[发明专利]一种电容式微机械陀螺自激驱动ASIC电路

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种电容式微机械陀螺自激驱动ASIC电路，适用于物联网领域。

背景技术

集成电路是将各种电路器件集成于半导体表面而形成的电路。微电子工业可溯源于1947年肖克利等人发明晶体管取代真空管放大器。1959年设计出只有四个晶体管的集成电路(Integrated Circuit)。之后，德州仪器成功地设计混合集成电路(Hybrid IC)。同年，美国仙童公司实现全单片集成电路。集成电路的发展促使一些电子产品的出现，如个人计算机、移动电话和音乐播放器。这些电子产品时刻地影响着人们的生活。人们开始重视集成电路的发展。集成电路产业带来新一场的信息革命。

集成电路产业的发展取决于微电子工艺和集成电路设计技术的发展。因此，微电子工艺的发展是集成电路产业发展的主要因素之一。同时，微电子工艺也促使各类传感器向微小型设计发展。微传感器应用在各个领域，它们扩大微芯片的应用领域，对人们探索各种物理现象有着重要的意义。总之，微机电系统技术的发展深化了微电子革命的意义。

微机电系统(Microelectronics-Mechanical-System, MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，是一个将微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源融为一体的微型系统。经过几十年的发展，己经成为世界瞩目的重大科技领域之一。微传感器作为微机电系统一部分，在工业、航空航天、汽车领域得到广泛应用，据法国 Yole公司统计，包括压力传感器、加速度计、微陀螺、微流体芯片、射频MEMS以及微型燃料电池的MEMS器件2005年全球市场总额达到了52.6亿美元，预计在2010年达到98.6亿美元，年复合增长率13%。因此，MEMS器件具有很好的市场前景，对它的研究有很高的经济效益和实际意义。

发明内容

本发明提供一种电容式微机械陀螺自激驱动ASIC电路，可以提高驱动信号的频率稳定性，并且可以抑制外界噪声对驱动系统的干扰，产生的驱动信号频率几乎接近微陀螺的谐振频率，提高微陀螺检测灵敏度和检测精度。

本发明所采用的技术方案是：

电容式微机械陀螺自激驱动ASIC电路由电荷泵和环路滤波器电路、压控震荡器电路、二分频电路、低噪声运算放大器电路和比较器电路组成。

所述电荷泵和环路滤波器电路中，M1～M4晶体管是电荷泵的开关管。M8～M12和M17～M18是低压共源共栅电流镜，它们精确复制down通路上的电流给后级。电阻R1、电容C1和C2组成锁相环环路滤波器。用于滤除控制电压vcont上的纹波，稳定控制电压，降低压控振荡器的相位噪声。M2管导通，M1管关断，电流源电流I1通过M2, M7和电流镜对电容负充电。同时，up-=1,up +=0，M3关断，M4导通，电流源电流I2经过电流镜M13和M15对M14管栅极充电，经过很短时间，M14和M16管关断。当up+=1时，工作过程与前面类似。该电路优点是可以有效地防止开关处电荷共享现象，稳定控制电压vcont，提高压控振荡器的频率稳定性。

因为锁相环环路的稳定性，对于后级的环路滤波器设计采用电阻R1串联电容C1，从而引入零点，这样可以抵消环路中的一个极点，提高锁相环闭环环路稳定性。与其并联的电容C2，通常它的值是C1值的1/5到1/10，它的作用是滤除控制电压上的纹波。

所述压控震荡器电路中，M1和M2作为差分输入管，由上一级的输出给输入。M5和M8管作为补偿管，一直处于饱和状态，其可以提高差分延迟单元的增益。M3和M4提供正反馈，产生负阻，使电路增益提高，维持振荡。M9和M10做成延迟单元的充放电电容，尾电流管M11受到控制电压Vc控制，决定差分对两支路对电容充放电电流的大小，使得每个延迟单元的延迟时间变化，从而改变压控振荡器的输出频率。

所述二分频电路中，分频器对压控振荡器输出信号频率分频，使它的频率与参考信号频率在一个可以比较的量级上。二分频电路采用单相边沿触发寄存器实现，分频器基本实现单元是D触发器，将D触发器输入输出短接，实现二分频功能。

所述低噪声运算放大器中，运放是一个P管差分输入、高增益级输出的二级运放。其中电容c1为密勒补偿电容，电阻R1为调零电阻。采用M1和M2两P管差分输入，可以降低电路噪声。