一种mems加速度传感器伺服读出电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种MEMS加速度传感器伺服读出电路，包括读出放大电路、参考电压源、环路滤波补偿电路、采样/保持缓冲器、动态锁存比较器和多相时钟源，多相时钟源的输出端与读出放大电路、环路滤波补偿电路相连，待测电容的上下极板与多相时钟源相连，待测电容中间极板与读出放大电路相连；读出放大电路的输出端与环路滤波补偿电路的输入端相连，环路滤波补偿电路的输出端分别与采样/保持缓冲器的输入端、动态锁存比较器的输入端相连，采样/保持缓冲器的输出电压信号，动态锁存比较器的输出端与多相时钟源的输入端相连，参考电压源与读出放大电路相连。本发明通过相关双采样技术消除了失调电压，实现了电容的高精度检测。
【专利说明】-种MEMS加速度传感器伺服读出电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种MEMS加速度传感器伺服读出电路。
【背景技术】
[0002] 随着微型机电系统技术的日益成熟，MEMS电容式传感器应运而生，体积小、响应 快、功耗低和易于集成是它们专有的优点，关于MEMS传感器的研究和设计越来越得到重 视，MEMS传感器在民用与军用均有广泛的应用。MEMS传感器后端的检测电路是非常重要的 一部分，高精度、高动态范围的读出电路能将信号最大限度传给后端检测电路。
[0003] MEMS传感器可等效为一对差分变化待测电容，待测物理量的大小通过电容变化量 直接反映。因为MEMS电容传感器电容变化量非常的小，一般在KT 18-1(T12F左右，所以对传 感器的检测电路提出了更高的要求。电容检测电路的等效输入噪声水平决定了其所能检测 的最小信号幅度，所以设计高精度的关键是设计低噪声的读出电路。
[0004] 电容读出电路主要有三种：一是使用调制/解调技术的连续时间电压读出电路； 二是基于运算跨导放大器的连续时间电流读出电路；三是开关电容电荷读出电路。连续时 间电压检测电路难点是运算放大器输入端与待测电容连接端共模偏置电压的实现，这个连 接节点一端连接电容极板，另一端连接运算放大器输入对管，输入对管没有电流，所以为高 阻节点，很难确立其直流电平。连续时间电流检测电路难点是反馈电阻的实现，为了满足检 测灵敏度要求，通常该电阻要达到ι〇 9Ω数量级。而开关电容电荷读出电路结构简单、容易 实现，从而被广泛的采用，但是其缺点为电路中有效信号通过读出放大电路采样与保持，变 为时间上离散信号，而且有很大一部分高频噪声折叠到信号通带内，限制开关电容电荷读 出电路的精度。
[0005] 图1为现在技术中电容传感器读出电路结构示意图，通过读出放大电路11、低通 滤波器12、输出缓冲器13用以检测电容变化，通过读出放大电路将电容变化转换为电压变 化，然后通过低通滤波器滤波，缓冲器输出，这种读出电路结构不能满足MEMS传感器检测 要求，由于其电容变化非常微弱，这种电路结构无法检测KT 18-1(T12F电容变化，而且在后端 处理电路时需要模数转换器做进一步的分析，所以在MEMS加速度传感器下，开环检测电路 动态范围不能满足要求，无法用以检测MEMS加速度传感器电容变化。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种精度高、动态范围高的MEMS加速度传感 器伺服读出电路。
[0007] 本发明解决上述问题的技术方案是：一种MEMS加速度传感器伺服读出电路，包括 读出放大电路、参考电压源、环路滤波补偿电路、采样/保持缓冲器、动态锁存比较器和多 相时钟源，所述多相时钟源的输出端与读出放大电路、环路滤波补偿电路相连，待测电容的 上下极板与多相时钟源相连，待测电容中间极板与读出放大电路相连；读出放大电路的输 出端与环路滤波补偿电路的输入端相连，环路滤波补偿电路的输出端分别与采样/保持缓 冲器的输入端、动态锁存比较器的输入端相连，采样/保持缓冲器的输出端输出与待测电 容成正比的电压信号，动态锁存比较器的输出端与多相时钟源的输入端相连，所述参考电 压源与读出放大电路相连。
[0008] 上述MEMS加速度传感器伺服读出电路还包括杂散电容补偿阵列，所述杂散电容 补偿阵列具有三个输出端口，第一输出端口与第三输出端口分别连接待测电容上极板与下 极板，第二输出端口连接待测电容中间极板。
[0009] 上述MEMS加速度传感器伺服读出电路中，所述参考电压源包括基准电压源、缓 冲器、运算放大器、第一电阻和第二电阻，基准电压源输出基准电压，缓冲器的输入端与基 准电压源的输出端相连，电压缓冲器的输出端经第一电阻后与运算放大器的反相输入端相 连，运算放大器的同相输入端接地，第二电阻的一端与运算放大器的反相输入端相连，另一 端与运算放大器的输出端相连，运算放大器的输出端与读出放大电路相连。
[0010] 上述MEMS加速度传感器伺服读出电路还包括环路补偿寄存器，所述环路补偿寄 存器与环路滤波补偿电路相连。
[0011] 本发明的有益效果在于：本发明将离散信号转换为携带加速度信号的数字比特流 输出，通过相关双采样技术消除了失调电压，实现了电容的高精度读出；本发明同时集成 设计了一个大于l〇bit数模转换器，通过数字闭环反馈可以准确抵消重力加速度的影响； 8bit杂散电容补偿阵列，可以补偿MEMS待测电容阵列，数模转换器和杂散电容补偿阵列提 1? 了检测电路动态范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为现有技术中读出电路的结构示意图。
[0013] 图2为本发明的结构示意图。
[0014] 图3为本发明杂散电容补偿阵列的电路结构示意图。
[0015] 图4为本发明参考电压源的电路结构示意图。
[0016] 图5为本发明读出放大电路的电路结构示意图。
[0017] 图6为本本发明环路滤波补偿电路的电路结构示意图。。
[0018] 图7为本发明的工作流程图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是，描绘的实施例 只是为了加深对本发明的理解，不会对其起限定作用。
[0020] 如图2所示，本发明包括读出放大电路1、环路滤波补偿电路2、动态锁存比较器3、 采样/保持缓冲器4、参考电压源5、杂散电容补偿阵列6、多相时钟源7、环路补偿寄存器9 和补偿电容寄存器10,所述环路补偿寄存器9与环路滤波补偿电路2相连。
[0021] 多相时钟源7的输出端与读出放大电路1、环路滤波补偿电路2相连，为读出放大 电路1及环路滤波补偿电路2提供工作时序；待测电容的上下极板与多相时钟源7相连，多 相时钟源7生成方波，加到待测电容的上下极板，实现调制，多相时钟源7利用内部同步单 元电路，用以实现多相时钟信号做同步处理。
[0022] 如图3所示，图3为本发明杂散电容补偿阵列6的电路结构示意图。CO - C8为可 编程电容阵列，除C8外，它们分别通过CMOS传输门开关与上、下极板相连，传输门受图中左 侧8bit (bO - b7)信号控制，比如C0可以通过开关bO与上极板相连，也可以通过开关bO' 与下极板相连，bO、bO'都为CMOS传输门，它们有且只有一个导通，因此当bO导通时，⑶并 联在上极板中间极板之间，否则并联在下极板与中间极板之间。为模拟MEMS电容变化时， 加速度传感器伺服读出电路输出结果将发生相应变化，这里可以改变8bit补偿电容阵列， 来获得改变MEMS电容的大小，MEMS电容差的大小线性变化，那么读出放大器的输出也将线 性变化，这可以不用连接MEMS传感器则可以对加速度传感器伺服读出电路进行测试，杂散 电容补偿阵列6增大了补偿电容阵列的数字位数，当同样电容下，那么每一步长电容就越 小，用以补偿MEMS加速度传感器上、中、下相邻极板之间寄生电容不相等，让质量块在维持 在上下极板中心位置。
[0023] 如图4所示，参考电压源5,用以产生低噪声低温漂基准电压源、低温漂系数电流 源。参考电压源5包括基准电压源68、缓冲器69、运算放大器70、电阻&和电阻R 2，基准电 压源68通过缓冲器69产生基准电压vrefp，vrefp通过电阻&作用于运算放大器70的反 相输入端，故输出电压与vrefp反相。电阻R 2跨接在运算放大器70的输出端和反相输入 端，电阻札和电阻R2的阻值相等，则引入了电压并联负反馈，运算放大器70的同相输入端 交流接地，则可得运算放大器70输出端与读出放大电路相连，其输出电压为vrefn ;参考电 压源5输出和温度关系可以调节，用以实现整个加速度传感器读出电路灵敏度最优化。
[0024] 读出放大电路1用以将MEMS传感器差分电容变化转变为电压变化，如图5所示， 待测电容中间极板与差分放大器S31反相输入端相连，同时差分放大器S31与第一电容Cf 构成电荷积分器，用以检测差分电容变化而形成的转移电荷，输出同待测电容成正比例的 调幅信号，第一开关S14连接待测电容上极板与电压vdd，第二开关S19连接待测电容下极 板与vss，第三开关S17连接待测电容上极板与共模电压gnd，第四开关S22连接待测电容 下极板与共模电压gnd，第5开关到第14开关S15、S16、S20、S21、S24、S25、S26、S28、S29、 S30周期性导通将差分放大器S31的输入端和输出端与外部参考电压相连，完成周期的置 位，实现了对MEMS电容的检测，差分放大器S31输出信号Vx，即输出同待测电容成正比的电 压信号。多相时钟源7输出数字时序信号控制第一开关S1到第14开关。由于待测MEMS电 容的频率往往是位于低频段，为了提高读出电路的精度必须要降低读出电路的低频噪声。 低频噪声以晶体管闪烁噪声为主，相关双采样是最为有效消除闪烁噪声的方式之一。但是 通过复杂电路实现相关双采样会引入过多的热噪声，显然不可取，本发明提供的相关双采 样方法简单，联合运算放大器S31，可以将整个读出电路的噪声水平降至最低。读出放大电 路1产生同待测电容成正比的输出电压，该输出电压可由下面公式确定：
[0025]
【权利要求】
1. 一种MEMS加速度传感器伺服读出电路，其特征在于：包括读出放大电路、参考电压 源、环路滤波补偿电路、采样/保持缓冲器、动态锁存比较器和多相时钟源，所述多相时钟 源的输出端与读出放大电路、环路滤波补偿电路相连，待测电容的上下极板与多相时钟源 相连，待测电容中间极板与读出放大电路相连；读出放大电路的输出端与环路滤波补偿电 路的输入端相连，环路滤波补偿电路的输出端分别与采样/保持缓冲器的输入端、动态锁 存比较器的输入端相连，采样/保持缓冲器的输出端输出与待测电容成正比的电压信号， 动态锁存比较器的输出端与多相时钟源的输入端相连，所述参考电压源与读出放大电路相 连。
2. 如权利要求1所述的MEMS加速度传感器伺服读出电路，其特征在于：还包括杂散电 容补偿阵列，所述杂散电容补偿阵列具有三个输出端口，第一输出端口与第三输出端口分 别连接待测电容上极板与下极板，第二输出端口连接待测电容中间极板。
3. 如权利要求1或2所述的MEMS加速度传感器伺服读出电路，其特征在于：所述参考 电压源包括基准电压源、缓冲器、运算放大器、第一电阻和第二电阻，基准电压源输出基准 电压，缓冲器的输入端与基准电压源的输出端相连，电压缓冲器的输出端经第一电阻后与 运算放大器的反相输入端相连，运算放大器的同相输入端接地，第二电阻的一端与运算放 大器的反相输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连，运算放大器的输出端与读出 放大电路相连。
4. 如权利要求3所述的MEMS加速度传感器伺服读出电路，其特征在于：所述读出放大 电路上集成有8bit电容补偿阵列。
【文档编号】G01P15/125GK104049109SQ201410319269
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】金湘亮, 刘孟良 申请人:湘潭大学