電容式傳感器接口電路的制作方法
【專利摘要】本發明電容式傳感器接口電路，采用基于相關雙采樣的三級放大結構將傳感器的差分電容信號讀出，分為三級，每級由一個全差分運算放大器，兩個反饋電容以及一些開關構成。重置階段被分成四小步，由控制信號clk_r1,clk_r2,clk_r3控制實現，第一步將PM連接到VREFP，同時將反饋電容Cs11、Cs12、Cs21、Cs22、Cs31、Cs32各端全部重置到共模電壓Vcm上；第二步第一級中的開關被全部關閉，第一級被釋放；第三步第二級中的開關被全部關閉，第二級被釋放；第四步第三級中的開關被關閉，第三級電路被釋放，整個電路重置完成；放大階段，將PM端的電壓變為VREFN。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
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種電容式傳感器接口電路。
【背景技術】
[0002]由于微機電(MEMS)技術以及應用的快速發展，將被感知的物理量(例如氣壓，力口速度，濕度等)的變化轉換成電容值的變化的傳感器大量出現。這種電容的變化范圍通常僅為0.0lpF?lpF，同時還有零點，靈敏度不一致甚至會隨溫度變化，因此一般會同時配上一個帶有電容檢測的接口電路，將電容變化轉換成可以進行后續處理的電壓或者數字信號。傳統的電容式傳感器接口電路通常利用電荷守恒原理，使用一級運算放大器得到電容進行充放電后的電荷變化量來計算出電容值。參見圖1，電容式傳感器由兩個待檢測電容Ca和Cb組成，接口電路由一個運算放大器，一個反饋電容Cs以及兩組開關組成。通常Ca和Cb的變化方向相反或者其中一個固定不變，(；和Cb的電容值的差反映了傳感器測量的物理量大小。為了測量出Ca和Cb的電容差值，接口電路測量時分為兩個階段:重置階段和放大階段。重置階段，在Ca和Cb的兩個非公共端加上相位相反的信號VREFP和VREFN，跨接在運算放大器輸入與輸出兩端的反饋電容Cs通過兩組開關短接到共模電壓Vcm上。放大階段，Ca和Cb的兩個非公共端信號被反相，由于運算放大器的虛地特性，根據電荷守恒原理，可以計算出運算放大器輸出端電壓變化為Vout=Vcm+(VREFP-VREFN)*( Ca-Cb)/ Cs，從而得到一個與CA, Cb差值成比例的電壓輸出。
[0003]此接口電路的缺點主要有以下三點:
首先，噪聲性能不好。重置階段，開關、運算放大器，傳感器布線寄生電阻的寬帶熱噪聲被米樣到運算放大器輸入端，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，整體結構的反饋系數F很小，這個kT/C噪聲在放大階段會被1/F倍，從而大大限制了輸出信號的噪聲性能。同時電路的低頻噪聲如閃爍噪聲也會體現在輸出上。
[0004]其次，運算放大器的失調電壓以及開關的失配也會在輸出信號上引入失調信號。
[0005]再次，由于運算放大器工作在單端模式，對電源噪聲，外部干擾和寄生變化會比較敏感。
【發明內容】
[0006]為解決上述技術問題，本發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雙采樣的三級放大結構，將傳感器的差分電容信號讀出，其中:
第一級包括第一全差分運算放大器Al、反饋電容Csll、反饋電容Csl2和開關，所述第一全差分運算放大器Al的兩個輸入端分別連接傳感器差分電容Ca和Cb的非公共端，所述第一全差分運算放大器Al的正向輸入端與反向輸出端之間并聯反饋電容Csll，反饋電容Csll兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接，所述第一全差分運算放大器Al的反向輸入端與正向輸出端之間并聯反饋電容csl2，反饋電容Csl2兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接，所述第一全差分運算放大器Al的正向輸出端通過電容與第二全差分運算放大器A2的反向輸入端連接，第一全差分運算放大器Al的反向輸出端通過電容與第二全差分運算放大器A2的正向輸入端連接；
第二級包括第二全差分運算放大器A2、反饋電容Cs21、反饋電容Cs22和開關，所述第二全差分運算放大器A2的正向輸入端與反向輸出端之間并聯反饋電容Cs21，反饋電容Cs21兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接,所述第二全差分運算放大器A2的反向輸入端與正向輸出端之間并聯反饋電容Cs22，反饋電容Cs22兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接，所述第二全差分運算放大器A2的正向輸出端通過電容與第三全差分運算放大器A3的反向輸入端連接，第二全差分運算放大器A2的反向輸出端通過電容與第三全差分運算放大器A3的正向輸入端連接；
第三級包括第三全差分運算放大器A3、反饋電容Cs31、反饋電容Cs32和開關，所述第三全差分運算放大器A3的正向輸入端與反向輸出端之間并聯反饋電容Cs31，反饋電容Cs31兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接,所述第三全差分運算放大器A2的反向輸入端與正向輸出端之間并聯反饋電容Cs32，反饋電容Cs32兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接；
第一級中的開關均由控制信號clk_rl控制，第二級中的開關均由控制信號clk_r2控制，第三級中的開關均由控制信號clk_r3控制；傳感器差分電容(；和Cb的公共端PM加載一個方波；重置階段被分成四小步，由控制信號clk_rl，clk_r2, clk_r3控制實現，第一步將PM連接到VREFP，同時將反饋電容Csll、Csl2, Cs21, Cs22, Cs31 > Cs32各端全部重置到共模電壓Vcm上；第二步第一級中的開關被全部關閉，第一級被釋放；第三步第二級中的開關被全部關閉，第二級被釋放；第四步第三級中的開關被關閉，第三級電路被釋放，整個電路重置完成；放大階段，將PM端的電壓變為VREFN。
[0008]根據本發明的一實施方式，還包括輸入共模反饋電路，所述輸入共模反饋電路中設有一個輸入共模反饋運算放大器，輸入共模反饋運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clk_rl控制的開關連接共模反饋電壓VICMFB。
[0009]電容式傳感器接口電路將基于相關雙采樣的三級放大結構用于將傳感器的差分電容信號讀出，同時消除第一級以及第二級放大電路在采樣階段產生的kT/C熱噪聲，也抵消了第一級和第二級的閃爍噪聲和失調誤差。通過前兩級的放大，第三級的kT/C噪聲等效到輸入變得很小。第一級中第一全差分運算放大器Al的熱噪聲會在clk_r3置零時被采樣到第三全差分運算放大器A3的輸入端，但是這可以通過限制第二級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構，對于電源噪聲，外部干擾的敏感程度也大大降低。
[0010]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述，以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為傳統電容式傳感器接口電路原理圖； 圖2為傳統電容式傳感器接口電路工作時序圖；
圖3為本發明電容式傳感器接口電路一種實施方式的原理圖；
圖4為本發明電容式傳感器接口電路工作時序圖；
圖5為本發明電容式傳感器接口電路另一種實施方式的原理圖。
【具體實施方式】
[0012]本發明電容式傳感器接口電路，參見圖3和圖4，采用基于相關雙采樣的三級放大結構，將傳感器的差分電容信號讀出，其中:
第一級包括第一全差分運算放大器Al、反饋電容Csll、反饋電容Csl2和開關，第一全差分運算放大器Al的兩個輸入端分別連接傳感器差分電容Ca和Cb的非公共端，第一全差分運算放大器Al的正向輸入端與反向輸出端之間并聯反饋電容Csll，反饋電容Csll兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接，第一全差分運算放大器Al的反向輸入端與正向輸出端之間并聯反饋電容Csl2，反饋電容Csl2兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接，第一全差分運算放大器Al的正向輸出端通過電容與第二全差分運算放大器A2的反向輸入端連接,第一全差分運算放大器Al的反向輸出端通過電容與第二全差分運算放大器A2的正向輸入端連接；第二級包括第二全差分運算放大器A2、反饋電容Cs21、反饋電容Cs22和開關，第二全差分運算放大器A2的正向輸入端與反向輸出端之間并聯反饋電容Cs21，反饋電容Cs21兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接,第二全差分運算放大器A2的反向輸入端與正向輸出端之間并聯反饋電容Cs22，反饋電容Cs22兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接，第二全差分運算放大器A2的正向輸出端通過電容與第三全差分運算放大器A3的反向輸入端連接,第二全差分運算放大器A2的反向輸出端通過電容與第三全差分運算放大器A3的正向輸入端連接；第三級包括第三全差分運算放大器A3、反饋電容Cs31、反饋電容Cs32和開關，第三全差分運算放大器A3的正向輸入端與反向輸出端之間并聯反饋電容Cs31，反饋電容Cs31兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接,第三全差分運算放大器A2的反向輸入端與正向輸出端之間并聯反饋電容Cs32,反饋電容Cs32兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接；
第一級中的開關均由控制信號clk_rl控制，第二級中的開關均由控制信號clk_r2控制，第三級中的開關均由控制信號clk_r3控制；傳感器差分電容(；和Cb的公共端PM加載一個方波；重置階段被分成四小步，由控制信號clk_rl，clk_r2, clk_r3控制實現，第一步將PM連接到VREFP，同時將反饋電容Csll、Csl2, Cs21, Cs22, Cs31 > Cs32各端全部重置到共模電壓Vcm上；第二步第一級中的開關被全部關閉，第一級被釋放，第一全差分運算放大器Al輸入端的kT/C噪聲以及運算放大器失調電壓將體現在第一全差分運算放大器Al的輸出端上；第三步第二級中的開關被全部關閉，第二級被釋放，并將第二級引入的噪聲及誤差體現在第二全差分運算放大器A2的輸出上；第四步第三級中的開關被關閉，第三級電路被釋放，整個電路重置完成；放大階段，將PM端的電壓變為VREFN，Ca和Cb上的電荷由于電壓變化進入電路并被逐級放大，從而得到反映Ca和Cb差值的電壓輸出信號。
[0013]本發明的一實施方式中，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有一個輸入共模反饋運算放大器，輸入共模反饋運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Clk_rl控制的開關連接共模反饋電壓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，由于運算放大器的虛地特性，可以將第一全差分運算放大器Al的輸入共模電壓穩定在Vcm。
[0014]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
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雙采樣的三級放大結構，將傳感器的差分電容信號讀出，其中: 第一級包括第一全差分運算放大器Al、反饋電容Csll、反饋電容Csl2和開關，所述第一全差分運算放大器Al的兩個輸入端分別連接傳感器差分電容Ca和Cb的非公共端，所述第一全差分運算放大器Al的正向輸入端與反向輸出端之間并聯反饋電容Csll，反饋電容Csll兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接，所述第一全差分運算放大器Al的反向輸入端與正向輸出端之間并聯反饋電容Csl2，反饋電容Csl2兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接，所述第一全差分運算放大器Al的正向輸出端通過電容與第二全差分運算放大器A2的反向輸入端連接，第一全差分運算放大器Al的反向輸出端通過電容與第二全差分運算放大器A2的正向輸入端連接； 第二級包括第二全差分運算放大器A2、反饋電容Cs21、反饋電容Cs22和開關，所述第二全差分運算放大器A2的正向輸入端與反向輸出端之間并聯反饋電容Cs21，反饋電容Cs21兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接,所述第二全差分運算放大器A2的反向輸入端與正向輸出端之間并聯反饋電容Cs22，反饋電容Cs22兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接，所述第二全差分運算放大器A2的正向輸出端通過電容與第三全差分運算放大器A3的反向輸入端連接，第二全差分運算放大器A2的反向輸出端通過電容與第三全差分運算放大器A3的正向輸入端連接； 第三級包括第三全差分運算放大器A3、反饋電容Cs31、反饋電容Cs32和開關，所述第三全差分運算放大器A3的正向輸入端與反向輸出端之間并聯反饋電容Cs31，反饋電容Cs31兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接,所述第三全差分運算放大器A2的反向輸入端與正向輸出端之間并聯反饋電容Cs32，反饋電容Cs32兩端均通過開關與共模電壓Vcm連接； 第一級中的開關均由控制信號clk_rl控制，第二級中的開關均由控制信號clk_r2控制，第三級中的開關均由控制信號clk_r3控制；傳感器差分電容(；和Cb的公共端PM加載一個方波；重置階段被分成四小步，由控制信號clk_rl，clk_r2, clk_r3控制實現，第一步將PM連接到VREFP，同時將反饋電容Csll、Csl2, Cs21, Cs22, Cs31 > Cs32各端全部重置到共模電壓Vcm上；第二步第一級中的開關被全部關閉，第一級被釋放；第三步第二級中的開關被全部關閉，第二級被釋放；第四步第三級中的開關被全部關閉，第三級電路被釋放，整個電路重置完成；放大階段，將PM端的電壓變為VREFN。
2.根據權利要求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有一個輸入共模反饋運算放大器，輸入共模反饋運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clk_rl控制的開關連接共模反饋電壓 VICMFB。
【文檔編號】G01R27/26GK103684408SQ201310698873
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】盛云 申請人:蘇州納芯微電子有限公司