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諧振驅動電路

（映維網Nweon?2023年08月02日）共振驅動電路可用于驅動混合現實、增強現實和虛擬現實設備中的各種電子元件。在一個例子中，電感-電容（LC）諧振驅動電路包括一個物理電感，為LC諧振驅動電路提供電感（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設備中。另外，這樣的物理感應器可能會對外部磁場和可滲透的材料產生反應，從而對這種MR/AR/VR設備的操作造成電磁干擾（EMI）問題。

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

在一個例子中，這種電子元件的排列包括電阻、電容和運算放大器。這樣的安排可稱為無電感浮動回旋器電路。無電感浮動回旋器電路配置為反轉電子元件的電流-電壓特性，如電容性電路，使其表現為電感性。

無電感浮動回旋器電路取代諧振驅動電路中的物理電感，其元件的選擇和配置是為了提供與物理電感相同的阻抗。無電感浮動回旋器電路不具有物理電感器的儲能特性。然而，在這種情況下，缺乏這種儲能特性并不重要，因為這種諧振驅動電路實際上并不使用電感器。

通過在諧振驅動電路中用無感浮動回旋器電路取代物理電感器，諧振驅動電路能夠減少尺寸、重量和成本。另外，無感浮動回旋器電路不像物理電感器那樣對外部磁場和可滲透材料產生反應，因此，無感浮動回旋器電路不會引起EMI問題。

圖1顯示了一個由用戶102佩戴的近眼顯示設備100。多個感應電容器108與框架104物理耦合。在一個例子中，多個感應電容器108配置為根據用戶臉部不同部分的運動來感應面部姿態(tài)。例如，這種面部手勢可以包括眨眼、眨眼、微笑、皺眉和其他面部姿態(tài)。

共振驅動電路110與多個感應電容108電性連接。共振驅動電路110包括一個無電感浮動回旋器電路。所述電路配置為合成一個固定的電感，以代替物理電感。

共振驅動電路110配置為根據由無電感浮動回旋器電路合成的固定電感來測量多個感應電容器108的電容。共振驅動電路110配置為向微控制器112輸出測量電容信號。測量的電容信號表示多個感應電容108中每個的測量電容。微控制器112配置為根據測量的電容信號識別用戶執(zhí)行的面部姿態(tài)，并根據這種識別的面部姿態(tài)控制近視眼顯示設備100的操作。

在圖示實施例中，諧振驅動電路110和微控制器112定位在框架104的一部分上。共振驅動電路110和微控制器112可以定位在近眼顯示設備100的任何合適部分。

圖2顯示了一個包括電容式傳感器設備202的可穿戴設備200。在一個例子中，可穿戴設備200代表圖1中所示的近眼顯示設備100。電容式傳感器設備202可以配置為測量電容，以促進可穿戴設備200的任何合適的功能。電容式傳感器裝置202包括多個天線形式的感應電容204。多個感應電容器204中的每一個都可以通過多路復用器208選擇性地電連接到諧振驅動電路206。

當感應電容器通過多路復用器208與諧振驅動電路206電連接時，諧振驅動電路206配置為接收感應電容器的感應電容212。共振驅動電路206包括一個無電感的浮動回旋器電路210，它配置為合成一個固定的電感。

這意味著浮動回旋器電路210不包括實際的物理電感器，而是通過配置其他電子元件的排列來提供用于電容感應的固定電感。

無電感浮動回旋器電路210配置為根據固定電感和感應電容器的感應電容212的變化來輸出感應電容。共振驅動電路206配置為從電容式傳感器設備202的微控制器216形式的信號源接收一個參考信號214。

共振驅動電路216配置為向微控制器216輸出一個測量電容信號218。測得的電容信號218表示感測的電容信號212和參考信號214之間的一個或多個振幅和相位的差異。在一個實施例中，測量的電容信號218表示被感應的電容信號212和參考信號214之間的振幅和相位的差異。

另外，測量的電容信號218可以指示多個感應電容204中的每一個隨時間變化的測量電容，因為每一個都選擇性地電連接到諧振驅動電路206。

微控制器216配置為向應用處理器222輸出感應到的手勢信號220。感應手勢信號220可以表示微控制器216根據多個感應電容器204的測量電容識別的一個或多個姿態(tài)。

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

在一個例子中，應用處理器222可以配置為基于傳感的姿態(tài)信號來調整顯示器的呈現。微控制器216的至少一些功能可以由應用處理器222執(zhí)行，或者反之亦然。

圖3顯示了一個用于電容式傳感器設備，如圖2所示的電容式傳感器設備202的合成電感諧振驅動電路300的示例電路圖。諧振驅動電路300包括一個諧振LC級302，與放大器級304電連接。

諧振LC級302包括一個無電感的浮動回旋器電路306。在一個例子中，無電感浮動回旋器電路306代表圖2中所示的無電感浮動回旋器電路210。無電感浮動回旋器電路306包括一個輸入節(jié)點308和一個輸出節(jié)點310。輸入節(jié)點308與一個感應電容312電性連接。

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

感應電容312有一個電容（Cs），電容根據感應電容312與外來介質（例如用戶面部）的電容耦合而變化?；氐綀D2所示的例子，感應電容312可以代表多個天線中的一個，而天線通過多路復用器208選擇性地與諧振驅動電路206電連接，以測量選定天線的電容。在其他例子中，感應電容312可以采取其他形式。

無電感浮動回旋器電路306配置為合成一個固定的電感，因此，諧振驅動電路300可以在沒有物理電感的情況下實現。無電感浮動回旋器電路306包括兩個鏡像反相運算放大器子級316和318。第一子級316包括一個第一反相運算放大器320，包括一個第一反相輸入端子322，一個第一非反相輸入端子324，和一個第一輸出端子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電性地連接在無感浮動回旋器電路306的輸出節(jié)點310和第一反相運算放大器320的第一反相輸入終端322之間。第一RL電阻328具有一個電阻(RL)。

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

第二子級318包括一個第二反相運算放大器334，包括一個第二反相輸入端子336，一個第二非反相輸入端子338，和一個第二輸出端子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電性地連接在無電感浮動回旋器電路306的輸入節(jié)點308和第二反相運算放大器334的第二反相輸入終端336之間。

第二CL電容器344電性地連接在無電感浮動回旋器電路306的輸入節(jié)點308和第二反相運算放大器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算放大器334的第二非反相輸入端338和無電感浮動回旋器電路306的輸出節(jié)點310之間。

無電感浮動回旋器電路306的每個子級316和318配置為在RC微分電路配置中反轉和倍增電容器CL的效果，其中電阻R上的電壓通過時間表現為與電感上的電壓相同。各自的反相運算放大器320、334對電壓進行緩沖，并通過電阻RL將電壓加回到輸入端。

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

這相當于物理感應器的阻抗?？梢愿鶕C振驅動電路300的目標諧振頻率和感應電容312的基線電容來優(yōu)化無電感浮動回旋器電路306中的電阻和電容的值。

諧振LC級302有一個諧振頻率，而諧振頻率是基于無感浮動回旋器電路306產生的固定電感和感應電容器312的基線電容?；€電容是感應電容312沒有與外來介質電容耦合或以其他方式向外來介質傳遞能量時的電容。

諧振LC級302配置為根據固定電感和感應電容312的電容變化，在輸出節(jié)點310輸出感應電容信號。諧振LC級302以這樣的方式運行，不需要使用物理電感，因為無電感的浮動回旋器電路306為諧振LC級302合成固定電感。

轉到圖4，圖表400顯示了合成電感諧振驅動電路300的交流響應。圖400繪制了頻率與振幅的關系。相位曲線402表示合成電感諧振驅動電路300的交流響應的相位。

增益曲線404表示合成電感諧振驅動電路300的交流響應的增益。請注意，由于諧振頻率處的峰值增益406，小的輸入信號可以達到非常大的輸出信號。因此，可以用合成電感諧振驅動電路300中的電子元件的較小電感（L）和電容（C）值來實現所需的輸出信號振幅。

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

非反相輸入終端350與一個信號源356電性連接。一個反饋電阻358電性地連接在反相輸入終端352和反相運算放大器348的輸出終端354之間。

在一個實施例中，運算放大器348可以有一個寬的增益帶寬（GBW），以避免任何額外的群組延遲和足夠的輸出電流來提供驅動能力。

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

反相運算放大器348配置為通過反相輸入端子352從諧振LC級302的輸出節(jié)點310接收感測電容信號。反相運算放大器348配置為通過非反相輸入端子350接收來自信號源356的參考信號。

反相運算放大器348配置為向輸出終端354輸出測量電容信號(例如，圖2中所示的測量電容信號218)。測得的電容信號表示感測的電容信號和參考信號之間的振幅和相位中的一個或多個差異。被測電容信號218表示被感應電容信號212和參考信號214之間的振幅和相位的差異。

通過在諧振驅動電路300中用無電感浮動回旋器電路306取代物理電感，相對于包括物理電感的諧振驅動電路，諧振驅動電路300的尺寸、重量和成本可以減少。在一些實施方案中，這種配置允許將諧振驅動電路作為特定應用集成電路（ASIC）來實現。

這樣的ASIC芯片相對于物理電感器可以有一個較低的Z-高度約束，從而允許ASIC芯片更容易整合到移動設備的形狀參數之中，例如AR/VR設備。

另外，無感浮動回旋器電路不像物理電感器那樣對外部磁場和可滲透材料產生反應，因此無感浮動回旋器電路不會引起EMI問題。

相關專利：Microsoft Patent | Synthetic inductive resonant drive circuit

https://patent.nweon.com/28656

名為“Synthetic inductive resonant drive circuit”的微軟專利申請最初在2021年12月提交，并在日前由美國專利商標局公布。

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原文鏈接：https://news.nweon.com/111047