比较器和MEMS陀螺仪的制作方法

【】本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种能够自动补偿输入偏移电压的比较器以及采用所述比较器的mems(micro-electro-mechanical system,微机电系统)陀螺仪。

背景技术

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背景技术：

1、专利号为202211717826.0的中国专利申请公开了一种mems陀螺仪，其结构如图1所示。所述mems陀螺仪100包括mems惯性传感部分110和陀螺接口电路。所述mems惯性传感部分110是mems陀螺仪100的传感器件。

2、如图1所示的，所述mems惯性传感部分110包括：驱动电容组d_p和d_n、驱动检测电容组d_sense_p和d_sense_n、一个或多个轴的检测电容组。所述陀螺接口电路包括：驱动电路、一个或多个轴的检测电路和数字处理电路121。所述驱动电路包括驱动电荷放大器dsca，所述驱动电荷放大器dsca的第一输入端与所述驱动检测电容组d_sense_p和d_sense_n中的第一驱动检测电容d_sense_p的一端相连，所述驱动电荷放大器dsca的第二输入端与所述驱动检测电容组d_sense_p和d_sense_n中的第二驱动检测电容d_sense_n的一端相连。所述检测电路包括一个或多个轴的检测电荷放大器scsa，每个轴的检测电荷放大器scsa的第一输入端与对应轴的检测电容组中的第一检测电容的一端相连，每个轴的检测电荷放大器的第二输入端与对应轴的检测电容组中的第二检测电容的一端相连。如图1所示的，所述驱动电路还包括比较器comp、锁相环pll、驱动模数转换器dadc、自动增益控制数模转换器agc_dac和驱动混频器d_mixer。

3、所述数字处理电路121包括自动增益控制模块(agc)1212。所述比较器comp的第一输入端与所述驱动电荷放大器dsca的第一输出端相连，所述比较器comp的第二输入端与所述驱动电荷放大器dsca的第二输出端相连，所述锁相环pll的参考输入端ref_pll与所述比较器comp的输出端相连，所述比较器comp给所述锁相环pll提供参考时钟，所述锁相环pll的输出端与所述数字处理电路121相连。所述锁相环pll基于所述参考时钟产生锁相环时钟pll_clk。

4、所述数字处理电路121基于所述锁相环时钟pll_clk产生与所述参考时钟同频同相的反馈时钟pll_fb_clk，并将反馈时钟pll_fb_clk提供给所述锁相环pll的反馈输入端fb_pll，所述数字处理电路121将所述反馈时钟pll_fb_clk相移-90度之后作为驱动时钟信号clk_gyro通过驱动时钟端口提供给所述驱动混频器d_mixer。

5、所述驱动模数转换器dadcc的两个输入端分别与所述驱动电荷放大器dsca的第一输出端和第二输出端相连，以将所述驱动电荷放大器dsca输出的电压信号转换为数字电压信号，所述自动增益控制模块agc通过驱动低通滤波器dlpf对所述数字电压信号进行低通滤波，之后通过pid控制器给出控制驱动振幅的数字增益控制信号dac_da，该数字增益控制信号dac_da被所述自动增益控制数模转换器agc_dac转换成模拟增益控制信号，并提供给所述驱动混频器d_mixer。

6、所述驱动混频器d_mixer根据所述驱动时钟信号和所述模拟增益控制信号产生驱动信号以驱动所述驱动电容组d_p和d_n对应的质量块做简谐运动。由于质量块做简谐运动，导致驱动检测电容组d_sense_p和d_sense_n的电容发生变化。

7、驱动检测电容组d_sense_p和d_sense_n的变化引起的电荷转移被驱动电荷放大器dcsa感应并放大转换成电压信号。比较器comp将驱动电荷放大器dcsa的输出转换成方波信号，比较器comp的方波信号在驱动电荷放大器dcsa输出的过零点翻转。锁相环pll将比较器comp的输出作为它的参考时钟并输出参考时钟的倍频高频时钟作为锁相环时钟pll_clk。所述数字处理电路121通过分频基于所述锁相环时钟pll_clk产生与所述参考时钟同频同相的反馈时钟pll_fb_clk。所述锁相环pll环路可以实现mems陀螺仪的自激启动并将mems驱动的振动频率锁定在驱动的谐振频率附近从而保证了陀螺仪的稳定工作。

8、所述驱动混频器d_mixer的第一连接端与所述驱动电容组中的第一驱动电容d_p的一端相连，所述驱动混频器d_mixer的第二连接端与所述驱动电容组中的第二驱动电容d_n的一端相连。

9、由于所述比较器comp输出的方波信号将作为参考时钟，这就需要所述比较器comp的输出需要非常准确，并且同时尽可能减少延迟和延迟变化(比如随温度的变化)。参考时钟随温度的延迟变化可能会导致整个陀螺仪产品的tco和tcs规格变差，而tco(低温度系数偏移)和tcs(温度系数灵敏度)是陀螺仪产品的关键规格，表示陀螺仪输出信号(dps)在温度变化时的稳定性。

10、在以前的陀螺仪产品中，一个简单的比较器comp被连接到驱动电荷放大器dcsa的输出端。这样做有两个问题：

11、1)由于(cmos)生产技术的变化(不匹配)，每个比较器都有一个输入偏移电压。该输入偏移电压会随温度变化而变化，而输入偏移电压的变化会转化为比较器comp输出的时序变化。

12、2)驱动电荷放大器dcsa也具有一个输出偏移电压，对于比较器comp来说，这也是一个输入偏移电压。这种偏移电压可能是由于驱动电荷放大器dcsa(集成电路技术，如cmos)的生产缺陷(不匹配)或由于mems技术中的漏电流(mems技术缺陷)和/或mems-cmos接口的漏电流(esd保护装置、焊片泄漏)造成的。

13、由于漏电流的影响，驱动电荷放大器dcsa的输出和输入之间需要一个较大的反馈电阻器，以确定直流输入电压，同时不会产生太大的相移。相位偏移是由并联rc组合造成的，该rc组合由上述反馈电阻和反馈电容组成，也存在于输入和输出之间，并实现了驱动电荷放大器dcsa的主要功能(电流积分/放大)。驱动电荷放大器dcsa的反馈电阻的典型值为1gω。漏电流(正相输入端和负相输入端之间的差值)仅为10pa时，驱动电荷放大器dcsa的输出偏移电压为voff,dcsa＝ileak·rfb＝10pa·1gω＝10mv。因此，假设漏电流仅为10pa，则产生的偏移电压量约为10mv，而通过对驱动电荷放大器dcsa和比较器进行适当的设计和布局，其输入偏移电压量可保持在10mv以下。

14、可以计算偏移电压对比较器输出的时序误差的影响。例如，偏移电压为voffset＝10mv的驱动电荷放大器dcsa输出信号，其振幅vampl为：vampl＝1v，则相位误差为：

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16、而要达到可接受的tco(温度系数偏移)，相位误差(随温度的变化)必须(远)低于0.1°。请注意，1v的振幅是一个相对较大的振幅，对于给定的偏移电压，较小的振幅会导致较大的相位误差。

17、在信号链中消除直流偏移的一项技术是添加交流耦合电容器qdac，如图1所示的。交流耦合电容器qdac将放置在驱动电荷放大器dcsa的输出端和比较器的输入端之间。然而，在预期的应用(陀螺仪读数)中，由于一些限制因素，交流耦合并不现实。交流耦合高通截止频率(-3db频率)的计算公式为：

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19、其中c为交流耦合电容值，r为电阻器，用于为交流耦合后的节点(图1中为比较器的输入端)提供所需的直流电压。为了避免信号衰减，更重要的是(在本应用中)避免相移，截止频率必须远远低于所需的信号频率(>10倍)。所需的信号频率(即mems的驱动共振频率)约为25千赫。要获得至少低10倍的截止频率(2.5khz)，需要占用较大芯片面积的大元件，例如c＝10pf和r＝6.5mω。请注意，由于驱动电荷放大器dcsa的输出端和比较器的输入端的信号是差分信号，因此r和c都需要放置2倍，使上述计算面积增加一倍。此外，交流耦合方法只能消除驱动电荷放大器dcsa输出的偏移，并不能消除比较器的内部输入偏移。

20、因此，亟需提出一种新的技术方案来解决上述问题。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的之一在于提供一种比较器和采用所述比较器的mems陀螺仪，所述比较器能够自动补偿或校正所述比较器的输入偏移电压(input offset voltage)。

2、根据本发明的一个方面，本发明提供一种比较器，其包括：输入级，其包括耦接于正相输入侧的第一可编程电阻、耦接于负相输入侧的第二可编程电阻，其中所述输入级接收正相输入信号和负相输入信号；与所述输入级耦接的输出级，其包括有输出端，通过所述输出端输出所述正相输入信号和所述负相输入信号的比较信号；偏差补偿模块，用于计算所述比较信号的占空比的实际值，并在所述比较信号的占空比的实际值不满足要求时，输出电阻控制信号调整第一可编程电阻和/或第二可编程电阻的电阻值，进而使得所述比较信号的占空比的实际值趋近或等于所述比较信号的占空比的理想值。

3、根据本发明的另一个方面，本发明提供一种mems陀螺仪，其包括：mems惯性传感部分，其包括：驱动电容组、驱动检测电容组、一个或多个轴的检测电容组；陀螺接口电路，其包括：驱动电路、一个或多个轴的检测电路和数字处理电路；所述驱动电路包括驱动电荷放大器，所述驱动电荷放大器的第一输入端与所述驱动检测电容组中的第一驱动检测电容的一端相连，所述驱动电荷放大器的第二输入端与所述驱动检测电容组中的第二驱动检测电容的一端相连，所述检测电路包括一个或多个轴的检测电荷放大器，每个轴的检测电荷放大器的第一输入端与对应轴的检测电容组中的第一检测电容的一端相连，每个轴的检测电荷放大器的第二输入端与对应轴的检测电容组中的第二检测电容的一端相连，所述驱动电路还包括上文所述的比较器和锁相环，所述比较器的第一输入端与所述驱动电荷放大器的第一输出端相连，所述比较器的第二输入端与所述驱动电荷放大器的第二输出端相连，所述锁相环的参考输入端与所述比较器的输出端相连，所述比较器给所述锁相环提供参考时钟，所述锁相环的输出端与所述数字处理电路相连。

4、与现有技术相比，本发明中的比较器通过调整第一可编程电阻和第二可编程电阻的电阻值，能够自动补偿或校正所述比较器的输入偏移电压。