基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，包括振荡器，其输出端与待测差分电容的中间极板相连；全差分运放单元，其同相输入端、反相输入端分别连接待测差分电容的上极板、下极板；开关电容低通滤波器，其输入端与全差分运放单元的输出端相连；可调增益缓冲器，其输入端与开关电容低通滤波器的输出端相连，其输出端输出同待测电容值成正比的差分电压信号。本发明在全差分运放单元的输入端和输出端设有斩波开关，利用斩波稳定调制技术，降低了读出电路的低频噪声，实现了高精度的电容读出。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电容检测读出电路，特别涉及一种基于全差分开关电容原理的电 容式传感器检测读出电路。 基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路
【背景技术】
[0002] 由于微机电系统（MEMS)技术取得了很大的进步，电容式微机电传感器得以广泛 的应用，它体积小、响应快、功耗低和易于集成的优点，使得国际学术与工业界对它的关注 度越来越高。采用该技术研究得到的压力传感器、加速度传感器和角速度计等产品在民用 与军用领域均得到了很大的应用。
[0003] 传感器通常可以等效为一对差分电容，其电容的变化量直接反应了外界待测电容 物理量的大小。微机电传感器输出的电容信号非常微弱，一般仅在0. OlpF数量级，这样对 读出电路提出了更高的设计要求。读出电路的噪声水平决定了能够检测的最小电容，低噪 声的读出电路设计成为了实现高分辨的关键。
[0004] 目前针对电容读出电路的设计分为以下三个方式：连续时间电压式、连续时间电 流式和开关电容式。开关电容式因为其主要电路结构简单、兼容性好，所以被广泛的使用。 在开关电容检测电路中由于使用了开关进行周期性采样与保持，所以在时间上是离散，使 得很大一部分的噪声会折叠到信号的通带内，限制了读出电路的精度。连续时间读出电路 噪声优越性，通过各种噪声消除技术，可以实现仅有的热噪声与信号发生了混叠，连续时间 电流读出方式的难点在于反馈电阻的实现，连续时间电压式电容读出电路的设计难点在于 其与待测电容连接的偏置实现。
[0005] 差分电容寄生电容的问题必会对高精度电容读出提出了更加苛刻的要求，这是在 很多应用领域中存在的共同问题，给电容读出的设计带来了不小的挑战。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够消除低频噪声实现高精度读出的基 于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路。
[0007] 本发明解决上述问题的技术方案：一种基于全差分开关电容原理的电容式传感器 检测读出电路，包括用于产生时钟信号的振荡器，其输出端与待测差分电容的中间极板相 连；全差分运放单元，其同相输入端、反相输入端分别连接待测差分电容的上极板、下极板， 其输出端输出同待测电容值成正比的调幅电压信号；开关电容低通滤波器，其输入端与全 差分运放单元的输出端相连，其输出端输出同待测电容值成正比的差分电压信号；可调增 益缓冲器，其输入端与开关电容低通滤波器的输出端相连，其输出端输出同待测电容值成 正比的差分电压信号；电压参考源，用于产生两路基准电压；所述全差分运放单元的输入 端和输出端设有斩波开关。
[0008] 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路中，所述电压参考源 的输出端与待测差分电容的中间极板之间设有第一单刀双掷开关，第一单刀双掷开关具有 两个不动端和一个动端，其两个不动端分别连接电压参考源，其动端连接待测差分电容的 中间极板，所述振荡器的输出端与第一单刀双掷开关的动端相连。
[0009] 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路还包括第一电容补 偿阵列、第二电容补偿阵列、第二单刀双掷开关和第五开关，所述第五开关、第二电容补偿 阵列、第一电容补偿阵列依次相连后串接于待测差分电容的上极板与下极板之间，所述第 二单刀双掷开关具有两个不动端和一个动端，其两个不动端分别连接第一单刀双掷开关的 两个不动端，其动端连接于第一电容补偿阵列与第二电容补偿阵列之间，所述振荡器的输 出端与第二单刀双掷开关的动端相连。
[0010] 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路中，所述第一单刀双 掷开关与第二单刀双掷开关构成一个单联双控开关。
[0011] 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路还包括第一电容和 第二电容，所述第一电容的一端与全差分运放单元的同相输入端相连，另一端与全差分运 放单元的第一输出端相连，所述第二电容的一端与全差分运放单元的反相输入端相连，另 一端与全差分运放单元的第二输出端相连。
[0012] 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路还包括第十二开关 和第十三开关，所述第十二开关与第一电容并联，所述第十三开关与第二电容并联。
[0013] 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路中，所述全差分运放 单元输入端的斩波开关包括第八开关、第九开关、第十开关和第十一开关，所述第八开关位 于待测差分电容的上极板与全差分运放单元的同相输入端之间，所述第九开关位于待测差 分电容的上极板与全差分运放单元的反相输入端之间，所述第十开关位于待测差分电容的 下极板与全差分运放单元的同相输入端之间，所述第十一开关位于待测差分电容的下极板 与全差分运放单元的反相输入端之间。
[0014] 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路中，所述全差分运放 单元输出端的斩波开关包括第十四开关、第十五开关、第十六开关和第十七开关，所述第 十四开关位于全差分运放单元的第一输出端与开关电容低通滤波器的第一输入端之间，所 述第十五开关位于全差分运放单元的第一输出端与开关电容低通滤波器的第二输入端之 间，所述第十六开关位于全差分运放单元的第二输出端与开关电容低通滤波器的第一输入 端之间，所述第十七开关位于全差分运放单元的第二输出端与开关电容低通滤波器的第二 输入端之间。
[0015] 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路还包括第十八开关 和第十九开关，所述第十八开关位于全差分运放单元的反相输入端与电压参考源的输出端 之间，所述第十九开关位于全差分运放单元的同相输入端与电压参考源的输出端之间。 [0016] 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路还包括时序控制电 路，时序控制电路的输入端与振荡器的输出端相连，时序控制电路的输出端分别与第八开 关、第九开关、第十开关、第i^一开关、第十二开关、第十三开关、第十四开关、第十五开关、 第十六开关、第十七开关、第十八开关、第十九开关的控制端相连。
[0017] 本发明的有益效果在于：
[0018] 1、本发明在全差分运放单元的输入端和输出端设有斩波开关，利用斩波稳定调制 技术，降低了读出电路的低频噪声，实现了高精度的电容读出；
[0019] 2、本发明在全差分运放单元的输出端设有开关电容低通滤波器，通过开关电容低 通滤波器可以滤除斩波开关调制到高频的低频噪声与失调电压，达到降低噪声的目的；
[0020] 3、本发明电压参考源的温漂系数为10ppm/°C，能够有效控制参考电压值不随温度 的变化而发生变化，以便实现整个读出电路的最优化。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的整体电路图。
[0022] 图2为本发明开关电容低通滤波器的电路图。
[0023] 图3为本发明可调增益缓冲器的电路图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0025] 如图1所示，本发明包括全差分运放单元1、开关电容低通滤波器2、可调增益缓冲 器3、时序控制电路4、振荡器5、电压参考源6、单联双控开关、电容补偿阵列CR1、电容补偿 阵列CR2、电容cl、电容c2。
[0026] 所述单联双控开关由两个单刀双掷开关组成，第一单刀双掷开关具有两个不动端 sl、s2和一个动端，第二单刀双掷开关也具有两个不动端s3、s4和一个动端，第一单刀双掷 开关的两个不动端si、s2分别连接第二单刀双掷开关的两个不动端s3、s4,第一单刀双掷 开关的动端连接待测差分电容的中间极板，振荡器5产生4路控制时钟连接到两个单刀双 掷开关。
[0027] 所述待测差分电容的上极板与下极板之间设有电容补偿阵列CR1、电容补偿阵列 CR2和开关s5,开关s5、电容补偿阵列CR2、电容补偿阵列CR1依次相连后串接于待测差分 电容的上极板与下极板之间，所述第二单刀双掷开关的动端连接于电容补偿阵列CR2与电 容补偿阵列CR1之间，两个单刀双掷开关受振荡器5的时钟和电压参考源6的影响，在电压 参考源6的两个基准电压之间切换，产生了一个方波信号，加载到待测差分电容的中间极 板，方波信号的高低电压分别为电压参考源6的V H与'两个基准电压，作为斩波开关的调 制信号，信号的峰峰值VP。电容补偿阵列CR2和电容补偿阵列CR1能够防止待测差分电容 上、中、下极板寄生电容不相等而造成质量块偏离上、下极板中心位置。
[0028] 所述振荡器5用于产生时钟信号，同时输入到时序控制电路4和单联双控开关；振 荡器5采用了一种传统的电路结构，产生时钟频率为200kHz，有利于充分发挥斩波降噪的 性能。
[0029] 全差分运放单元1具有两个输入端和两个输出端，其同相输入端、反相输入端分 别经开关s7、开关s6连接到待测差分电容的上极板、下极板，电容cl跨接在全差分运放单 元1的同相输入端和第一输出端之间，电容cl上并接有一个开关sl2,所述电容c2跨接在 全差分运放单元1的反相输入端和第二输出端之间，电容c2上并接有一个开关sl3,全差分 运放单元1与电容cl、电容c2构成电荷积分器，使得全差分运放单元1输出同待测电容值 成正比的调幅电压信号，开关sl2与器件sl3分别将全差分运放单元1的输出端与输入端 相连，周期开启，用以置位全差分运放单元1的输出端直流电平，全差分运放单元1的同相 输入端和反相输入端分别通过开关sl9、开关sl8与电压参考源6连接，开关sl9、开关sl8 周期开启，用以置位全差分运放单元1的输入端直流电平。
[0030] 全差分运放单元1的输入端和输出端设有斩波开关，输入端的斩波开关包括开关 s8、开关s9、开关slO、开关sll，所述开关s8位于待测差分电容的上极板与全差分运放单 元1的同相输入端之间，所述开关s9位于待测差分电容的上极板与全差分运放单元1的反 相输入端之间，所述开关slO位于待测差分电容的下极板与全差分运放单元1的同相输入 端之间，所述开关sll位于待测差分电容的下极板与全差分运放单元1的反相输入端之间， 开关s8、开关s9、开关slO、开关sll每半个驱动信号周期相继开启，用以实现对输入电容 信号的调制；输出端的斩波开关包括开关sl4、开关sl5、开关sl6和开关sl7,所述开关sl4 位于全差分运放单元1的第一输出端与开关电容低通滤波器2的第一输入端之间，所述开 关sl5位于全差分运放单兀1的第一输出端与开关电容低通滤波器2的第二输入端之间， 所述开关sl6位于全差分运放单元1的第二输出端与开关电容低通滤波器2的第一输入端 之间，所述开关sl7位于全差分运放单元1的第二输出端与开关电容低通滤波器2的第二 输入端之间，开关sl4、开关sl5、开关sl6和开关sl7每半个驱动信号周期相继开启，用以 实现了全差分运放单元1输出的调幅信号的全波整形。
[0031] 开关电容低通滤波器2,其具有两个输入端和两个输出端，其两个输入端分别全 差分运放单元1的两个输出端相连，其两个输出端输出同待测电容值成正比的差分电压 信号，通过改变电容的大小调整开关电容低通滤波器2的带宽，实现可调整范围500- 8000Hz ；
[0032] 可调增益缓冲器3,增大输出电压的带负载能力，增益大小变化范围为2或者4,其 具有两个输入端和两个输出端，其两个输入端分别与开关电容低通滤波器2的两个输出端 相连，其两个输出端输出同待测电容值成正比的差分电压信号；
[0033] 电压参考源6,用于产生两路低温漂系数基准电压和基准电流，其输出端分别与单 联双控开关、开关电容低通滤波器2、可调增益缓冲器3相连，电压参考源6的温漂系数为 10ppm/°C,以实现整个读出电路的最优化。
[0034] 时序控制电路4,输出数字时序用以控制全差分运放单元1、开关电容低通滤波器 2中开关的开启与关闭；时序控制电路4的输入端与振荡器5的输出端相连，接收振荡器5 输出的时钟信号，时序控制电路4的输出端分别与开关s6、开关s7、开关s8、开关s9、开关 slO、开关sll、开关sl2、开关sl3、开关sl4、开关sl5、开关sl6、开关sl7、开关sl8、开关 sl9的控制端相连，实现了调制功能，提供上述开关的控制信号。对于开关s6、开关s7,控 制信号相同，均为周期性窄脉冲信号；开关sl8、开关sl9,控制信号相同，均为周期性窄脉 冲信号；对于开关s 12、开关s 13,控制信号相同，为占空比为50%和驱动信号同相的方波信 号；开关s8、开关s9、开关slO、开关sll、开关sl4、开关sl5、开关sl6、开关sl7,控制信号 相同。
[0035] 由于传感器的有效信号一般位于低频段，所以需要降低读出电路的低频噪声，这 是提高精度的最直接的手段。读出电路的低频噪声主要为晶体管闪烁噪声，斩波稳定技术 是最为有效的消除闪烁噪声的方式之一。如果使用复杂的斩波技术会引入过多的热噪声， 显然不能取。
[0036] 本发明中提供的斩波稳定方法均比较简单，在设计低噪声的全差分运算放大器这 样可以将读出电路的噪声水平降至更低。通过在待测差分电容的中间极板加载周期方波电 压，这样使得待测电容中间极板产生转移电荷，这个产生的转移电荷在电容Cl、电容C2上 积分，全差分运放单元1输出的调幅信号，输出电压的关系如下所示：
[0037]
【权利要求】
1. 一种基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，其特征在于：包括用 于产生时钟信号的振荡器，其输出端与待测差分电容的中间极板相连；全差分运放单元，其 同相输入端、反相输入端分别连接待测差分电容的上极板、下极板，其输出端输出同待测电 容值成正比的调幅电压信号；开关电容低通滤波器，其输入端与全差分运放单元的输出端 相连，其输出端输出同待测电容值成正比的差分电压信号；可调增益缓冲器，其输入端与开 关电容低通滤波器的输出端相连，其输出端输出同待测电容值成正比的差分电压信号；电 压参考源，用于产生两路基准电压；所述全差分运放单元的输入端和输出端设有斩波开关。
2. 如权利要求1所述的基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，其 特征在于：所述电压参考源的输出端与待测差分电容的中间极板之间设有第一单刀双掷 开关，第一单刀双掷开关具有两个不动端和一个动端，其两个不动端分别连接电压参考源， 其动端连接待测差分电容的中间极板，所述振荡器的输出端与第一单刀双掷开关的动端相 连。
3. 如权利要求2所述的基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，其特 征在于：还包括第一电容补偿阵列、第二电容补偿阵列、第二单刀双掷开关和第五开关，所 述第五开关、第二电容补偿阵列、第一电容补偿阵列依次相连后串接于待测差分电容的上 极板与下极板之间，所述第二单刀双掷开关具有两个不动端和一个动端，其两个不动端分 别连接第一单刀双掷开关的两个不动端，其动端连接于第一电容补偿阵列与第二电容补偿 阵列之间，所述振荡器的输出端与第二单刀双掷开关的动端相连。
4. 如权利要求3所述的基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，其特 征在于：所述第一单刀双掷开关与第二单刀双掷开关构成一个单联双控开关。
5. 如权利要求3所述的基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，其特 征在于：还包括第一电容和第二电容，所述第一电容的一端与全差分运放单元的同相输入 端相连，另一端与全差分运放单元的第一输出端相连，所述第二电容的一端与全差分运放 单元的反相输入端相连，另一端与全差分运放单元的第二输出端相连。
6. 如权利要求5所述的基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，其特 征在于：还包括第十二开关和第十三开关，所述第十二开关与第一电容并联，所述第十三开 关与第二电容并联。
7. 如权利要求6所述的基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，其 特征在于：所述全差分运放单元输入端的斩波开关包括第八开关、第九开关、第十开关和 第十一开关，所述第八开关位于待测差分电容的上极板与全差分运放单元的同相输入端之 间，所述第九开关位于待测差分电容的上极板与全差分运放单元的反相输入端之间，所述 第十开关位于待测差分电容的下极板与全差分运放单元的同相输入端之间，所述第十一开 关位于待测差分电容的下极板与全差分运放单元的反相输入端之间。
8. 如权利要求7所述的基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，其特 征在于：所述全差分运放单元输出端的斩波开关包括第十四开关、第十五开关、第十六开关 和第十七开关，所述第十四开关位于全差分运放单元的第一输出端与开关电容低通滤波器 的第一输入端之间，所述第十五开关位于全差分运放单元的第一输出端与开关电容低通滤 波器的第二输入端之间，所述第十六开关位于全差分运放单元的第二输出端与开关电容低 通滤波器的第一输入端之间，所述第十七开关位于全差分运放单元的第二输出端与开关电 容低通滤波器的第二输入端之间。
9. 如权利要求8所述的基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，其特 征在于：还包括第十八开关和第十九开关，所述第十八开关位于全差分运放单元的反相输 入端与电压参考源的输出端之间，所述第十九开关位于全差分运放单元的同相输入端与电 压参考源的输出端之间。
10. 如权利要求9所述的基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，其 特征在于：还包括时序控制电路，时序控制电路的输入端与振荡器的输出端相连，时序控 制电路的输出端分别与第八开关、第九开关、第十开关、第十一开关、第十二开关、第十三开 关、第十四开关、第十五开关、第十六开关、第十七开关、第十八开关、第十九开关的控制端 相连。
【文档编号】G01D5/24GK104101368SQ201410319854
【公开日】2014年10月15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