高精度快速定位音圈马达驱动芯片关键技术研究

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随着便携式电子产品的飞速发展,作为电子产品与人视觉相联系的纽带,摄像头模组已经成为电子产品应用最广泛的组件之一。目前绝大部分自动对焦拍照手机都使用音圈马达带动镜头移动,以实现自动对焦。音圈马达属于一种特殊的线性直流电机,是一种能将电能转化为直线或者圆弧运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置,由于其高速、体积小、结构简单等优点,已成为手机等电子产品自动聚焦摄像模组的首选。音圈马达是二阶小阻尼系数负载的典型代表,直接驱动会导致其位移稳定时间长,在稳定点附近做衰减振荡,严重影响了人的视觉体验。本文对高精度、快速定位音圈马达驱动芯片进行研究,提出一个模型、一种方法和两类新电路:提出包含音圈马达位移变化量的电学和力学统一模型,建立二阶小阻尼系数负载快速补偿驱动方法,并提出一种高精度的曲率补偿基准源电路和一种新型高精度迟滞比较器。其主要创新点如下:(1)提出包含空间位移变化量的电学和力学统一模型。通过音圈马达的力学平衡方程和电学平衡方程分析,引入RLC电路和电流控制电压源电路,将音圈马达位移的变化等效为RLC电路电容端电压变化,实现电压量与位移量的数学变换,建立空间位移变化量的电学和力学统一模型,奠定该系统位移和稳定性分析的基础。(2)提出一种二阶小阻尼系数负载快速补偿驱动方法。基于上述模型,根据二阶系统传递函数,对二阶小阻尼系数负载的驱动信号进行变换,将具有相同衰减振荡周期的正、负向阶跃响应进行不同时间点的叠加,以补偿单个阶跃响应的衰减振荡振幅,实现二阶小阻尼系数负载驱动响应的快速稳定。借助该补偿驱动法,采用0.18μm的标准CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺设计并流片了一颗开环控制的音圈马达驱动芯片,在谐振周期10ms的条件下,驱动电流在最优情况下对应的音圈马达位移振幅仅为0.925%,建立时间仅为7.8ms,比国际同类型产品缩短了约50%。(3)基于对TlnT非线性项温度系数补偿,提出一种新型高精度基准电压源。利用两个工作在不同电流状态的三极管电压差,产生TlnT的非线性补偿性,对三极管VBE的高阶非线性项进行补偿,同时采用分段补偿方法,获得高精度基准电压源。仿真结果表明其获得非常好的温度系数,在-40℃到125℃的温度变化范围内,温度系数为0.918ppm/℃。在环境温度27℃的条件下,电源从1.8V变化到3.6V,其线性调整率为0.0055%/V。与其他基准电源电路对比,该电路的温度系数和线性变化率都具有明显领先优势。(4)提出一种补偿电流型高精度迟滞比较器。利用两个工作在线性区的MOS晶体管电流差产生一个补偿电流源,将补偿电流源运用在传统内部迟滞比较器中,对迟滞电压中与工艺和温度相关项进行补偿,获得低温漂的高精度迟滞电压。在典型设计迟滞电压149.94mV的条件下,当温度-40℃变化到125℃时,迟滞电压仅变化了1.3mV,变化幅度仅为0.87%,其温度系数为0.0079mV/℃,仅为国内同类型比较器电路的7.18%,具有良好的线性调整率和温度系数,特别适合高精度应用。
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