[发明专利]对陀螺仪的基于相位的测量与控制

说明书

陀螺仪包括谐振器、换能器和比较器。比较器被设计为从换能器接收输入信号并将输入信号与参考信号进行比较，以产生输出信号。输出信号的上升沿变换和下降沿变换基本上与谐振器沿着换能器的感测轴的运动同步。

技术领域

本发明的实施例涉及基于信号相位的用于陀螺仪的感测和控制方案。

背景技术

微机电系统(MEMS)是由一个或多个与集成电路(IC)耦合的机械部件组成的微型设备。MEMS陀螺仪(或陀螺仪)是被设计为测量角速率的MEMS设备。例如，足够准确的陀螺仪将能够测量地球的旋转速率(度/小时)。MEMS陀螺仪在诸如手机、平板电脑，照相机等消费电子产品中越来越普遍。为了被包括在这样的应用中，陀螺仪必须遵守关于功耗、物理尺寸和性能的严格要求。

MEMS陀螺仪通常包含具有多个称为模式的振动自由度的微型机械谐振器。三轴MEMS陀螺仪可以包含一个驱动模式和三个感测模式。在这种设备中，驱动模式被利用驱动致动器在设备的特征频率处驱动至谐振，并且三个感测模式的在诸如滚动、俯仰和偏航的正交方向中定向的运动被利用感测换能器进行测量。当暴露于外部施加的角速率时，驱动模式的一些振荡运动使感测模式中的一个或多个机械振荡。因此，可以通过测量感测模式的运动来确定角速率。提供MEMS陀螺仪设计的示例可以在美国专利No.6,626,039中找到，其公开内容整体上通过引用并入本文。

MEMS陀螺仪的整体信噪比(S/N)很大程度上由模拟前端(AFE)电路的动态范围和噪声特点决定。一般而言，降低AFE噪声需要增加的功耗。因此，MEMS陀螺仪通常在功耗和性能之间表现出权衡。MEMS陀螺AFE通常由放大器前端和高阻抗反馈网络组成，从而提供高增益。电阻反馈网络提供简单的无源网络，但遭受热噪声的影响。开关电容网络必须被主动复位，并遭受在量值上类似于电阻器热噪声的噪声折叠效应的影响。不管所选择的反馈网络如何，输出都最多只限于放大器的电源电压轨(Vss，Vdd)，从而最终限制能够实现的动态范围。

发明内容

在本文给出的实施例中，描述了陀螺仪的各种感测和控制方案。感测和控制方案可以使用模拟前端(AFE)和反馈控制电路来实现。本文给出的测量和控制方案避免了功耗和性能之间的通常折衷，从而实现了低功耗和低噪声操作。这是用在低功耗、低噪声和小尺寸下操作的、基于相位的AFE电路以及大大增加S/N的基于相位的闭环操作来实现的。

在实施例中，陀螺仪包括谐振器、换能器和比较器。比较器被设计为从换能器接收输入信号并将输入信号与参考信号进行比较，以产生输出信号。输出信号的上升沿变换和下降沿变换基本上与谐振器沿着换能器的感测轴的运动同步。

在另一个实施例中，陀螺仪包括致动器、换能器、比较器和驱动模块。比较器从换能器接收输入信号并将输入信号与参考信号进行比较，以产生输出信号。驱动器模块接收输出信号并产生施加到致动器的驱动信号。

在另一个实施例中，陀螺仪包括谐振器、相位检测和反馈控制电路，并且响应于外部施加的角速率而表现出相移。反馈信号被施加到谐振器，以抵消相移，从而维持恒定(或零)相位。抵消相移所需的反馈的量值提供对从外部施加的角速率的测量。

附图说明

并入本文并构成说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例并且，与说明书一起进一步用来解释本发明的原理并使相关领域的技术人员能够制作和使用本发明。

图1图示了根据实施例的谐振器系统的框图。

图2A-2E图示了根据一些实施例的、使用一个或多个比较器的基于相位的陀螺仪测量方案。

图3A图示了根据实施例的比较器的工作循环(duty-cycled)的操作。

图3B图示了根据实施例的、使用工作循环的比较器的陀螺仪测量和控制方案。

图4A-4C图示了根据一些实施例的、具有反馈的陀螺仪控制方案。