電容式傳感器接口電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明電容式傳感器接口電路，采用基于相關(guān)雙采樣的三級(jí)放大結(jié)構(gòu)將傳感器的差分電容信號(hào)讀出，分為三級(jí)，每級(jí)由一個(gè)全差分運(yùn)算放大器，兩個(gè)反饋電容以及一些開關(guān)構(gòu)成。重置階段被分成四小步，由控制信號(hào)clk_r1,clk_r2,clk_r3控制實(shí)現(xiàn)，第一步將PM連接到VREFP，同時(shí)將反饋電容Cs11、Cs12、Cs21、Cs22、Cs31、Cs32各端全部重置到共模電壓Vcm上；第二步第一級(jí)中的開關(guān)被全部關(guān)閉，第一級(jí)被釋放；第三步第二級(jí)中的開關(guān)被全部關(guān)閉，第二級(jí)被釋放；第四步第三級(jí)中的開關(guān)被關(guān)閉，第三級(jí)電路被釋放，整個(gè)電路重置完成；放大階段，將PM端的電壓變?yōu)閂REFN。其目的在于提供一種改善噪聲性能、降低外部干擾敏感度的電容式傳感器接口電路。
【專利說明】電容式傳感器接口電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電容式傳感器接口電路。
【背景技術(shù)】
[0002]由于微機(jī)電(MEMS)技術(shù)以及應(yīng)用的快速發(fā)展，將被感知的物理量(例如氣壓，力口速度，濕度等)的變化轉(zhuǎn)換成電容值的變化的傳感器大量出現(xiàn)。這種電容的變化范圍通常僅為0.0lpF?lpF，同時(shí)還有零點(diǎn)，靈敏度不一致甚至?xí)S溫度變化，因此一般會(huì)同時(shí)配上一個(gè)帶有電容檢測(cè)的接口電路，將電容變化轉(zhuǎn)換成可以進(jìn)行后續(xù)處理的電壓或者數(shù)字信號(hào)。傳統(tǒng)的電容式傳感器接口電路通常利用電荷守恒原理，使用一級(jí)運(yùn)算放大器得到電容進(jìn)行充放電后的電荷變化量來計(jì)算出電容值。參見圖1，電容式傳感器由兩個(gè)待檢測(cè)電容Ca和Cb組成，接口電路由一個(gè)運(yùn)算放大器，一個(gè)反饋電容Cs以及兩組開關(guān)組成。通常Ca和Cb的變化方向相反或者其中一個(gè)固定不變，(；和Cb的電容值的差反映了傳感器測(cè)量的物理量大小。為了測(cè)量出Ca和Cb的電容差值，接口電路測(cè)量時(shí)分為兩個(gè)階段:重置階段和放大階段。重置階段，在Ca和Cb的兩個(gè)非公共端加上相位相反的信號(hào)VREFP和VREFN，跨接在運(yùn)算放大器輸入與輸出兩端的反饋電容Cs通過兩組開關(guān)短接到共模電壓Vcm上。放大階段，Ca和Cb的兩個(gè)非公共端信號(hào)被反相，由于運(yùn)算放大器的虛地特性，根據(jù)電荷守恒原理，可以計(jì)算出運(yùn)算放大器輸出端電壓變化為Vout=Vcm+(VREFP-VREFN)*( Ca-Cb)/ Cs，從而得到一個(gè)與CA, Cb差值成比例的電壓輸出。
[0003]此接口電路的缺點(diǎn)主要有以下三點(diǎn):
首先，噪聲性能不好。重置階段，開關(guān)、運(yùn)算放大器，傳感器布線寄生電阻的寬帶熱噪聲被米樣到運(yùn)算放大器輸入端，形成所謂的kT/C噪聲，由于傳感器上一般有較大的寄生電容，整體結(jié)構(gòu)的反饋系數(shù)F很小，這個(gè)kT/C噪聲在放大階段會(huì)被1/F倍，從而大大限制了輸出信號(hào)的噪聲性能。同時(shí)電路的低頻噪聲如閃爍噪聲也會(huì)體現(xiàn)在輸出上。
[0004]其次，運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓以及開關(guān)的失配也會(huì)在輸出信號(hào)上引入失調(diào)信號(hào)。
[0005]再次，由于運(yùn)算放大器工作在單端模式，對(duì)電源噪聲，外部干擾和寄生變化會(huì)比較敏感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種改善噪聲性能、降低外部干擾敏感度的電容式傳感器接口電路。
[0007]本發(fā)明電容式傳感器接口電路，所述電容式傳感器接口電路采用基于相關(guān)雙采樣的三級(jí)放大結(jié)構(gòu)，將傳感器的差分電容信號(hào)讀出，其中:
第一級(jí)包括第一全差分運(yùn)算放大器Al、反饋電容Csll、反饋電容Csl2和開關(guān)，所述第一全差分運(yùn)算放大器Al的兩個(gè)輸入端分別連接傳感器差分電容Ca和Cb的非公共端，所述第一全差分運(yùn)算放大器Al的正向輸入端與反向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Csll，反饋電容Csll兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接，所述第一全差分運(yùn)算放大器Al的反向輸入端與正向輸出端之間并聯(lián)反饋電容csl2，反饋電容Csl2兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接，所述第一全差分運(yùn)算放大器Al的正向輸出端通過電容與第二全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸入端連接，第一全差分運(yùn)算放大器Al的反向輸出端通過電容與第二全差分運(yùn)算放大器A2的正向輸入端連接；
第二級(jí)包括第二全差分運(yùn)算放大器A2、反饋電容Cs21、反饋電容Cs22和開關(guān)，所述第二全差分運(yùn)算放大器A2的正向輸入端與反向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Cs21，反饋電容Cs21兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接,所述第二全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸入端與正向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Cs22，反饋電容Cs22兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接，所述第二全差分運(yùn)算放大器A2的正向輸出端通過電容與第三全差分運(yùn)算放大器A3的反向輸入端連接，第二全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸出端通過電容與第三全差分運(yùn)算放大器A3的正向輸入端連接；
第三級(jí)包括第三全差分運(yùn)算放大器A3、反饋電容Cs31、反饋電容Cs32和開關(guān)，所述第三全差分運(yùn)算放大器A3的正向輸入端與反向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Cs31，反饋電容Cs31兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接,所述第三全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸入端與正向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Cs32，反饋電容Cs32兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接；
第一級(jí)中的開關(guān)均由控制信號(hào)clk_rl控制，第二級(jí)中的開關(guān)均由控制信號(hào)clk_r2控制，第三級(jí)中的開關(guān)均由控制信號(hào)clk_r3控制；傳感器差分電容(；和Cb的公共端PM加載一個(gè)方波；重置階段被分成四小步，由控制信號(hào)clk_rl，clk_r2, clk_r3控制實(shí)現(xiàn)，第一步將PM連接到VREFP，同時(shí)將反饋電容Csll、Csl2, Cs21, Cs22, Cs31 > Cs32各端全部重置到共模電壓Vcm上；第二步第一級(jí)中的開關(guān)被全部關(guān)閉，第一級(jí)被釋放；第三步第二級(jí)中的開關(guān)被全部關(guān)閉，第二級(jí)被釋放；第四步第三級(jí)中的開關(guān)被關(guān)閉，第三級(jí)電路被釋放，整個(gè)電路重置完成；放大階段，將PM端的電壓變?yōu)閂REFN。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，還包括輸入共模反饋電路，所述輸入共模反饋電路中設(shè)有一個(gè)輸入共模反饋運(yùn)算放大器，輸入共模反饋運(yùn)算放大器的第一輸入端和第二輸入端分別連接傳感器差分電容Ca和Cb的非公共端，其第三輸入端連接共模電壓Vcm，其第一輸入端與其輸出端之間跨接反饋電容Cicmfbl，其第二輸入端與其輸出端之間跨接反饋電容Cianfbl,其輸出端還通過由控制信號(hào)clk_rl控制的開關(guān)連接共模反饋電壓VICMFB。
[0009]電容式傳感器接口電路將基于相關(guān)雙采樣的三級(jí)放大結(jié)構(gòu)用于將傳感器的差分電容信號(hào)讀出，同時(shí)消除第一級(jí)以及第二級(jí)放大電路在采樣階段產(chǎn)生的kT/C熱噪聲，也抵消了第一級(jí)和第二級(jí)的閃爍噪聲和失調(diào)誤差。通過前兩級(jí)的放大，第三級(jí)的kT/C噪聲等效到輸入變得很小。第一級(jí)中第一全差分運(yùn)算放大器Al的熱噪聲會(huì)在clk_r3置零時(shí)被采樣到第三全差分運(yùn)算放大器A3的輸入端，但是這可以通過限制第二級(jí)的帶寬來有效抑制這部分噪聲，從而大大改善了接口電路的輸出噪聲性能。由于該接口電路采用了全差分結(jié)構(gòu)，對(duì)于電源噪聲，外部干擾的敏感程度也大大降低。
[0010]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述，以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為傳統(tǒng)電容式傳感器接口電路原理圖； 圖2為傳統(tǒng)電容式傳感器接口電路工作時(shí)序圖；
圖3為本發(fā)明電容式傳感器接口電路一種實(shí)施方式的原理圖；
圖4為本發(fā)明電容式傳感器接口電路工作時(shí)序圖；
圖5為本發(fā)明電容式傳感器接口電路另一種實(shí)施方式的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明電容式傳感器接口電路，參見圖3和圖4，采用基于相關(guān)雙采樣的三級(jí)放大結(jié)構(gòu)，將傳感器的差分電容信號(hào)讀出，其中:
第一級(jí)包括第一全差分運(yùn)算放大器Al、反饋電容Csll、反饋電容Csl2和開關(guān)，第一全差分運(yùn)算放大器Al的兩個(gè)輸入端分別連接傳感器差分電容Ca和Cb的非公共端，第一全差分運(yùn)算放大器Al的正向輸入端與反向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Csll，反饋電容Csll兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接，第一全差分運(yùn)算放大器Al的反向輸入端與正向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Csl2，反饋電容Csl2兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接，第一全差分運(yùn)算放大器Al的正向輸出端通過電容與第二全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸入端連接,第一全差分運(yùn)算放大器Al的反向輸出端通過電容與第二全差分運(yùn)算放大器A2的正向輸入端連接；第二級(jí)包括第二全差分運(yùn)算放大器A2、反饋電容Cs21、反饋電容Cs22和開關(guān)，第二全差分運(yùn)算放大器A2的正向輸入端與反向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Cs21，反饋電容Cs21兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接,第二全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸入端與正向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Cs22，反饋電容Cs22兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接，第二全差分運(yùn)算放大器A2的正向輸出端通過電容與第三全差分運(yùn)算放大器A3的反向輸入端連接,第二全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸出端通過電容與第三全差分運(yùn)算放大器A3的正向輸入端連接；第三級(jí)包括第三全差分運(yùn)算放大器A3、反饋電容Cs31、反饋電容Cs32和開關(guān)，第三全差分運(yùn)算放大器A3的正向輸入端與反向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Cs31，反饋電容Cs31兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接,第三全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸入端與正向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Cs32,反饋電容Cs32兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接；
第一級(jí)中的開關(guān)均由控制信號(hào)clk_rl控制，第二級(jí)中的開關(guān)均由控制信號(hào)clk_r2控制，第三級(jí)中的開關(guān)均由控制信號(hào)clk_r3控制；傳感器差分電容(；和Cb的公共端PM加載一個(gè)方波；重置階段被分成四小步，由控制信號(hào)clk_rl，clk_r2, clk_r3控制實(shí)現(xiàn)，第一步將PM連接到VREFP，同時(shí)將反饋電容Csll、Csl2, Cs21, Cs22, Cs31 > Cs32各端全部重置到共模電壓Vcm上；第二步第一級(jí)中的開關(guān)被全部關(guān)閉，第一級(jí)被釋放，第一全差分運(yùn)算放大器Al輸入端的kT/C噪聲以及運(yùn)算放大器失調(diào)電壓將體現(xiàn)在第一全差分運(yùn)算放大器Al的輸出端上；第三步第二級(jí)中的開關(guān)被全部關(guān)閉，第二級(jí)被釋放，并將第二級(jí)引入的噪聲及誤差體現(xiàn)在第二全差分運(yùn)算放大器A2的輸出上；第四步第三級(jí)中的開關(guān)被關(guān)閉，第三級(jí)電路被釋放，整個(gè)電路重置完成；放大階段，將PM端的電壓變?yōu)閂REFN，Ca和Cb上的電荷由于電壓變化進(jìn)入電路并被逐級(jí)放大，從而得到反映Ca和Cb差值的電壓輸出信號(hào)。
[0013]本發(fā)明的一實(shí)施方式中，參見圖5，還包括輸入共模反饋電路，輸入共模反饋電路中設(shè)有一個(gè)輸入共模反饋運(yùn)算放大器，輸入共模反饋運(yùn)算放大器的第一輸入端和第二輸入端分別連接傳感器差分電容Ca和Cb的非公共端，其第三輸入端連接共模電壓Vcm，其第一輸入端與其輸出端之間跨接反饋電容Cicmfbl，其第二輸入端與其輸出端之間跨接反饋電容Cicrfb2，其輸出端還通過由控制信號(hào)Clk_rl控制的開關(guān)連接共模反饋電壓VICMFB。在放大階段，匕和Cb注入的共模電荷被反饋電容Cicmfbl和Cicmfb2吸收，由于運(yùn)算放大器的虛地特性，可以將第一全差分運(yùn)算放大器Al的輸入共模電壓穩(wěn)定在Vcm。
[0014]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.電容式傳感器接口電路，其特征在于:所述電容式傳感器接口電路采用基于相關(guān)雙采樣的三級(jí)放大結(jié)構(gòu)，將傳感器的差分電容信號(hào)讀出，其中: 第一級(jí)包括第一全差分運(yùn)算放大器Al、反饋電容Csll、反饋電容Csl2和開關(guān)，所述第一全差分運(yùn)算放大器Al的兩個(gè)輸入端分別連接傳感器差分電容Ca和Cb的非公共端，所述第一全差分運(yùn)算放大器Al的正向輸入端與反向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Csll，反饋電容Csll兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接，所述第一全差分運(yùn)算放大器Al的反向輸入端與正向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Csl2，反饋電容Csl2兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接，所述第一全差分運(yùn)算放大器Al的正向輸出端通過電容與第二全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸入端連接，第一全差分運(yùn)算放大器Al的反向輸出端通過電容與第二全差分運(yùn)算放大器A2的正向輸入端連接； 第二級(jí)包括第二全差分運(yùn)算放大器A2、反饋電容Cs21、反饋電容Cs22和開關(guān)，所述第二全差分運(yùn)算放大器A2的正向輸入端與反向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Cs21，反饋電容Cs21兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接,所述第二全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸入端與正向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Cs22，反饋電容Cs22兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接，所述第二全差分運(yùn)算放大器A2的正向輸出端通過電容與第三全差分運(yùn)算放大器A3的反向輸入端連接，第二全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸出端通過電容與第三全差分運(yùn)算放大器A3的正向輸入端連接； 第三級(jí)包括第三全差分運(yùn)算放大器A3、反饋電容Cs31、反饋電容Cs32和開關(guān)，所述第三全差分運(yùn)算放大器A3的正向輸入端與反向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Cs31，反饋電容Cs31兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接,所述第三全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸入端與正向輸出端之間并聯(lián)反饋電容Cs32，反饋電容Cs32兩端均通過開關(guān)與共模電壓Vcm連接； 第一級(jí)中的開關(guān)均由控制信號(hào)clk_rl控制，第二級(jí)中的開關(guān)均由控制信號(hào)clk_r2控制，第三級(jí)中的開關(guān)均由控制信號(hào)clk_r3控制；傳感器差分電容(；和Cb的公共端PM加載一個(gè)方波；重置階段被分成四小步，由控制信號(hào)clk_rl，clk_r2, clk_r3控制實(shí)現(xiàn)，第一步將PM連接到VREFP，同時(shí)將反饋電容Csll、Csl2, Cs21, Cs22, Cs31 > Cs32各端全部重置到共模電壓Vcm上；第二步第一級(jí)中的開關(guān)被全部關(guān)閉，第一級(jí)被釋放；第三步第二級(jí)中的開關(guān)被全部關(guān)閉，第二級(jí)被釋放；第四步第三級(jí)中的開關(guān)被全部關(guān)閉，第三級(jí)電路被釋放，整個(gè)電路重置完成；放大階段，將PM端的電壓變?yōu)閂REFN。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式傳感器接口電路，其特征在于:還包括輸入共模反饋電路，所述輸入共模反饋電路中設(shè)有一個(gè)輸入共模反饋運(yùn)算放大器，輸入共模反饋運(yùn)算放大器的第一輸入端和第二輸入端分別連接傳感器差分電容Ca和Cb的非公共端,其第三輸入端連接共模電壓Vcm，其第一輸入端與輸出端之間跨接反饋電容Cicrfbl，其第二輸入端與輸出端之間跨接反饋電容Cicfflfbl，輸出端還通過由控制信號(hào)clk_rl控制的開關(guān)連接共模反饋電壓 VICMFB。
【文檔編號(hào)】G01R27/26GK103684408SQ201310698873
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】盛云 申請(qǐng)人:蘇州納芯微電子有限公司