專利名稱：傳感器接口裝置和放大器的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及傳感器接口裝置和放大器。具體地，本發明涉及用于降低直流 偏移和閃光噪聲的傳感器接口裝置。
背景技術：
傳感器系統廣泛地應用于工業和醫療電子領域，其中使傳感器系統的傳感器與同 一系統的其他元件之間建立連接的傳感器接口裝置至關重要。本發明涉及的傳感器系統具有兩個共有的特點。第一，傳感器系統中的傳感器的 輸出信號是電壓量，并且輸出信號具有很小的振幅。例如，電阻電橋傳感器(bridge gauge sensor)通常產生大約幾十微伏(mini-volt)的峰值極差電壓以及幅度小于1 μ V的腦電圖 信號。第二，輸出信號具有低帶寬，或者在多數情況下具有中帶寬。例如，在應力應變傳感 器中，IOHz帶寬就足夠了。獲取生物電勢時，大多數輸入信號的帶寬小于ΙΚΗζ。因為來自感興趣的信號的誤差是無法區分的，因此這些傳感器的關鍵需求是低直 流偏移和低閃光噪聲。近年來，在這一點上發展了很多技術，包括自動調零(也成為相關雙 采樣，CDS)和斬波技術。目前斬波技術廣泛地應用于不同的應用場合中。在該技術中，首先通過在高頻對 輸入信號斬波從而將輸入信號調制成高頻，從而從低頻率偏移和閃光噪聲中區分出期望的 信號。然后，放大器放大所調制的信號，在相同的斬波頻率對放大的信號再次斬波。將期望 的信號調制回基帶，同時頻移和閃光噪聲被變換到高頻并且能夠被低通濾波器濾除，這可 以由放大器本身來實現。現有斬波技術的問題在于斬波器本身生成了與期望信號無法區分的偏移誤差。斬 波器產生的誤差通常與斬波頻率成比例。然而，閃光噪聲(flick noise)的頻率范圍限制 了對斬波頻率的降低。一種稱為嵌套斬波技術(nested chopper technique)的改進技術利用一對運行 在高頻的內斬波來降低閃光噪聲，利用一對運行在低頻的外斬波來抑制偏移。嵌套斬波技 術的缺點在于，由于外斬波運行在甚低頻，所以輸入信號的帶寬受到了限制。
發明內容
公開一種傳感器接口裝置，在對輸入帶寬沒有任何限制的情況下，能夠降低直流 偏移和閃光噪聲。本申請的一個實施方式提供一種用于傳感器系統中的傳感器接口裝置，包括第一斬波器，將模擬輸入信號從基帶頻率轉換至第一頻率；放大器，放大所轉換的信號；帶通Delta-Sigma模數轉換器，將所放大的信號數字化；以及第二斬波器，將經過 數字化的信號從所述第一頻率轉換至所述基帶頻率。本申請的另一個實施方式提供一種放大器，包括輸入級和輸出級，其中，所述輸入級包括第一對電容，且所述輸出級包括第二對電容，所述第一對電容中的一個通過第二組 開關選擇性地連接至所述第二對電容中的一個，從而確定所述放大器的增益。總體而言，該傳感器接口裝置相比現有技術至少具有以下優點之一通過對接口裝置增加很少的費用即可為傳感器接口裝置消除直流偏移和閃光噪 聲；以及去除斬波器生成的直流偏移而不用限制帶寬。為了是本領域技術人員清楚地理解本申請要求保護的特點，下面結合附圖對本申 請進行詳細描述。
圖1示出根據本申請一個實施方式的傳感器接口裝置的方塊圖；圖2示出圖1中應用的斬波器和測量放大器；圖3示出圖2中的斬波器和測量放大器的時鐘波形；以及圖4示出根據本申請另一個實施方式的傳感器接口裝置的方塊圖。
具體實施例方式附圖僅用于示例性的目的并不旨在限制本申請，下面結合附圖描述本申請。圖1是根據本申請的傳感器接口裝置100的方塊圖，包括第一斬波器1、測量放大 器(IA)2、帶通(BP) Delta-Sigma (德耳塔-西格瑪)模數轉換器、第二斬波器4和抽取濾波
5 ο傳感器接口裝置接收電壓模式的輸入信號。具體地，如圖1所示，第一斬波器1運 行在f。h。P頻率，接收輸入信號，將所接收的輸入信號從基帶轉換到f。h。P。此處，第一斬波器 是模擬斬波器，并且f。h。p必須遠大于該系統中閃光噪聲的拐點頻率。IA2接收斬波器1的輸出并進行放大。IA2的放大增益按需求設置。IA2是采樣開 關電容器電路，并在表示為fs的頻率上運行，這將通過參照圖2進行描述。Delta-Sigma模數轉換器3接收來自IA2的放大信號，并將模擬信號轉換為1比特 的數字信號。Delta-Sigma模數轉換器3也是時間采樣開關電容器電路，并在表示為fs的 采樣頻率上運行，從而將放大信號數字化。在本文中，采樣頻率fs和斬波頻率f。h。p必須滿 足關系式fs = nXf。h。p，其中η是大于2的整數。為了調節放大輸入信號，Delta-Sigma模數轉換器3必須具有中心位于f。h。p的信 號頻帶。Delta-Sigma模數轉換器3可以是實數帶通Delta-Sigma調制器(DSM)，也可以是 僅在正頻率或負頻率抑制量化噪聲的復數帶通Delta-Sigma調制器。將Delta-Sigma模數轉換器3的1比特數字輸出提供至第二斬波器4。斬波器4可 以是數字混頻器。斬波器4將Delta-Sigma模數轉換器3的數字輸出與具有頻率f。h。p的數 字正弦波相乘。在仁=41一的情況下，斬波器4將1比特數字信號與+1，0，-1，0，....簡 單相乘。斬波器4將信號從f。h。p轉換至基帶。與現有斬波技術不同，斬波器4不是直接設 置在測量放大器2之后，而是設置在Delta-Sigma模數轉換器3之后。由于斬波器4在數 字域，因此斬波器4不產生誤差。由于斬波器4設置在數字域，不僅去除了 IA2產生的直流偏移，還去除了Delta-Sigma模數轉換器3和信號處理鏈上其他模擬電路(如果存在)產生的直流偏移。 理論上，直流偏移由斬波器1本身產生。該誤差隨fchop增加而增加。因此，如A. Baliker 等人提出白勺標題為"Circuit comprising means for reducing the DC-offset and the noise produced by an amplifier”的第US 6，262，號美國專利中公開的(通過引用 將其全文并入本文)，有必要具有甚低的f。h。p來實現低殘留直流偏移。抽取濾波器5為現有的抽取濾波器，包括數字低通濾波器和下采樣器 (down-sampler)。抽取濾波器5去除來自斬波器4的斬波信號中的高頻噪聲，其中高頻噪 聲包括量化噪聲和已經轉換到f。h。p的直流和閃光噪聲。低通過濾的信號被下采樣到期望信 號的奈奎斯特速率，然后被輸出。圖2示出根據本發明的圖1的斬波器1和測量放大器2的結構。圖3示出從斬波 器和測量放大器輸出的信號的時鐘波形。如圖2所示，第一斬波器包括由相位Φε 。ρ1和Φε1ι。ρ2分別控制的兩對切換器10、 10，和20、20’，并接收一對不同的輸入Vip和Vin。在Φε 。ρ1期間(即切換器10和10’打 開)，輸入ViP和Vin直接供給ΙΑ2。在Φε 。ρ2期間(即切換器20和20’打開)，輸入Vip 和Vin被還原然后供給ΙΑ2。如發表于 IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 22，no. 2，pp. 104-106，Feb. 1987 的 K. Martin、L. 0zcolak、Y. S. Lee 禾口 G. C. Temes 的"A differential switched-capacitor amplifier"(其全文通過引用并入本文)公開的，IA2是開關電容器測量放大器。具體地，IA2包括輸入級2’和輸出級2”。輸入級2’包括第一支路211和第二支 路212，兩條支路都與斬波器1并聯且用于分別接收斬波1的輸出。第一支路211包括電 容Clp，且第二支路212包括電容Cln。電容Clp和電容Cln分別經由第一組開關與斬波器1連 接，并經由第二組開關與輸出級2”連接。第一組開關包括由(^控制的一對開關11和12以及由小2控制的一對開關13和 14。開關11和12分別設置在第一支路211和第二支路212中。如圖2所示，開關13和開 關14連接至共模直流電壓V。m，并且級聯在第一支路211和第二支路212之間。第二組開關包括由小2控制的一對開關7和9以及由Ct1，控制的一對開關6和8。 開關7和9分別設置在第一支路211和第二支路212中，并且分別經由第一連接節點23和 第二連接節點M與電容Clp和Cln連接。開關6和8連接至共模直流電壓V。m，并且級聯在 第一連接節點23和第二連接節點M之間，如圖2所示。輸出級2”包括放大單元15，放大單元15具有兩個輸入(即輸入“_”和輸入“ + ”) 和兩個輸出(即V。p*V。n)。兩個輸入分別經由電容C。sl和電容C。s2連接至輸入級2’的第 一支路和第二支路。在輸入“_”和輸出V。p之間，設置有電容Chp，使得電容Chp與放大單元 15并聯。相似地，在輸入“ + ”和輸出V。p之間，設置有電容Chn，使得電容Cta與放大單元15 并聯。另夕卜，輸出級”還包括一對電容，該對電容包括電容q和電容C2n，如圖2所示，這 兩個電容分別跨過由電容C。sl和單元15組成的支路以及由電容C。s2和單元15組成的支路 而連接。斬波器1的直流偏移源是當開關10、10’、20、20’、11和12打開時的電荷注入。圖 3示出在特定情況fs = 4fch。p (通常fs = n*fch。p，其中η是大于2的整數)情況下的時鐘波形。如圖3所示，相比Φ1，Φ 。ρ1* Φ-ρ2的下降沿，的下降沿發生地稍早一些。相 比開關11和12以及開關10、10’、20和20’，開關6和8打開地稍早些。由于開關6、7、8和 9的存在，在斬波開關10、10’、20和20’以及開關11和12打開時，輸入采樣電容Qp和Cln 的右端是開路的。因此，不會發生從斬波開關10、10’、20和20’向采樣電容C。sl和C。s2的電 荷注入。因此，可以完全除去斬波器1生成的直流偏移。而且，直流偏移消除的性能不依賴 于斬波頻率f。h。p。應該注意的是，如果沒有開關6、7、8和9，則斬波開關10、10’、20和20’ 以及開關11和12打開時，輸入采樣電容Clp和Cln將不能使其右端開路，并且斬波器1生成 的直流偏移將存在與該電路中。再次參照圖2，當Ct1和Φ，為高時，在級2”中的開關37、38、31、32、41和42關 閉。電容C2p和C2n放電。電容C。sl和C。s2在放大單元15的輸入處對偏移進行采樣。當Φ2 為高時，開關33、34、35和36關閉。來自級2’的信號電荷通過開關7和8注入電容q和 C2n,并且輸入電壓信號在放大單元15的輸出處得到Clp/C2p (或等同于Cln/C2n)的增益的放 大。電容Chp和Cta將輸入存儲在時鐘相位中，并在下一個時鐘相位中保持他們的值，從而降 低放大單元15的有限帶寬效應。IA2的增益由電容比ClpA^p (或等同于Cln/C2n)確定。電容C。sl和C。s2用于執行相 關雙采樣以彌補單元15的運放增益效應，還用于抑制低頻噪聲。具體地，電容C。sl和C。s2在 Φ ！期間采用并存儲有限運放增益效應和其他噪聲(包括在圖2中由電壓源V。s表示的直流 偏移)產生的誤差。在電荷轉移相位Φ2中，在電容C。sjnc。s2的左端(該處保持良好的虛 擬接地)，減去該誤差，從而完成從級2’到級2”的電荷轉移。應注意，假設斬波頻率高于閃光噪聲的拐點頻率，則圖1的傳感器接口裝置100還 可使用未利用相關雙采樣技術的其他測量放大器2。然而，相關雙采樣技術必須用于圖4的 傳感器接口裝置200，其中斬波頻率低于閃光噪聲的拐點頻率，這將參照圖4進行描述。圖4示出根據本申請另一個事實方式的傳感器接口裝置200的方塊示意圖，包括 第一斬波器101、測量放大器102、低通(LP) Delta-Sigma模數轉換器103、第二斬波器104、 抽取濾波器105和低通濾波器106。在該實施方式中，圖4中的傳感器裝置200的元件101、 102、104和105分別與圖1中的傳感器接口裝置100中的相應部分1、2和4相同，因此不再 贅述。接口傳感器裝置200和接口傳感器裝置100的區別在于-第二斬波器104連接在抽取濾波器105和低通濾波器106之間，這將在下面進行 介紹；-模數轉換器103是低通Delta-Sigma調制器而不是帶通調制器；-斬波頻率為非常低；以及-低通濾波器106是集成的，這將在下面介紹。請注意傳感器接口裝置200中必須滿足關系式fs = n*f。h。p，其中η是大于2的整 數。傳感器接口裝置200用于輸入信號帶寬很低的應用場合。通過測量放大器102的特定 電路除去斬波器101生成的直流偏移。來自測量放大器102和模數轉換器103的直流偏移 被斬波器104轉換至fs，然后被低通濾波器106濾除。然而，由于斬波頻率低于閃光噪聲的 拐點頻率，因此斬波器101不能除去閃光噪聲。由使用圖2的電路的測量放大器102采用 的相關雙采樣技術除去閃光噪聲。根據本申請，傳感器接口裝置200的模數轉換器103需要調節在f。h。p調制的期望的信號。假設輸入信號的帶寬為10Hz，f。h。p設為20Hz。模數轉換器103必須具有覆蓋從 IOHz到30Hz的通帶，以覆蓋fs周圍的IOHz寬的信號帶，而不是從直流到IOHz。為了設計 簡便，提供具有從直流到40Hz通帶的低通調制器106。對于低速Delta-Sigma調制器而言， 該額外帶寬需求是次要的。在數字化和抽樣之后，由運行在20Hz的斬波器104調制得到的 信號(中心在20Hz左右并且具有40Hz的采樣速率)并轉換回直流。傳感器接口裝置200 的直流偏移已經被轉換到20Hz，并且能夠被低通濾波器106除去，低通濾波器106可以是截 止頻率為IOHz且采樣頻率為40Hz的無限脈沖響應(IIR)或有限脈沖響應(FIR)低通濾波器。雖然圖1的元件1、2、3、4和5以及圖4的元件101、102、103、104、105和106分別
描述為單獨的原件，但是本申請并不限于此。應該理解這些元件可以根據需求來實現。通過示出和描述的實施方式，應該理解在不脫離本發明精神的情況下可對本發明 的形式和細節上進行修改。
權利要求
1.一種傳感器接口裝置，包括第一斬波器，將模擬輸入信號從基帶頻率轉換至第一頻率； 放大器，放大所轉換的信號；帶通Delta-Sigma模數轉換器，將所放大的信號數字化；以及 第二斬波器，將經過數字化的信號從所述第一頻率轉換至所述基帶頻率。
2.如權利要求1所述的傳感器接口裝置，其中所述模數轉換器是實數帶通 Delta-Sigma調制器或復數帶通Delta-Sigma調制器。
3.如權利要求2所述的傳感器接口裝置，進一步包括抽取過濾器，去除從所述第二斬波器接收的信號中的高頻噪聲。
4.如權利要求1所述的傳感器接口裝置，其中所述模數轉換器是低通Delta-Sigma調 制器。
5.如權利要求4所述的傳感器接口裝置，進一步包括抽取濾波器，濾除從所述模數轉換器接收的數字化信號中的高頻噪聲； 其中，所述第二斬波器將過濾的信號從所述第一頻率轉換到所述基帶頻率。
6.如權利要求1所述的傳感器接口裝置，其中，所述放大器和所述模數轉換器以第二 頻率運行，以及其中，所述第二頻率是η與所述第一頻率的乘積，其中η是大于2的整數。
7.如權利要求1所述的傳感器接口裝置，其中，所述第二斬波器將所述數字化的信號 與具有所述第一頻率的數字波形相乘，從而將所述數字化的信號從第一頻率轉換為所述基 帶頻率。
8.如權利要求7所述的傳感器接口裝置，進一步包括低通濾波器，從所述第二斬波器轉換的數字信號中去除所述放大器和所述帶通 Delta-Sigma模數轉換器的直流偏移噪聲。
9.如權利要求1所述的傳感器接口裝置，其中，所述放大器包括輸入級和輸出級，以及 其中，所述輸入級包括第一對電容，并且所述輸出級包括第二對電容，所述第一對電容中的一個通過第二組開關選擇性地與所述第二對電容中的一個相連，以確定所述放大器的 增 ο
10.如權利要求9所述的傳感器接口裝置，其中，所述第一斬波器包括多個開關，以及 控制所述第二組開關以使所述第一對電容開路，從而當所述第一斬波器中的所述開關 打開時，所述輸入級不會向所述輸出級注入電荷。
11.如權利要求10所述的傳感器接口裝置，其中，所述第二組開關經由第一連接節點 與所述第一對電容的第一電容連接，第二開關經由第二連接節點與所述第一對電容的第二 電容連接，以及第三開關和第四開關級聯在所述第一連接節點和所述第二連接節點之間。
12.如權利要求11所述的傳感器接口裝置，其中，所述輸出級包括放大單元，所述放 大單元具有兩個輸入和兩個輸出，所述兩個輸入中的一個經由第三電容與所述第一開關連 接，所述兩個輸入的另一個經由第四電容與第二開關連接。
13.如權利要求1所述的傳感器接口裝置，其中，所述輸出級還包括分別連接在所述兩 個輸入中的一個輸入和所述兩個輸出中相應的一個輸出之間的第五電容和第六電容。
14.一種放大器，包括輸入級和輸出級，其中，所述輸入級包括第一對電容，且所述輸出級包括第二對電容，所述第一對電容中的一個通過第二組開關選擇性地連接至所述第二對 電容中的一個，從而確定所述放大器的增益。
15.如權利要求14所述的放大器，其中，控制所述第二組開關以選擇性地使所述第一 對電容從所述輸出級開路。
16.如權利要求15所述的放大器，其中，所述第二組開關包括 第一開關，經由第一連接節點連接至所述第一對電容的第一電容；第二開關，經由第二連接節點連接至所述第一對電容的第二電容；以及 第三開關和第四開關，級聯在所述第一連接節點和所述第二連接節點之間。
17.如權利要求16所述的放大器，其中，所述輸出級包括放大單元，所述放大單元具有 兩個輸入和兩個輸出，所述兩個輸入中的一個輸入經由第三電容與第一開關連接，所述兩 個輸入中的另一個經由第四電容與第二開關連接。
18.如權利要求17所述的放大器，其中，電容設置在所述兩個輸入中的一個輸入與所 述兩個輸出的一個輸出之間。
全文摘要
公開一種用于傳感器系統中的傳感器接口裝置和放大器。一個實施方式的傳感器接口裝置包括第一斬波器，第一斬波器，將模擬輸入信號從基帶頻率轉換至第一頻率；放大器，放大所轉換的信號；帶通Delta-Sigma模數轉換器，將所放大的信號數字化；以及第二斬波器，將經過數字化的信號從所述第一頻率轉換至所述基帶頻率。測量放大器去除了第一斬波器生成的直流偏移，因此在不用限制帶寬的情況下消除了該接口裝置的所有直流偏移源。
文檔編號H03M3/00GK102077467SQ200980124874
公開日2011年5月25日 申請日期2009年6月11日 優先權日2008年7月8日
發明者潘江鵬, 蔡潮盛 申請人:香港中文大學