專利名稱：單片集成mems電容傳感器鎖相放大電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，是一種MEMS與CMOS集成設計單片集成接口電路。
背景技術：
鎖相技術已經被電子設備所廣泛使用，其具有很多優點。MEMS傳感器是當今發展的另一個熱點，其輸出信號一般比較微弱，需要斬波，相關雙采樣等技術提供信號強度。圖I為常規的鎖相技術的框圖，其有四個部分構成，主要關系是信號通道同參考通道接受同一個規定的調制頻率調制，信號通道包括一些放大和濾波的電路，用于將目標信號放大到滿意的范圍，在參考通道里，包括相移電路以及驅動電路，用于產生同頻率和滿足相位的參考頻率，最后在相敏放大器和低通濾波器中將噪聲部分去除，得到放大后的信 號。如果將MEMS和CMOS鎖相放大技術結合起來，將有很好的輸出特性和應用。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，將MEMS與CMOS融合設計。按照本發明提供的技術方案，所述單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路包括交流調制信號發生器、MEMS電容電橋、前置放大器、濾波電路、交流放大電路、相敏檢測器、低通濾波器、方波驅動電路、移相電路和參考觸發電路；所述調制信號發生器輸出端連接MEMS電容電橋輸入端和參考觸發電路輸入端，交流調制信號發生器產生交流調制信號，其信號頻率同時調制MEMS電容電橋和參考觸發電路；在信號通道上，MEMS電容電橋輸出連接下一級的前置放大器的輸入端，前置放大器的輸出連接濾波電路的輸入端，經過濾波，濾波電路輸出與交流放大電路的輸入端相接，交流放大電路的輸出與相敏檢測器的一個輸入端相接；在參考通道上，參考觸發電路的輸出接移相電路的輸入端，移相電路輸出端接方波驅動電路的輸入端，方波驅動電路的輸出接相敏檢測器的另一個輸入端；經過相敏檢測器的相關性檢測，相敏檢測器的輸出連接低通濾波器輸入端，最后低通濾波器輸出最終的信號。所述單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路包括MEMS器件部分和CMOS讀出電路部分，MEMS器件部分包括所述MEMS電容電橋；CM0S讀出電路部分包括所述前置放大器、濾波電路、交流放大電路、相敏檢測器、低通濾波器、方波驅動電路、移相電路、參考觸發電路；通過單片集成技術將所述MEMS器件部分和CMOS讀出電路部分同時在硅片上實現。所述CMOS讀出電路部分采用單端輸出、單端輸入的結構，或采用雙端輸入和雙端輸出的全差分結構。所述CMOS讀出電路部分通過CMOS工藝實現，采用CMOS器件或NMOS管、PMOS管。所述MEMS電容電橋包括第一可變電容、第三可變電容、第二可變電容和第四可變電容按順序首尾相接，其中第一可變電容和第二可變電容屬于同種類型電容，第三可變電容和第四可變電容屬于同種類型電容；第一可變電容和第二可變電容可以由固定容值電容代替，第三可變電容和第四可變電容也可以由固定容值電容代替。所述相敏檢測器可以是開關形式，包括第一調制開關、第三調制開關、第二調制開關、第四調制開關按順序首尾相接，所述第一調制開關兩端為相敏檢測器正端，第二調制開關兩端為相敏檢測器負端；其中第一調制開關和第二調制開關受相同時鐘CLK調制，第三調制開關和第四調制開關受所述時鐘CLK的反向時鐘調制。所述相敏檢測器也可以采用不帶開關的模擬乘法器。所述濾波電路采用低通濾波器或是高通濾波或是帶通濾波器。所述參考觸發電路的輸出端可以通過倍頻電路與移相電路的輸入端相連。也可以省略倍頻電路。所述低通濾波器能夠由無限積分時間積分濾波器所代替。 本發明的優點是本發明是建立在MEMS與CMOS融合設計的平臺，通過差分電容電橋的變化，加上頻率調制，實現MEMS與CMOS單片集成，同時為了降低MEMS器件的噪聲和影響，使用鎖相技術，優點是能夠將寄生參數等不理想特性減小到最理想的情況，通過濾波和互相關技術去掉噪聲的影響。
圖I為常規鎖相放大電路。圖2為本發明的MEMS與CMOS單片集成鎖相放大電路。圖3為MEMS電容電橋的詳細結構。圖4為相敏檢測器的開關形式電路。圖5為本發明的積分器形式輸出的整體電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。本發明包括四個主要部分，分別為MEMS電容電橋，信號輸入通道、參考信號輸入通道、相關器。其中，MEMS電容電橋102為MEMS器件部分，其余部分為CMOS電路部分，如圖2所示，具體包括交流調制信號發生器10UMEMS電容電橋102、前置放大器103、濾波電路104、交流放大電路105、相敏檢測器106、低通濾波器107、方波驅動電路108、移相電路109和參考觸發電路111 ;所述調制信號發生器101輸出端連接MEMS電容電橋102輸入端和參考觸發電路111輸入端，交流調制信號發生器101產生交流調制信號，其信號頻率同時調制MEMS電容電橋102和參考觸發電路111 ;在信號通道上，MEMS電容電橋102輸出連接下一級的前置放大器103的輸入端，前置放大器103的輸出連接濾波電路104的輸入端，經過濾波，濾波電路104輸出與交流放大電路105的輸入端相接，交流放大電路105的輸出與相敏檢測器106的一個輸入端相接；在參考通道上，參考觸發電路111的輸出接移相電路109的輸入端，移相電路109輸出端接方波驅動電路108的輸入端，方波驅動電路108的輸出接相敏檢測器106的另一個輸入端；經過相敏檢測器106的相關性檢測，相敏檢測器106的輸出連接低通濾波器107輸入端，最后低通濾波器107輸出最終的信號。圖中，所述參考觸發電路111的輸出端通過倍頻電路110與移相電路109的輸入端相連。倍頻電路110根據系統的要求可以使用，也可以根據系統的要求去掉倍頻電路110。MEMS電容電橋102是此發明中的核心部分，因為其設計存在難度，所以，此處既可以是電容差分變化，也可以是其中兩個單向變化。信號通道中有前置放大器103、濾波電路104、交流放大電路105構成，其中前置放大器103具有低噪聲和低失調的特點，增益適中，濾波電路104的作用是濾除電路中的雜散頻率部分，由于前置放大的增益可能不能滿足系統的要求，因此，在濾波電路104后面可以加上一個交流放大電路105。參考通道中，包括一個參考觸發電路111、移相電路109和方波驅動電路108。
最后一個部分是相敏檢測器106和低通濾波器107。本電路的優點是MEMS電容電橋產生的交流信號，通過與參考通道的交流信號進行相關性運算，消除系統中引入的噪聲和高頻分量，最后得到直流或是低頻的放大信號。如圖2所示，本發明包括MEMS器件部分和CMOS讀出電路部分。MEMS器件部分包括MEMS電容電橋102 ；CM0S讀出電路部分包括前置放大器103、濾波電路104、交流放大電路105、相敏檢測器106、低通濾波器107、方波驅動電路108、移相電路109、倍頻電路110、參考觸發電路111。其中兩個部分的結合是通過單片集成技術，即將MEMS器件部分和CMOS電路同時在硅片上實現。所述CMOS讀出電路部分既可以是單端輸出，單端輸入的結構，也可以是雙端輸入和雙端輸出的全差分結構。CMOS讀出電路部分包括前置放大器103、濾波電路104、交流放大電路105、相敏檢測器106、低通濾波器107、方波驅動電路108、移相電路109、倍頻電路110、參考觸發電路111。所述CMOS讀出電路部分是通過CMOS工藝實現，可以是CMOS、NMOS, PMOS管。所述MEMS電容電橋102為叉指結構或是三明治結構，如圖3所示，該MEMS電容電橋102結構包括第一可變電容117、第二可變電容118、第三可變電容119和第四可變電容120。其連接關系為第一可變電容117、第三可變電容119、第二可變電容118和第四可變電容120按順序首尾相接。其中第一可變電容117和第二可變電容118屬于同種類型，第三可變電容119和第四可變電容120屬于同種類型，第一可變電容117和第二可變電容118可以由固定容值電容代替，第三可變電容119和第四可變電容120也可以由固定容值電容代替。所述的信號通道部分都為CMOS標準工藝下的電路。前置放大器103可以是NMOS和CMOS結構，濾波電路104根據交流調制信號發生器101產生調制頻率的不同和對輸出信號的特點不同要求，可以采用低通濾波器或是高通濾波或是帶通濾波器，可以采用典型的RC濾波器結構，也可以采用Gm-C等形式的濾波器。可以為RC濾波電路也可以是Gm-C濾波電路，交流放大電路105也是CMOS工藝下的電路。所述參考通道內的電路和相關器電路也都為CMOS工藝下電路。所述相敏檢測器106為開關形式，也可使用普通的模擬乘法器，即不帶開關的模擬乘法器。如圖4所示，該相敏檢測器106包括四個受時鐘調制的開關。連接關系為第一調制開關112、第三調制開關114、第二調制開關113、第四調制開關115按順序首尾相接。所述第一調制開關112兩端為相敏檢測器106正端，第二調制開關113兩端為相敏檢測器106負端。其中第一調制開關112和第二調制開關113受相同時鐘CLK調制，第三調制開關114和第四調制開關115受時鐘CLK的反向時鐘調制。
如圖5所示，圖2中的低通濾波器107可以由無限積分時間積分濾波器116所代替。
權利要求
1.單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是包括交流調制信號發生器(101)、MEMS電容電橋(102)、前置放大器(103)、濾波電路(104)、交流放大電路(105)、相敏檢測器(106)、低通濾波器(107)、方波驅動電路(108)、移相電路(109)和參考觸發電路(111);所述調制信號發生器(101)輸出端連接MEMS電容電橋(102)輸入端和參考觸發電路(111)輸入端，交流調制信號發生器(101)產生交流調制信號，其信號頻率同時調制MEMS電容電橋(102)和參考觸發電路(111);在信號通道上，MEMS電容電橋(102)輸出連接下一級的前置放大器(103)的輸入端，前置放大器(103)的輸出連接濾波電路(104)的輸入端，經過濾波，濾波電路(104)輸出與交流放大電路(105)的輸入端相接，交流放大電路(105)的輸出與相敏檢測器(106)的一個輸入端相接；在參考通道上,參考觸發電路(111)的輸出接移相電路(109)的輸入端，移相電路(109)輸出端接方波驅動電路( 108)的輸入端，方波驅動電路(108)的輸出接相敏檢測器(106)的另一個輸入端；經過相敏檢測 器(106)的相關性檢測，相敏檢測器(106 )的輸出連接低通濾波器(107 )輸入端，最后低通濾波器(107 )輸出最終的信號。
2.根據權利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是，包括MEMS器件部分和CMOS讀出電路部分，MEMS器件部分包括所述MEMS電容電橋(102) ;CM0S讀出電路部分包括所述前置放大器(103)、濾波電路(104)、交流放大電路(105)、相敏檢測器(106)、低通濾波器(107)、方波驅動電路(108)、移相電路(109)、參考觸發電路(111)；通過單片集成技術將所述MEMS器件部分和CMOS讀出電路部分同時在硅片上實現。
3.根據權利要求2所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述CMOS讀出電路部分采用單端輸出、單端輸入的結構，或采用雙端輸入和雙端輸出的全差分結構。
4.根據權利要求2所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述CMOS讀出電路部分通過CMOS工藝實現，采用CMOS器件或NMOS管、PMOS管。
5.根據權利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述MEMS電容電橋(102)包括第一可變電容(117)、第三可變電容(119)、第二可變電容(118)和第四可變電容(120)按順序首尾相接，其中第一可變電容(117)和第二可變電容(118)屬于同種類型電容，第三可變電容(119)和第四可變電容(120)屬于同種類型電容；第一可變電容(117)和第二可變電容(118)能夠由固定容值電容代替，第三可變電容(119)和第四可變電容(120)也能夠由固定容值電容代替。
6.根據權利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是，所述相敏檢測器(106)包括第一調制開關(112)、第三調制開關(114)、第二調制開關(113)、第四調制開關(115)按順序首尾相接，所述第一調制開關(112)兩端為相敏檢測器(106)正端，第二調制開關(113)兩端為相敏檢測器(106)負端；其中第一調制開關(112)和第二調制開關(113)受相同時鐘CLK調制，第三調制開關(114)和第四調制開關(115)受所述時鐘CLK的反向時鐘調制。
7.根據權利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述相敏檢測器(106)采用不帶開關的模擬乘法器。
8.根據權利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述濾波電路(104)采用低通濾波器或是高通濾波或是帶通濾波器。
9.根據權利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述參考觸發電路(111)的輸出端通過倍頻電路(I 10)與移相電路(109)的輸入端相連。
10.根據權利要求I所述的單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，其特征是所述低通濾波器(107)能夠由無限積分時間積分濾波器(116)所代替。
全文摘要
本發明提供了一種單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，該電路包括四個部分MEMS電容橋式電路，信號輸入通道、參考信號輸入通道、相關器。其中，MEMS電容橋式電路為MEMS器件部分，其余部分為CMOS電路部分。信號通道中有前置放大器、濾波電路、交流放大電路構成，。參考通道中，包括觸發電路、移相電路和方波驅動電路。最后一個部分是相敏檢測器和低通濾波器。本發明的優點是本發明通過差分電容電橋的變化，加上頻率調制，實現MEMS與CMOS單片集成，同時為了降低MEMS器件的噪聲和影響，使用鎖相技術，優點是能夠將寄生參數等不理想特性減小到最理想的情況，通過濾波和互相關技術去掉噪聲的影響。
文檔編號H03F1/26GK102843102SQ201210375929
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者何鑫, 王瑋冰 申請人:江蘇物聯網研究發展中心