相同的项目。
【具体实施方式】
[0019]参考图1A，示例微机电系统结构100包括使用衬底103形成的MEMS器件102，衬底103可以包括CMOS集成电路。MEMS器件102可以是落在MEMS技术范围内的任意器件。例如，MEMS器件102可以是具有小于约250微米的临界尺寸并且使用光刻、沉积和刻蚀工艺在衬底上制造的任意机械和电子结构。MEMS器件102可以是但不限于以下器件:谐振器(例如，振荡器)、温度传感器、压力传感器或惯性传感器(例如，加速计或陀螺仪)。MEMS器件102可以具有从衬底悬置的部分(S卩，悬置的质量体)，衬底包括集成电路(未示出)。在一个实施例中，MEMS器件102的悬置部分是具有谐振频率的悬置特征101。例如，MEMS器件102的悬置部分例如是但不限于以下特征:梁、板、悬臂或音叉。在具体的实施例中，MEMS器件102包括特征101，该特征通过锚定部111锚定到衬底，在其侧面设有驱动电极105和传感器电极107，并且沿方向109谐振。[0020]参考图1B，示例MEMS振荡器100包括耦合至放大器110的MEMS器件102。感测电极X1基于来自MEMS器件102的振动质量体的能量传递来产生信号，从而将机械能量转换为电信号。较大的反馈电阻器(Rf)将放大器110偏置在线性工作区，从而使放大器110作为高增益反相放大器工作。MEMS振荡器100通过将放大器110的输出反馈至MEMS器件102的驱动电极来维持MEMS器件102的振动。放大器110在器件栅极106上接收小信号电压，并且在驱动电极X2上产生电压，该电压使MEMS器件102的质量体持续振动。MEMS振荡器100的反馈回路导致了由缓冲器108接收的小信号。MEMS器件102与电容C1和C2相结合形成了 η网络带通滤波器，该η网络带通滤波器在约MEMS器件102的谐振频率处提供从驱动电极(即，电极X2)到感测电极(即，电极X1)的180°相移。
[0021]缓冲器108检测放大器110的小信号输出，并且将小信号输出转换为具有适当信号电平的可用信号(例如，数字信号)。例如，缓冲器108可以将放大器110的输出转换为CMOS信号或者适用于其他应用的另一种信号格式。此外，缓冲器108将来自MEMS振荡器100 (具有高输出阻抗水平)的电压传递至具有低输入阻抗水平的第二电路。缓冲器108防止第二电路不可接受地对MEMS振荡器加载，并且干扰其所需行为。在理想缓冲器108中，输入电阻较高并且输出电阻较低。此外，缓冲器108是线性的，并且在信号幅度和频率的预期范围内具有小等待时间。
[0022]通常，低幅度信号相比于其他信号更易受噪声的影响，因为相比于高幅度信号噪声更易影响低幅度信号的零交叉(zero-crossing)。缓冲器108的输入相关噪声可以影响基于输入到缓冲器108的小信号的输出时钟信号的零交叉，导致输出时钟信号中的抖动。因此，具有较大幅度的放大器Iio的输出信号与具有小幅度的放大器110的输出信号相比通常导致较低抖动的输出时钟信号。因此，如果增加放大器110的增益以将小信号输出(即缓冲器108的输入)的信号摆幅加倍，则输出抖动减半。然而，典型的MEMS器件102具有功率处理限制，这通过限制放大器110的增益来解决。例如，驱动电极X2上的小信号电压的增加可以增加机电力，该机电力导致MEMS器件102的质量体的机械移动。质量体机械移动的较大增加可能引起质量体非线性移动。如果电压足够高，质量体甚至可能碰到电极。尽管质量体和电极之间的间隙增加可以避免MEMS器件102的非线性行为，但是这种增加将导致质量体以较高的幅度谐振，并且还将增加MEMS器件102所需的体电压。结果，通过增加驱动电极上信号的幅度获得的抖动减小与MEMS振荡器100的功耗增加相抵消。
[0023]如上所述，与MEMS器件相关联的非线性效应设置了谐振器动态范围的上限。噪声水平确定了谐振器动态范围的下限。此外，MEMS器件102的谐振频率可以随着振动幅度而变化。示例应用要求室温下正负百万分之十(PPm)的频率精度(85摄氏度或以下正负40ppm)。如果放大器老化并因此输出信号的幅度改变，则驱动力改变，并且非线性行为改变MEMS器件102的振动频率。与MEMS器件相关联的机械和电学非线性可能经由振动幅度的改变导致对谐振频率的拖动。此外，在非线性区中操作可能劣化在靠近载波频率的频率处系统的相位噪声。因此，MEMS器件102的目标振动幅度是在谐振频率敏感工作区的幅度范围之外的振动幅度(即，小于谐振频率敏感幅度范围的振动幅度)。
[0024]为了实现目标低振动幅度，要求驱动电极X2从放大器110接收低幅度信号，这种要求与接收高幅度信号以减小输出信号中噪声的缓冲器108的要求相矛盾。一种技术分离了向MEMS振荡器中MEMS器件的驱动电极提供的反馈信号的幅度要求与向该MEMS振荡器的输出缓冲器提供的信号的相冲突幅度要求。参考图2，该振荡器技术包括高增益放大器210，该高增益放大器210将MEMS器件102的感测电极上的信号的大摆幅版本提供给缓冲器108和衰减器212，该衰减器212提供MEMS器件的感测电极上的信号的衰减版本作为MEMS器件的驱动电极的反馈信号。因此，与图1中包括低增益放大器110的MEMS振荡器系统相比，减小了 Clkom的抖动，而基本上不会增加缓冲器108的功耗。在MEMS振荡器中包括衰减器212与用于改进或者维持输出信号动态范围的典型努力相悖。在至少一个实施例中，衰减器212包括电容分压器。例如，衰减器212包括与放大器210和驱动电极X2耦合的附加电容器CATTEN。然而，可以使用其他分压器电路或者其他衰减器(例如，电阻-电容滤波器)和原理。
[0025]环境条件(例如，工艺、电压、温度和增益变化)可能影响放大器210的输出幅度以及提供给驱动电极X2的信号幅度。参考图3，MEMS振荡器300包括处于自动幅度控制回路中的可变增益放大器310，该自动幅度控制回路将提供给驱动电极X2的信号幅度保持在良好控制的范围。例如，整流器504感测由可变增益放大器310产生的信号的峰值电压，并且将其指示提供给比较器312。注意，在MEMS振荡器300的其他实施例中，代替感测由可变增益放大器310产生的信号的峰值电压，整流器504接收衰减器502产生的信号，并且将提供给驱动电极X2的信号的峰值电压的指示提供给比较器312。比较器312将感测的峰值电压与参考信号(例如，目标峰值电压Vpkkef)进行比较，并且基于该比`较产生控制信号(例如差值)。可变增益放大器310基于控制信号调节向感测电极X1上的信号所施加的增益(例如，响应于控制信号Vm来增加或者降低可变增益放大器310的增益)，并且将放大的信号提供给模拟衰减器502，该模拟衰减器502对可变增益放大器310的输出进行衰减以产生驱动信号。在至少一个实施例中，衰减器502施加值为约二分之一至约千分之一的增益。在至少一个实施例中，衰减器502施加基于设备的功率预算选择的预定增益值。MEMS器件和放大器310的组合增益近似是衰减器的增益的倒数(即，回路增益等于I以维持MEMS器件102的谐振频率处的振荡)。反馈电阻器Rf按照需要汇聚电流。
[0026]在MEMS振荡器技术的至少一个实施例中，不是使用线性模拟衰减器，而是使用非线性衰减器。参考图4-6，示例非线性衰减器包括脉冲发生器506。与MEMS振荡器300相t匕，脉冲发生器506通过利用周期性信号的性质减小了 MEMS振荡器400的功耗。因为任意周期信号可以分解为简单振荡信号(例如，正弦和余弦)之和，不是将具有50% (或者其近似)占空比的正弦信号或方波信号提供给MEMS器件102的驱动电极，脉冲发生器506产生具有相对窄脉冲宽度At(例如，八“^…其中^是信号的周期)的非对称、非正弦信号。例如，脉冲发生器506的输出具有脉冲宽度At以及谐振频率ω。，其中COtjX At〈〈l。所得到的信号具有相对少量的能量，该能量集中在MEMS器件102的谐振频率处。因为MEMS器件102忽略了高阶谐波，这种方法导致衰减器产生全摆幅信号，但是消耗比由其他实施例的MEMS振荡器300产生的对称正弦信号低很多的功率。
[0027]注意:因为脉冲发生器506产生全幅度(Vpk)脉冲，脉冲发生器506也合并了自动幅度控制功能，并且不需要分离的控制回路(例如不包括图3的比较器312和整流器504)。再参考图4、5和6，一旦放大器210将全摆幅方波馈送至脉冲发生器506，感测电极X1上的任意附加输入电流不会影响脉冲发生器输出宽度。也就是说，脉冲发生器506行为如同幅度钳制，因为完全由脉冲发生器而不是基于输入信号幅度来确定最大幅度。例如，νρκ(ωο) ^VPK(2X At / T0) 0因为衰减器输出是全摆幅信号，所以MEMS器件102的感测电极上的信号是全摆幅信号，并且在MEMS振荡器技术的一些实施例中，可以不需要缓冲放大器108。代替地，可以使用单位增益缓冲器，可以完全取消缓冲器，和/或可以使用分压器电路(例如，FDIV2504)来产生具有50%占空比的时钟信号。
[0028]图7-11示出了示例性脉冲发生器实施方式，但是可以使用其他的非线性衰减器。脉冲发生器602将输入信号的反相、延迟版本与方波输入信号进行逻辑“或非”，以产生与输入信号具有相同频率但是具有脉冲宽度At的脉冲信号，脉冲宽度At比输入信号的脉冲宽度小得多。在图8和图9-11中示出了示例性反相延迟元件700。反相延迟元件700可以包括如图8所示的RC滤波器或者如图9所示的级联反相器。图10和11示出了用于图9的级联反相器的示例性偏置电路。可以使用其他脉冲发生器，例如基于延迟锁定环的脉冲发生器，该基于延迟锁定环的脉冲发生器锁定到MEMS器件102的谐振频率，并且每个周期产生一个充电脉冲和一个放电脉冲。[0029]因此，描述了一种用于保护MEMS振荡器免受信号过驱动的技术，在功率预算内产生低抖动输出信号。放大器增益基于输出要求，输出要求可以通过耦合至MEMS振荡器的其他电路来确定。衰减器增益可以基于MEMS器件的功率处理限制。再参考图2、3和4，尽管已经在包括Pierce振荡器配置的实施例中描述了用于振荡器过驱动保护技术的电子衰减器，但是可以包括使用其他振荡器配置和/或附加元件的MEMS振荡器的其他实施例。例如，可以在放大器的输出和MEMS器件102之间包括隔离电阻器。尽管将放大器210示出为通过电流源204偏置的η型器件，可以使用其他放大器设计实现放大器210。
[0030]尽管在描述本发明的实施例时一般性地假设了电路和物理结构，但是应该理解，在现代半导体设计和制造中，物理结构和电路可以按照适用于后续设计、仿真、测试或制造阶段的计算机可读描述形式来实现。示例性配置中表现为分立部件的结构和功能可以实现为组合结构或部件。本发明的各种实施例预期包括如在此所述及如所附权利要求所述的电路、电路系统、相关方法以及其上具有这些电路、系统和方法的编码(例如，VHSIC硬件描述语言(VHDL)、Verilog /⑶SII数据、电子设计交换格式(EDIF)和/或Gerber文件)的有形计算机可读介质。此外，计算机可读介质可以存储可用于实现本发明的指令和数据。该指令/数据可以涉及硬件、软件、固件或其组合。
[0031]这里阐述的本发明的描述是说明性的，而并非意在限制如所附权利要求阐述的本发明的范围。例如，尽管已经在使用静电(电容)致动的实施例中描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解，可以使用其他致动技术(例如压电致动)来实现这里的教导。在不脱离由所附权利要求阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以基于这里阐述的描述来对这里公开的实施例进行变化和改进。
【权利要求】
1.一种设备，包括: 微机电系统MEMS器件,配置为振荡器的一部分，所述MEMS器件包括: 从MEMS的衬底悬置的质量体； 第一电极，配置为基于所述质量体的位移来提供第一信号；以及 第二电极，配置为接收基于第一信号的第二信号。 与第一电极和第一节点耦合的放大器，所述放大器配置为产生输出信号，所述输出信号基于第一信号和第一增益；以及 衰减器，所述衰减器配置为基于第二增益来衰减所述输出信号，并且提供衰减后的输出信号作为第二信号。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括: 自动幅度控制模块，配置为基于参考信号电平和第二信号来产生反馈信号，其中所述放大器基于所述反馈信号来调节第一增益。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述衰减器包括脉冲发生器，并且所述第二信号是具有与第一信号相同的周期以及基于第一增益的脉冲宽度的脉冲信号，所述第二信号的占空比实质上小于第一信号的占空比。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述衰减器基于参考信号电平`产生第二信号。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述第二信号的基频与第二信号的脉冲宽度的乘积远小于I。
6.根据权利要求1、2或5所述的设备，还包括: 缓冲器，配置为将输出信号转换为数字信号。
7.根据权利要求1、2或5所述的设备，还包括: 反馈电阻器，耦合在放大器的输出节点和放大器的输入节点之间。
8.根据权利要求1、2或5所述的设备，其中所述第一增益基于参考信号电平。
9.根据权利要求1、2或5所述的设备，其中所述第二增益具有约二分之一和约千分之一之间的值。
10.根据权利要求1、2或5所述的设备，其中所述第二增益基于设备的功率预算。
11.根据权利要求1、2或5所述的设备，其中MEMS和放大器的组合增益近似是第二增益的倒数。
12.—种方法,包括: 对微机电系统MEMS器件的第一电极上的第一信号进行放大以产生输出信号，所述MEMS器件配置为振荡器的一部分,所述输出信号基于第一信号和第一增益；以及 基于第二增益来衰减输出信号以产生第二信号，并且将第二信号提供给MEMS器件的第二电极。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括: 基于参考信号电平和第二信号来调节第一增益。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述衰减包括: 产生具有与第一信号相同的周期以及基于第一增益的脉冲宽度的脉冲信号作为第二信号，第二信号的占空比实质上小于第一信号的占空比。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述衰减还基于参考信号电平。
16.根据权利要求13所述的方法，其中第二信号的基频与第二信号的脉冲宽度的乘积远小于I。
17.根据权利要求12、13或16所述的方法，其中所述第二增益具有约二分之一和约千分之一之间的值。
18.根据权利要求12、13或16所述的方法，其中在产生输出信号时施加至第二信号的增益近似是第二增益 的倒数。
【文档编号】H03B5/04GK103888077SQ201310594048
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2012年12月20日
【发明者】阿龙·卡菲, 马努·塞思, 布赖恩·德罗斯特 申请人:硅谷实验室公司