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諧振驅(qū)動(dòng)電路

（映維網(wǎng)Nweon?2023年08月02日）共振驅(qū)動(dòng)電路可用于驅(qū)動(dòng)混合現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中的各種電子元件。在一個(gè)例子中，電感-電容（LC）諧振驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)物理電感，為L(zhǎng)C諧振驅(qū)動(dòng)電路提供電感（L）。

然而，這樣的物理電感器大而笨重，難以集成到這種MR/AR/VR設(shè)備中。另外，這樣的物理感應(yīng)器可能會(huì)對(duì)外部磁場(chǎng)和可滲透的材料產(chǎn)生反應(yīng)，從而對(duì)這種MR/AR/VR設(shè)備的操作造成電磁干擾（EMI）問(wèn)題。

在名為“Synthetic inductive resonant drive circuit”的專(zhuān)利申請(qǐng)中，微軟就介紹了一種可在MR/AR/VR設(shè)備中采用的電容式傳感器裝置的諧振驅(qū)動(dòng)電路。其中，所述諧振驅(qū)動(dòng)電路用比物理電感器更小、更笨重的電子元件排列來(lái)合成物理電感器的電感量。

在一個(gè)例子中，這種電子元件的排列包括電阻、電容和運(yùn)算放大器。這樣的安排可稱(chēng)為無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路。無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路配置為反轉(zhuǎn)電子元件的電流-電壓特性，如電容性電路，使其表現(xiàn)為電感性。

無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路取代諧振驅(qū)動(dòng)電路中的物理電感，其元件的選擇和配置是為了提供與物理電感相同的阻抗。無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路不具有物理電感器的儲(chǔ)能特性。然而，在這種情況下，缺乏這種儲(chǔ)能特性并不重要，因?yàn)檫@種諧振驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上并不使用電感器。

通過(guò)在諧振驅(qū)動(dòng)電路中用無(wú)感浮動(dòng)回旋器電路取代物理電感器，諧振驅(qū)動(dòng)電路能夠減少尺寸、重量和成本。另外，無(wú)感浮動(dòng)回旋器電路不像物理電感器那樣對(duì)外部磁場(chǎng)和可滲透材料產(chǎn)生反應(yīng)，因此，無(wú)感浮動(dòng)回旋器電路不會(huì)引起EMI問(wèn)題。

圖1顯示了一個(gè)由用戶(hù)102佩戴的近眼顯示設(shè)備100。多個(gè)感應(yīng)電容器108與框架104物理耦合。在一個(gè)例子中，多個(gè)感應(yīng)電容器108配置為根據(jù)用戶(hù)臉部不同部分的運(yùn)動(dòng)來(lái)感應(yīng)面部姿態(tài)。例如，這種面部手勢(shì)可以包括眨眼、眨眼、微笑、皺眉和其他面部姿態(tài)。

共振驅(qū)動(dòng)電路110與多個(gè)感應(yīng)電容108電性連接。共振驅(qū)動(dòng)電路110包括一個(gè)無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路。所述電路配置為合成一個(gè)固定的電感，以代替物理電感。

共振驅(qū)動(dòng)電路110配置為根據(jù)由無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路合成的固定電感來(lái)測(cè)量多個(gè)感應(yīng)電容器108的電容。共振驅(qū)動(dòng)電路110配置為向微控制器112輸出測(cè)量電容信號(hào)。測(cè)量的電容信號(hào)表示多個(gè)感應(yīng)電容108中每個(gè)的測(cè)量電容。微控制器112配置為根據(jù)測(cè)量的電容信號(hào)識(shí)別用戶(hù)執(zhí)行的面部姿態(tài)，并根據(jù)這種識(shí)別的面部姿態(tài)控制近視眼顯示設(shè)備100的操作。

在圖示實(shí)施例中，諧振驅(qū)動(dòng)電路110和微控制器112定位在框架104的一部分上。共振驅(qū)動(dòng)電路110和微控制器112可以定位在近眼顯示設(shè)備100的任何合適部分。

圖2顯示了一個(gè)包括電容式傳感器設(shè)備202的可穿戴設(shè)備200。在一個(gè)例子中，可穿戴設(shè)備200代表圖1中所示的近眼顯示設(shè)備100。電容式傳感器設(shè)備202可以配置為測(cè)量電容，以促進(jìn)可穿戴設(shè)備200的任何合適的功能。電容式傳感器裝置202包括多個(gè)天線(xiàn)形式的感應(yīng)電容204。多個(gè)感應(yīng)電容器204中的每一個(gè)都可以通過(guò)多路復(fù)用器208選擇性地電連接到諧振驅(qū)動(dòng)電路206。

當(dāng)感應(yīng)電容器通過(guò)多路復(fù)用器208與諧振驅(qū)動(dòng)電路206電連接時(shí)，諧振驅(qū)動(dòng)電路206配置為接收感應(yīng)電容器的感應(yīng)電容212。共振驅(qū)動(dòng)電路206包括一個(gè)無(wú)電感的浮動(dòng)回旋器電路210，它配置為合成一個(gè)固定的電感。

這意味著浮動(dòng)回旋器電路210不包括實(shí)際的物理電感器，而是通過(guò)配置其他電子元件的排列來(lái)提供用于電容感應(yīng)的固定電感。

無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路210配置為根據(jù)固定電感和感應(yīng)電容器的感應(yīng)電容212的變化來(lái)輸出感應(yīng)電容。共振驅(qū)動(dòng)電路206配置為從電容式傳感器設(shè)備202的微控制器216形式的信號(hào)源接收一個(gè)參考信號(hào)214。

共振驅(qū)動(dòng)電路216配置為向微控制器216輸出一個(gè)測(cè)量電容信號(hào)218。測(cè)得的電容信號(hào)218表示感測(cè)的電容信號(hào)212和參考信號(hào)214之間的一個(gè)或多個(gè)振幅和相位的差異。在一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量的電容信號(hào)218表示被感應(yīng)的電容信號(hào)212和參考信號(hào)214之間的振幅和相位的差異。

另外，測(cè)量的電容信號(hào)218可以指示多個(gè)感應(yīng)電容204中的每一個(gè)隨時(shí)間變化的測(cè)量電容，因?yàn)槊恳粋€(gè)都選擇性地電連接到諧振驅(qū)動(dòng)電路206。

微控制器216配置為向應(yīng)用處理器222輸出感應(yīng)到的手勢(shì)信號(hào)220。感應(yīng)手勢(shì)信號(hào)220可以表示微控制器216根據(jù)多個(gè)感應(yīng)電容器204的測(cè)量電容識(shí)別的一個(gè)或多個(gè)姿態(tài)。

回到圖1的近眼顯示設(shè)備100，一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)姿態(tài)可以包括由布置在近眼顯示設(shè)備100的框架104上的多個(gè)感應(yīng)電容器108感應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)面部姿態(tài)。應(yīng)用處理器222可以配置為基于所感應(yīng)的姿態(tài)信號(hào)220執(zhí)行任何合適的操作。

在一個(gè)例子中，應(yīng)用處理器222可以配置為基于傳感的姿態(tài)信號(hào)來(lái)調(diào)整顯示器的呈現(xiàn)。微控制器216的至少一些功能可以由應(yīng)用處理器222執(zhí)行，或者反之亦然。

圖3顯示了一個(gè)用于電容式傳感器設(shè)備，如圖2所示的電容式傳感器設(shè)備202的合成電感諧振驅(qū)動(dòng)電路300的示例電路圖。諧振驅(qū)動(dòng)電路300包括一個(gè)諧振LC級(jí)302，與放大器級(jí)304電連接。

諧振LC級(jí)302包括一個(gè)無(wú)電感的浮動(dòng)回旋器電路306。在一個(gè)例子中，無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306代表圖2中所示的無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路210。無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306包括一個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)308和一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)310。輸入節(jié)點(diǎn)308與一個(gè)感應(yīng)電容312電性連接。

感應(yīng)電容312電性連接在輸入節(jié)點(diǎn)308和接地節(jié)點(diǎn)314之間。接地節(jié)點(diǎn)314可以設(shè)置為任何合適的參考電壓。在一個(gè)例子中，接地節(jié)點(diǎn)的參考電壓被設(shè)置為零伏。

感應(yīng)電容312有一個(gè)電容（Cs），電容根據(jù)感應(yīng)電容312與外來(lái)介質(zhì)（例如用戶(hù)面部）的電容耦合而變化?；氐綀D2所示的例子，感應(yīng)電容312可以代表多個(gè)天線(xiàn)中的一個(gè)，而天線(xiàn)通過(guò)多路復(fù)用器208選擇性地與諧振驅(qū)動(dòng)電路206電連接，以測(cè)量選定天線(xiàn)的電容。在其他例子中，感應(yīng)電容312可以采取其他形式。

無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306配置為合成一個(gè)固定的電感，因此，諧振驅(qū)動(dòng)電路300可以在沒(méi)有物理電感的情況下實(shí)現(xiàn)。無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306包括兩個(gè)鏡像反相運(yùn)算放大器子級(jí)316和318。第一子級(jí)316包括一個(gè)第一反相運(yùn)算放大器320，包括一個(gè)第一反相輸入端子322，一個(gè)第一非反相輸入端子324，和一個(gè)第一輸出端子326。

第一輸出終端與第一反相輸入終端322電性連接。第一RL電阻328電性地連接在無(wú)感浮動(dòng)回旋器電路306的輸出節(jié)點(diǎn)310和第一反相運(yùn)算放大器320的第一反相輸入終端322之間。第一RL電阻328具有一個(gè)電阻(RL)。

第一CL電容器330電性地連接在無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306的輸出節(jié)點(diǎn)310和第一反相運(yùn)算放大器320的第一非反相輸入端子324之間。第一R電阻332電性地連接在第一反相運(yùn)算放大器320的第一非反相輸入端子324和無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306的輸入節(jié)點(diǎn)308之間。

第二子級(jí)318包括一個(gè)第二反相運(yùn)算放大器334，包括一個(gè)第二反相輸入端子336，一個(gè)第二非反相輸入端子338，和一個(gè)第二輸出端子340。第二輸出端子340與第二反相輸入端子336電性連接。

第二RL電阻342電性地連接在無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306的輸入節(jié)點(diǎn)308和第二反相運(yùn)算放大器334的第二反相輸入終端336之間。

第二CL電容器344電性地連接在無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306的輸入節(jié)點(diǎn)308和第二反相運(yùn)算放大器334的第二非反相輸入端子338之間。第二R電阻346電性地連接在第二反相運(yùn)算放大器334的第二非反相輸入端338和無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306的輸出節(jié)點(diǎn)310之間。

無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306的每個(gè)子級(jí)316和318配置為在RC微分電路配置中反轉(zhuǎn)和倍增電容器CL的效果，其中電阻R上的電壓通過(guò)時(shí)間表現(xiàn)為與電感上的電壓相同。各自的反相運(yùn)算放大器320、334對(duì)電壓進(jìn)行緩沖，并通過(guò)電阻RL將電壓加回到輸入端。

由此產(chǎn)生的效果是一個(gè)具有串聯(lián)電阻RL的理想電感形式的阻抗。換句話(huà)說(shuō)，無(wú)感浮動(dòng)回旋器電路306的子級(jí)316和318共同具有一個(gè)阻抗，而所述阻抗等于具有與無(wú)感浮動(dòng)回旋器電路306合成的固定電感相等的物理電感的阻抗。

這相當(dāng)于物理感應(yīng)器的阻抗。可以根據(jù)諧振驅(qū)動(dòng)電路300的目標(biāo)諧振頻率和感應(yīng)電容312的基線(xiàn)電容來(lái)優(yōu)化無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306中的電阻和電容的值。

諧振LC級(jí)302有一個(gè)諧振頻率，而諧振頻率是基于無(wú)感浮動(dòng)回旋器電路306產(chǎn)生的固定電感和感應(yīng)電容器312的基線(xiàn)電容?；€(xiàn)電容是感應(yīng)電容312沒(méi)有與外來(lái)介質(zhì)電容耦合或以其他方式向外來(lái)介質(zhì)傳遞能量時(shí)的電容。

諧振LC級(jí)302配置為根據(jù)固定電感和感應(yīng)電容312的電容變化，在輸出節(jié)點(diǎn)310輸出感應(yīng)電容信號(hào)。諧振LC級(jí)302以這樣的方式運(yùn)行，不需要使用物理電感，因?yàn)闊o(wú)電感的浮動(dòng)回旋器電路306為諧振LC級(jí)302合成固定電感。

轉(zhuǎn)到圖4，圖表400顯示了合成電感諧振驅(qū)動(dòng)電路300的交流響應(yīng)。圖400繪制了頻率與振幅的關(guān)系。相位曲線(xiàn)402表示合成電感諧振驅(qū)動(dòng)電路300的交流響應(yīng)的相位。

增益曲線(xiàn)404表示合成電感諧振驅(qū)動(dòng)電路300的交流響應(yīng)的增益。請(qǐng)注意，由于諧振頻率處的峰值增益406，小的輸入信號(hào)可以達(dá)到非常大的輸出信號(hào)。因此，可以用合成電感諧振驅(qū)動(dòng)電路300中的電子元件的較小電感（L）和電容（C）值來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的輸出信號(hào)振幅。

回到圖3，放大器級(jí)304包括一個(gè)反相運(yùn)算放大器348。反相運(yùn)算放大器348包括一個(gè)非反相輸入終端350，一個(gè)反相輸入終端352，和一個(gè)輸出終端354。反相輸入端子352與無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306的輸出節(jié)點(diǎn)310電性連接。

非反相輸入終端350與一個(gè)信號(hào)源356電性連接。一個(gè)反饋電阻358電性地連接在反相輸入終端352和反相運(yùn)算放大器348的輸出終端354之間。

在一個(gè)實(shí)施例中，運(yùn)算放大器348可以有一個(gè)寬的增益帶寬（GBW），以避免任何額外的群組延遲和足夠的輸出電流來(lái)提供驅(qū)動(dòng)能力。

信號(hào)源356配置為輸出一個(gè)參考信號(hào)（例如圖2所示的參考信號(hào)214）。參考信號(hào)可以有一個(gè)固定的頻率，等于諧振LC級(jí)302的諧振頻率。信號(hào)源356電性地連接在放大器狀態(tài)304的反相運(yùn)算放大器348的非反相輸入端子350和接地節(jié)點(diǎn)314之間。在圖示的例子中，信號(hào)源356配置為輸出一個(gè)正弦信號(hào)。在其他例子中，信號(hào)源356可以輸出不同類(lèi)型的參考信號(hào)。

反相運(yùn)算放大器348配置為通過(guò)反相輸入端子352從諧振LC級(jí)302的輸出節(jié)點(diǎn)310接收感測(cè)電容信號(hào)。反相運(yùn)算放大器348配置為通過(guò)非反相輸入端子350接收來(lái)自信號(hào)源356的參考信號(hào)。

反相運(yùn)算放大器348配置為向輸出終端354輸出測(cè)量電容信號(hào)(例如，圖2中所示的測(cè)量電容信號(hào)218)。測(cè)得的電容信號(hào)表示感測(cè)的電容信號(hào)和參考信號(hào)之間的振幅和相位中的一個(gè)或多個(gè)差異。被測(cè)電容信號(hào)218表示被感應(yīng)電容信號(hào)212和參考信號(hào)214之間的振幅和相位的差異。

通過(guò)在諧振驅(qū)動(dòng)電路300中用無(wú)電感浮動(dòng)回旋器電路306取代物理電感，相對(duì)于包括物理電感的諧振驅(qū)動(dòng)電路，諧振驅(qū)動(dòng)電路300的尺寸、重量和成本可以減少。在一些實(shí)施方案中，這種配置允許將諧振驅(qū)動(dòng)電路作為特定應(yīng)用集成電路（ASIC）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這樣的ASIC芯片相對(duì)于物理電感器可以有一個(gè)較低的Z-高度約束，從而允許ASIC芯片更容易整合到移動(dòng)設(shè)備的形狀參數(shù)之中，例如AR/VR設(shè)備。

另外，無(wú)感浮動(dòng)回旋器電路不像物理電感器那樣對(duì)外部磁場(chǎng)和可滲透材料產(chǎn)生反應(yīng)，因此無(wú)感浮動(dòng)回旋器電路不會(huì)引起EMI問(wèn)題。

相關(guān)專(zhuān)利：Microsoft Patent | Synthetic inductive resonant drive circuit

https://patent.nweon.com/28656

名為“Synthetic inductive resonant drive circuit”的微軟專(zhuān)利申請(qǐng)最初在2021年12月提交，并在日前由美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局公布。

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原文鏈接：https://news.nweon.com/111047