一种电容型传感器接口电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电容型传感器接口电路，包括：MEMS电容驱动电路、直流稳定电路、第一级缓冲放大器、差分差值放大器和解调电路。使用本发明提出的电容型传感器接口电路，通过连续型检测电路，在相同的功耗条件下降低了电路噪声。
【专利说明】一种电容型传感器接口电路
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于电子器件【技术领域】，涉及一种传感器接口电路，具体为电容型MEMS传感器接口电路。
【背景技术】
[0003]在过去的十几年中，单片的电容型微机械传感器被应用得越来越广泛，例如电容型加速度计和电容型陀螺仪。电容型微机电系统(MEMS)传感器的优势在于传感器本身有较低的温度系数，容易兼容标准的CMOS制造技术。
[0004]整体的输出噪声是衡量传感器的一个重要指标,完整的电容型传感器包含MEMS部分和接口电路部分，MEMS和接口电路都对输出噪声有贡献，其中MEMS的噪声主要由空气分子的布朗运动造成，电路的噪声包括器件的热噪声、闪烁噪声等。减小整体的输出噪声是所有类型的传感器所要研究和努力实现的方向，随着MEMS本身噪声的不断减小，目前，电路本身的噪声在商用产品和研究文献中都产生了不可忽略的影响。
[0005]开关电容电路是电容型传感器接口电路中使用最多的电路结构，这类的电路结构有很好的鲁棒性，但是较高的κτ/c电路热噪声和开关电路中噪声的混叠，都导致了这类电路比连续检测电路的电路噪声更高。
【发明内容】
[0006]发明目的:针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种电容型传感器接口电路，通过连续型检测电路，在相同的功耗条件下降低电路噪声。
[0007]技术方案:一种电容型传感器接口电路，包括:
MEMS电容驱动电路，所述MEMS电容驱动电路与MEMS电容连接，用于调制加在MEMS电容上的交流激励信号，便于正常检测电容的变化；
直流稳定电路，所述直流稳定电路与MEMS电容连接和第一级缓冲放大器连接，用于稳定与接口电路接点的直流电压，避免由于MEMS电容没有直流通路，导致电路进入不正常的工作状态；
第一级缓冲放大器，用于优化输入级的噪声并提供一定的增益；
差分差值放大器，所述差分差值放大器与第一级缓冲放大器连接，用于动态消除直流和交流失调；
解调电路，所述解调电路与差分差值放大器连接，用于将调制的高频信号解调到低频。
[0008]所述MEMS电容驱动电路为方波驱动电路；所述方波驱动电路由开关S1、S2、S3和S4组成，该电路的斩波频率为几十到几百KHZ。
[0009]所述直流稳定电路由直流偏置开关S5和S6组成，所述直流偏置开关每隔16个时钟周期导通一次，将开关引起的噪声混叠减小为开关电容电路的1/16。
[0010]所述第一级缓冲放大器对信号提供小于10倍的放大倍数。
[0011]所述差分差值放大器还包括dc校准通路和ac校准通路，其中dc校准通路用于消除电路本身的直流失调，具有低通特性，这样就不会对信号和ac校准通路产生影响；ac校准通路用于校准MEMS传感器本身带来的失调。
[0012]有益效果:与现有技术相比，本发明具有如下优点:通过连续型检测电路，在相同的功耗条件下降低了电路噪声。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明的电容型传感器接口电路的结构示意图；
图2是本发明的电容型传感器接口电路的整体电路示意图；
图3是本发明的电容型传感器接口电路的两级运算放大器结构示意图；
图4是本发明的电容型传感器接口电路的信号时序示意图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同变换均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0015]如图1所示的电容型传感器接口电路，包括:MEMS电容驱动电路，由于MEMS电容不能通过直流信号，为了正常检测出电容的变化，往往需要在MEMS电容上加上交流激励信号，方波信号通常是最合适的；直流稳定电路，由于MEMS电容没有直流通路，与接口电路接点的直流电压需要专门的直流偏置电路来稳定直流工作点，以免使电路进入不正常的工作状态；第一级缓冲放大器，用于优化输入级的噪声并提供一定的增益；差分差值放大器，用于动态消除直流和交流失调；解调电路，用于将由方波调制的高频信号解调到低频。
[0016]图2为本发明的电容型传感器接口电路的整体电路示意图，图中Csl_Cs4为MEMS电容，开关S1-S4构成了方波驱动电路，当S1、S3导通的时候，S2、S4断开，S1、S3断开的时候，S2、S4导通，这样幅度相同、相位相反的方波信号就施加在了 MEMS两端，即斩波调制。斩波的频率通常选在几十到几百KHz的频率点上，在这个频率段上，布朗噪声起到的主导影响。
[0017]由于MEMS电容不能传递直流信号，那么输入点的直流电压需要另外的偏置电路来实现，途中开关S5、S6即为直流偏置开关，偏置开关每隔16个时钟周期导通一次，将输入点偏置在直流电压Vb上，当偏置开关导通的时候，调制方波暂时停止。每16个时钟周期导通一次的好处在于将开关引起的噪声混叠减小为开关电容电路的1/16。信号时序如图4所
/Jn ο
[0018]信号放大通路采用两级结构，主要目的在于可以优化输入电容大小、噪声和带宽等参数，第一级放大器具有较小的输入电容，第二级放大器可以根据噪声和带宽对输入级进行单独的优化。第一级放大器提供较小的增益，对信号提供小于10倍的放大倍数。第二级放大器的主体结构是一个差分差值放大器，放大器具有三套输入:信号输入、dc校准输入和ac校准输入，其中信号输入连接第一级放大器的信号输出；dc校准通路用来消除电路本身的直流失调，dc反馈通路具有低通特性，这样就不会对信号和ac校准通路产生影响；ac通路用来校准MEMS传感器本身带来的失调。如图3所示的两级运算放大器，信号的输入Vin可以表示为Vsig+Vdc+Vac，经过两级放大器后，输出信号可以表示为:
Vout=AinAmianVsig+ AinAmainVdc/(1+Adc)+AinAmainVac-AcalVcal (I)
由公式I可见，信号的放大倍数为AinAmain,如果Adc足够大，dc失调电压可以被很大程度的衰减，Vcal信号用来消除ac信号带来的失调。
[0019]解调电路由开关S7-S10组成，解调电路将前面斩波调制到高频的信号被解调到低频。这样，残留的dc噪声被调制到高频，最后在输出端通过低通滤波被滤除。
【权利要求】
1.一种电容型传感器接口电路，其特征在于，包括: MEMS电容驱动电路，所述MEMS电容驱动电路与MEMS电容连接，用于调制加在MEMS电容上的交流激励信号； 直流稳定电路，所述直流稳定电路与MEMS电容连接和第一级缓冲放大器连接，用于稳定与接口电路接点的直流电压； 第一级缓冲放大器，用于优化输入级的噪声并提供一定的增益； 差分差值放大器，所述差分差值放大器与第一级缓冲放大器连接，用于动态消除直流和交流失调； 解调电路，所述解调电路与差分差值放大器连接，用于将调制的高频信号解调到低频。
2.如权利要求1所述的电容型传感器接口电路，其特征在于:所述MEMS电容驱动电路为方波驱动电路。
3.如权利要求2所述的电容型传感器接口电路，其特征在于:所述方波驱动电路由S1、S2、S3和S4组成，该电路的斩波频率为几十到几百KHZ。
4.如权利要求1所述的电容型传感器接口电路，其特征在于:所述直流稳定电路由直流偏置开关S5和S6组成，所述直流偏置开关每隔16个时钟周期导通一次。
5.如权利要求1所述的电容型传感器接口电路，其特征在于:所述第一级缓冲放大器对信号提供小于10倍的放大倍数。
6.如权利要求1所述的电容型传感器接口电路，其特征在于:所述差分差值放大器还包括dc校准通路和ac校准通路，其中dc校准通路用于消除电路本身的直流失调，具有低通特性；ac校准通路用于校准MEMS传感器本身带来的失调。
【文档编号】G01D5/24GK104406612SQ201410624541
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】蒋振雷 申请人:无锡纳讯微电子有限公司