专利名称：一种交叉采样电荷二次求和的全差分电容读出电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电容读出电路，而更详细地涉及高精度的电容式微机电传感器的读出电路，如微陀螺仪和微加速度计等。
背景技术：
电容式传感器是一种被广泛应用的传感器，如电容式压力传感器、加速度计和陀螺仪等。电容式传感器大多是差分结构，因此其通常可等效为一对差分可变电容，其电容的变化量直接反映了外界待测物理量的大小。陀螺仪和加速度计是一种被广泛应用的惯性传感器，用于检测运动物体的角速度和加速度，它们在国防技术、航空航天、汽车电子、工业控制等领域有着广泛的应用。随着信息技术和微制造技术的进步，传感器系统的微型化、集成化、智能化和网络化已成为技术发展的主要趋势，微机电系统(MEMQ传感器因具有体积小、重量轻、价格便宜和功耗低等优点而备受青睐，它不仅在传统的传感领域中得到广泛的应用，而且还应用在了一些新兴领域中，如智能鼠标，高级玩具，智能手机，医疗监护等，具有非常广阔的应用前景和市场。MEMS电容传感器体积微小，其输出的信号非常微弱，如体硅MEMS陀螺仪电容变化的范围一般在10_18-10_12法拉量级，要检测出如此小的电容变化量，对读出电路提出了非常苛刻的要求。因为传感器系统所能探测的最小信号幅度由传感器及其读出电路的噪声决定，其中读出电路噪声(包括1/f噪声和热噪声等)占主要部分，是制约传感器检测精度的首要因素，因此探索消除和抑制电路噪声的理论和方法，成为了提高电容传感器检测精度和分辨率的必要途径和方法；其次，由于制造工艺的偏差，差分传感电容存在失配，读出电路器件尺寸参数也同样存在失配，因此，其读出电路需要通过一定的方法来补偿或抑制由于器件失配所带来的误差；此外，由于温度和环境因素的影响，器件参数、电源电压和共模电压等参数都会随之产生漂移，传统电容读出电路对温度漂移十分敏感，且其相应的温度补偿电路和方法也十分复杂，增加了系统的面积和功耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种交叉采样电荷二次求和的全差分电容读出电路，以改进公知技术中存在的缺陷。为实现上述目的，本发明提供的交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，为对称的电路结构，主要包括一对差分变化的电容传感器，具有传感器电容Csi和Cs2 ；两个大小可调的参考电容阵列Cki和Ck2，且Cki = Ce2用于消除读出电路失调和抑制低频噪声的电容Cdi和Cd2，且Cdi = CD2 ；两个对称的大小可调的积分电容阵列，分别由用于存储转移电荷的积分电容C11 和C12，以及用于调节电路增益的积分电容C13和积分电容C14组成；一个全差分跨导运算放大器；
其中传感器电容Csi的一端接共模电压，另一端同开关1、开关2、开关9和开关11相连，开关1的另一端接电源，开关2的另一端接公共端；开关1和开关2用于为传感器电容 Csi充电；参考电容阵列Cki的一端接共模电压，另一端连接开关3、开关4和开关10的一端， 开关3的另一端接公共端，开关4的另一端接电源，开关3和开关4用于为参考电容阵列Cki 充电；开关9、开关10和开关12的另一端同电容Cdi的一端相连；开关15和开关16的一端同电容Cdi与用于电荷转移的开关9、开关10和开关12 相连接的一端连接，开关16的另一端连接共模电压；消除失调和抑制低频噪声的电容Cdi与开关19的一端连接全差分跨导的正相输入端；开关15和开关19的另一端连接积分电容C11和积分电容C13的一端，积分电容C13 的另一端连接开关22的一端，积分电容C11的另一端与开关22的另一端连接全差分跨导运算放大器的反相输出端；开关21跨接在积分电容C11的两端；Cs2的一端接共模电压，另一端同开关5、开关6、开关12和开关14相连，开关5的另一端接公共端，开关6的另一端接电源；开关5和开关6用于为传感器电容Q2充电；参考电容阵列Ck2的一端接共模电压，另一端连接开关7、开关8和开关13的一端， 开关7的另一端接电源，开关8的另一端接公共端，开关7和开关8用于为参考电容阵列Ck2 充电；开关11、开关13和开关14的另一端同电容Cd2的一端相连；开关17和开关18的一端同电容Cd2与用于电荷转移的开关11、开关13和开关14 相连接的一端相连接，开关17的另一端连接共模电压；消除失调和抑制低频噪声的电容Cd2与开关20的一端连接全差分跨导的反相输入端；开关18和开关20的另一端连接积分电容C12和积分电容C14的一端，积分电容C14 的另一端同开关23的一端连接，积分电容C12与开关23的另一端连接全差分跨导运算放大器的正相输出端；开关M跨接在电容C12的两端。存储转移电荷的积分电容C11和C12，所述交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，其中，用于给传感器电容充电的开关1和开关6由时钟O1控制；开关2和开关5由时钟相Φ3控制。所述交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，其中，用于为参考电容阵列充电的开关3和开关8由时钟O1控制；开关4和开关7由时钟相Φ3控制。所述交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，其中，用于电荷转移的开关9和开关14由时钟相Φ2控制；开关11和开关14由时钟相Φ4控制；开关10、开关13、开关15和开关18由时钟相Φ4共同控制，当02或Φ4相为高电平时开关闭合。所述交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，其中，开关16和开关17由Φ工控制。
所述交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，其中，开关19、开关20、开关21和开关M用于为全差分跨导运算放大器输入端提供直流偏置。本发明采用开关电容电路，对电路的寄生电容不敏感，应用相关双采样技术，能够抑制读出电路的失调和电路噪声，从而提高系统精度。本发明通过调整参考电容阵列来达到减小传感器失配和增大系统动态范围的目的，若固定共模电压，电荷二次求和方式可以消除读出电路中参考电容阵列由于微电子工艺制造偏差而引入的失配，若忽略参考电容的失配，电路能消除共模电压漂移带来的影响。
图1是本发明交叉采样电荷二次求和的全差分电容读出电路原理框图。图Ia是图1中参考电容阵列Cki连接图。图Ib是图1中参考电容阵列Ck2连接图。图2是图1中Φi相电路工作情况。图3是图1中Φ2相电路工作情况。图4是图1中Φ3相电路工作情况。图5是图1中Φ4相电路工作情况。
具体实施例方式本发明面向微陀螺仪和微加速度计等差分结构的电容传感器，针对微传感器输出信号微弱的特点，提出了一种交叉采样电荷二次求和的全差分微弱电容读出电路，该电路采用开关电容电路实现，对寄生电容不敏感，通过相关双采样电容抑制电路的失调和低频 Ι/f噪声，以提高电容分辨率；采用参考电容来减小传感器电容的失配，并能够提高系统的动态范围；固定共模电压，通过电荷二次求和的方式来消除读出电路中参考电容的失配带来的影响，固定参考电容阵列(Cri = CK2)，该方式可以消除共模电压漂移带来的影响。本发明的交叉采样电荷二次求和电容读出电路包括一对差分变化的电容Csi和 Cs2 (也即电容传感器)，两个完全对称的大小可调的参考电容阵列Cki和Ck2 (理想情况下Cki 和Ck2完全对称，Cei = CE2)，一对用于消除读出电路失调和抑制低频Ι/f噪声的电容Cdi和 CD2 (Cdi = CD2)，两个完全对称的大小可调的积分电容阵列(Cn、C12, C13和C14)，一个全差分跨导运算放大器(OTA)和若干开关组成，开关22和23通过控制信号Gl调节读出电路增益 (V/C)的大小，Plu、P2u、P3u、Pld、P2d和P3d用来调节参考电容Cki和CK2的大小，其余开关由4项非交叠时钟控制，它们决定了电路如何工作。更详细地说明，如图1所示，Csi的一端接共模电压(VCM)，另一端同开关1、2、9、 11相连，开关1的另一端接Vdd (电源)，开关2的另一端接&id(公共端)，参考电容阵列 Cei的一端接VCM，另一端接开关3、4、10的一端，开关3的另一端接&id，开关4的另一端接乂(1(1，开关9、10、12的另一端同电容Cdi的一端相连，开关15、16的一端同电容Cdi与开关9、 10、12相连接的端连接，开关16的另一端同共模电压VCM连接，电容Cdi的另一端同全差分跨导的正输入端链接，开关19的一端也连接到全差分的正输入端，开关15和19的另一端同电容接C11和C13的一端相连，C11的另一端同全差分跨导的反相输出端相连，C13的另一端同开关22的一端连接，开关22的另一端同全差分跨导运算放大器的反相输出端连接，开关21跨接在电容C11的两端；Q2的一端接共模电压VCM，另一端同开关5、6、12、14相连，开关5 的另一端接&id，开关6的另一端接Vdd，参考电容阵列Ck2的一端接VCM，另一端接开关7、 8、13的一端，开关7的另一端接Vdd，开关8的另一端接&id，开关11、13、14的另一端同电容Cd2的一端相连，开关17、18的一端同电容Cd2与开关11、13、14相连接的端连接，开关17 的另一端同共模电压VCM连接，电容Cd2的另一端同全差分跨导的正输入端链接，开关20的一端也连接到全差分的反相输入端，开关18和20的另一端同电容接C12和C14的一端相连， C12的另一端同全差分跨导的正相输出端相连，C14的另一端同开关23的一端连接，开关23 的另一端同全差分跨导运算放大器的正相输出端连接，开关M跨接在电容C11的两端。其中，参考电容阵列Cki和Ck2的连接分别如图Ia和图Ib所示，其中Cm和Ck21的大小接近传感电容处于平衡位置时电容的大小，Ceu的一端连接共模电压VCM，另一端接节点a(图1和图Ia中的节点a为同一节点)，CK12、CK13和Cki4为用于调节参考电容阵列大小的电容，他们的一端接节点a，另一端分别通过开关与共模电压VCM相连接，Ck21的一端连接共模电压VCM，另一端接节点b (图1和图Ib中的节点b为同一节点)，Ck22、Ce23和Ck24为用于调节参考电容阵列大小的电容，他们的一端接节点b，另一端分别通过开关与共模电压 VCM相连接。本发明的电路结构是完全对称的，通过在传感器电容和参考电容之间加一固定的共模电压VCM (—般取2VCM = Vdd)，将传感器电容Csi (Cs2)和参考电容Cki (Ck2)的电荷之差， 转移到积分电容上，理想情况下，当传感器没有外界输入信号(加速度或角速度)时，Csi = Cs2 = Cei = Ck2，而当有外界信号输入时，传感电容会产生变化，积分电容上的电荷直接反映了传感器电容的变化量AC。所以传统的检测电路都要求Csi = Cki，Cs2 = CK2。但是由于制造的误差，即使无外界信号输入，Csi和Cs2以及Cki和Ck2都不可能完全相等，因此，积分电容的输出电压不能直接准确地反映传感器电容变化量△(。本发明采用了交叉采样二次求和的全差分电路结构，参考电容Cki和Ck2的失配，以及Csi与Cki和Cs2与Ck2不完全相等，对最终结果都没有任何影响，电路输出端的电压差能准确反映传感器电容之差AC(即Csi-Cs2)。 参考电容的引入主要是为了抵消一部分传感电容上所带的电荷，以防止积分器饱和(输出电压超出全差分跨导运算放大器的输出摆幅)，这样有利于提高电路的增益和动态范围。此外，电路还采用了相关双采样技术，可以抑制电路的失调和低频Ι/f噪声，以提高电容分辨率。如图1所以，当电容型传感器受到外力的驱动时，差分电容会差分地变化，通过电荷的转移和重分配，这种差分变化的电容△(可以转化为差分电压输出。考虑工艺偏差等影响，Csi, CS2、Cei和Ck2不完全相等，令传感器处于平衡时传感电容为Cstl，共模电压一般为 VCM = Vdd/2，电路的具体工作过程如下所述DO1相受O1控制的开关闭合，其余开关断开。等效电路如图2所示电容Csi上的电荷为Qcsi = (Cso+ Δ C) (Vdd-VCM) = (Cso+ Δ C) VCM (1)电容Q2上的电荷为Qcs2 = (Cso- Δ C) (Vdd-VCM) = (Cso- Δ C) VCM (2)电容Cki和Ck2上的电荷为Qcei = -Cei · VCM (3)
Qce2 = -Ce2 · VCM (4)失调消除电容Cd (由于图1中Cdi = Cd2，不用分开考虑，故图2中全用Cd代替)上的电荷为Qcd = Cd(Vocm-VCM) (5)其中Vra为跨导运算放大器的共模输出电压。2) Φ2相受Φ2控制的开关闭合，其余开关断开。电路连接如图3所示。电容Csi、Cs2、Cki和Ck2上的电荷均为0，它们的电荷都转移到了积分电容C1上(全差分电路设计中需保证积分电容匹配，及图1中C11 = C12，C13 = C14，故积分电容全用C1代替)，Cdi和Cd2上的电荷保持不变，与O1相的状态相同。Von = (Cso+ Δ C-Cei) · VCM/Q (6)Vop = (Cso- Δ C-Ce2) · VCMZC1 (7)3) Φ3相受Φ3控制的开关闭合，其余开关断开。电路连接如图4所示。电容Csi上的电荷为Qcsi = - (Cso+ Δ C) VCM (8)电容Q2上的电荷为Qcs2 = - (Cso- Δ C) VCM (9)电容Cki和Ck2上的电荷为Qcei = Cei · (Vdd-VCM) = Cei · VCM (10)Qce2 = Ce2 · (Vdd-VCM) = Ce2 · VCM (11)此时，电容Cdi和Cd2和C1上的电荷保持不变，与Φ2相的状态相同。4) Φ4相受Φ4控制的开关闭合，其余开关断开。电路连接如图5所示。同Φ2相，电容Csi+Δ C、Cs2-Δ C、Cki和CK2上的电荷均为0，它们的电荷都转移到了积分电容C1上，且在C1上完成了电荷的求和，Cdi和Cd2上的电荷保持不变，与其它相的状态相同，在不考虑电荷注入的情况下，积分电容上的电荷分别为Qcin = (Cso+ Δ C) VCM-CeiVCM- (Cso- Δ C) VCM+CE1VCM = 2 Δ C · VCM (12)Qcip = (Cso- Δ C) VCM-Ce2VCM- (Cso+ Δ C) VCM+CE2VCM = 2 Δ C · VCM (13)Von=^VcM(14)
权利要求
1.一种交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，为对称的电路结构，主要包括 一对差分变化的电容传感器，具有传感器电容Csi和Cs2 ；两个大小可调的参考电容阵列Cki和Ck2，且Cki = Ce2 用于消除读出电路失调和抑制低频噪声的电容Cdi和电容Cd2，且Cdi = Cd2 ； 两个对称的大小可调的积分电容阵列，分别由用于存储转移电荷的积分电容C11和C12， 以及用于调节电路增益的积分电容C13和C14组成； 一个全差分跨导运算放大器； 其中电容Csi的一端接共模电压，另一端同开关1、开关2、开关9和开关11相连，开关1的另一端接电源，开关2的另一端接公共端；开关1和开关2用于为传感器电容Csi充电；参考电容阵列Cki的一端接共模电压，另一端连接开关3、开关4和开关10的一端，开关3的另一端接公共端，开关4的另一端接电源，开关3和开关4用于为参考电容阵列Cki 充电；开关9、开关10和开关12的另一端同电容Cdi的一端相连；开关15和开关16的一端同电容Cdi与用于电荷转移的开关9、开关10和开关12相连接的一端相连接，开关16的另一端连接共模电压；消除失调和抑制低频噪声的电容Cdi与开关19的一端连接全差分跨导的正相输入端； 开关15和开关19的另一端连接积分电容C11和积分电容C13的一端，积分电容C13的另一端连接开关22的一端，积分电容C11的另一端与开关22的另一端连接全差分跨导运算放大器的反相输出端；开关21跨接在积分电容C11的两端；Cs2的一端接共模电压，另一端同开关5、开关6、开关12和开关14相连，开关5的另一端接公共端，开关6的另一端接电源；开关5和开关6用于为传感器电容Cs2充电；参考电容阵列Ck2的一端接共模电压，另一端连接开关7、开关8和开关13的一端，开关7的另一端接电源，开关8的另一端接公共端，开关7和开关8用于为参考电容阵列Ck2 充电；开关11、开关13和开关14的另一端同电容Cd2的一端相连；开关17和开关18的一端同电容Cd2与用于电荷转移的开关11、开关13和开关14相连接的一端相连接，开关17的另一端连接共模电压；消除失调和抑制低频噪声的电容Cd2与开关20的一端连接全差分跨导的反相输入端； 开关18和开关20的另一端连接积分电容C12和积分电容C14的一端，积分电容C14的另一端同开关23的一端连接，积分电容C12与开关23的另一端连接全差分跨导运算放大器的正相输出端；开关M跨接在电容C12的两端。 存储转移电荷的积分电容C11和C12，
2.根据权利要求1所述交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，其中，用于给传感器电容充电的开关1和开关6的控制端由时钟O1控制；开关2和开关5的控制端由时钟相 Φ3控制。
3.根据权利要求1所述交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，其中，用于为参考电容阵列充电的开关3和开关8由时钟Cl^1控制；开关4和开关7由时钟相Φ3控制。
4.根据权利要求1所述交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，其中，用于电荷转移的开关9和开关14由时钟相Φ2控制；开关11和开关14由时钟相Φ4控制；开关10、开关 13、开关15和开关18由时钟相Φ4共同控制，当02或Φ4相为高电平时开关闭合。
5.根据权利要求1所述交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，其中，开关16和开关 17由时钟相O1控制。
6.根据权利要求1所述交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，其中，开关19、开关 20、开关21和开关M用于为全差分跨导运算放大器输入端提供直流偏置。
全文摘要
一种交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，为对称的电路结构，包括用于给传感器电容充电的开关1、2、5、6，参考电容阵列CR1和CR2，以及用于给参考电容阵列充电的开关3、4、7、8，用于电荷转移的开关9、10、11、12、13、14、15、18，用于消除失调和抑制低频噪声的电容CD1和CD2，以及为电路提供直流工作点的开关16和17，全差分跨导运算放大器，用于存储转移电荷的积分电容CI1和CI2，用于调节电路增益的积分电容CI3、CI4和开关22和23，以及用于为全差分跨导输入端提供直流偏置的开关19、20、21、24，整个读出电路由4相非交叠时钟电路控制。
文档编号G01P15/125GK102297688SQ20101021846
公开日2011年12月28日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者吴其松, 尹韬, 张翀, 杨海钢 申请人:中国科学院电子学研究所