一种电容到数字量直接转换的前端电路的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种应用于加速度计的电容到数字量直接转换的前端电路。

背景技术：

随着mems技术的发展，惯性传感器在过去的几年中成为应用最广泛的微机电系统器件之一，其中微加速度计已经被广泛用于测量物体加速度的惯性装置、汽车、工业自动化、航空航天及其它众多领域。但是传统加速度计功耗大、电路复杂、需要专门的模数转换模块才能完成电容到数字量的转换，是影响mems加速度计功耗和电路复杂程度的最重要原因之一。

传统的模拟加速度计外加模数转换模块构成的数字加速度计电路(见图2(a)及图2(b))采用的cv(电容到电压转换)、vd(电压到数字量转换)。因其采用易受噪声和温度影响的cv模块，从而无法避免环境因素对电压的影响，并且系统的功耗较大。

技术实现要素：

为了解决传统的数字加速度计电路易受噪声和温度等环境因素对电压的影响，且功耗大的技术问题，本发明提供了一种电容到数字量直接转换的前端电路。本发明通过将敏感结构的电容作为sigma-delta调制器的采样电容，来实现电容到数字量的直接转换，无需采用电容电压转换模块，降低了环境因素对电压的影响，提高了测量可靠性，且降低了功耗。

本发明通过下述技术方案实现：

一种电容到数字量直接转换的前端电路，该前端电路包括加速度计敏感结构、基准电压vref、2相非交叠的时钟控制信号φ1和时钟控制信号φ2、运算放大器和开关组件；通过时钟控制信号φ1控制开关组件，利用施加在敏感结构上的基准电压作用在变化电容上，产生正比于变化电容的电荷；然后通过时钟控制信号φ2控制开关组件，使得上述得到的电荷通过运算放大器进行放大，即可得到正比于敏感结构的变化量。

本发明的工作原理：利用电容的充放电特性，通过两相非交叠时钟信号对开关组件进行控制，在时钟控制信号φ1控制阶段，利用施加在敏感结构上的基准电压作用在变化的电容上，产生正比于变化电容的电荷；然后再时钟控制信号φ2控制阶段，将时钟控制信号φ1控制阶段采样得到的电荷通过运算放大器进行放大输出，即可得到正比于敏感结构电容的变化量。整个阶段，信号输出有一个周期的延迟。

为了进一步提高前端电路输出的稳定性，本发明还设置了用于补偿敏感结构的补偿电容。本发明的前端电路还包括补偿电容cc1和补偿电容cc2，2个补偿电容用于补偿敏感结构的基础电容。

本发明的前端电路还包括积分电容cf1和积分电容cf2，所述积分电容cf1连接在运算放大器的负输出端与正输入端之间；所述积分电容cf2连接在运算放大器的正输出端与负输入端之间。

本发明的开关组件包括开关s1、开关s2、开关s3、开关s4、开关s5、开关s6、开关s7和开关s8，其中，开关s1一端与基准电压vref连接，开关s1另一端连接敏感结构的中间节点和开关s2的一端，开关s2的另一端接地；补偿电容cc1和补偿电容cc2串联之后再与敏感结构的上下端并联，开关s7一端连接基准电压vref，开关s7连接开关s8一端，且开关s7另一端还连接补偿电容cc1和补偿电容cc2的公共连接端，开关s8另一端接地；敏感结构的上端还连接开关s3一端和开关s5一端，开关s3另一端接地，开关s5另一端与运算放大器的负输入端连接；敏感结构的下端还连接开关s4一端和开关s6一端，开关s4另一端接地，开关s6另一端与运算放大器的正输入端连接。

本发明的前端电路通过输入时钟控制信号φ1控制开关s1、开关s8、开关s3和开关s4闭合，而开关s2、开关s5、开关s6和开关s7保持断开，此阶段基准电压vref作用在敏感结构的变化的电容上，产生正比于变化电容的电荷；然后输入时钟控制信号φ2控制开关s2、开关s5、开关s6和开关s7闭合，开关s1、开关s8、开关s3和开关s4断开，此阶段，将上一阶段得到的电荷通过运算放大器进行放大输出。

本发明的前端电路的输出表示如下：

其中，yp为运算放大器的正输出端，yn为运算放大器的负输出端，cs为敏感结构的基础电容，δc为加速度计敏感结构上下极板等量相反的电容变化量。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明相较于传统的数字加速度计电路，本发明无需额外的adc模块就可以直接进行误差矫正和补偿。

2、本发明结构简单、无需专门的模数转换电路，也能达到直接电容到数字量的转换。

3、本发明无易受噪声和温度影响的cv模块，从而降低了环境因素对电压的影响，并且节省了模块的功耗。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的前端电路原理图。

图2为传统数字加速度计结构框图。(a)为一种传统数字加速度计结构；(b)为另一种传统数字加速度计结构。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例提出了一种应用于数字加速度电路的电容到数字量直接转换的前端电路，本实施例的前端电路通过将敏感结构的电容作为sigma-delta调制器的采样电容，来实现电容到数字量的直接转换。

具体如图1所示，本实施例的前端电路结构主要一个电容变化的敏感结构、2个补偿敏感结构基础电容的电容cc1和电容cc2、2相非交叠时钟控制信号φ1和时钟控制信号φ2、8个开关s1～s8、1个基准电压vref、1个运算放大器amp1和2个积分电容cf1与积分带人弄cf2组成。

本实施例的前端电路利用电容的充放电特性，在时钟控制信号φ1控制阶段，利用施加在敏感结构电容上的基准电压作用在变化的电容上，产生正比于变化电容的电荷(即通过敏感结构的电容作为采样电容)；在时钟控制信号φ2控制阶段，上一阶段采样得到的电荷通过运放算放大器amp1进行放大，整个阶段，信号输出有一个周期的延迟。

本实施例的前端电路连接方式为：输入基准电压vref连接开关s1的一端；开关s1的另一端连接开关s2的一端和敏感结构中间节点(节点1)；开关s2的另一端连接电源地；电容cc1的另一端连接电容cc2的另一端、开关s7的一端和开关s8的一端(节点2)；开关s7的另一端连接基准电压vref；开关s8的另一端连接电源地；敏感结构的上端连接电容cc1的一端、开关s3的一端和开关s5的一端(节点3)；开关s3的另一端连接电源地；敏感结构的下端连接电容cc2的一端、开关s4的一端和开关s6的一端(节点4)；开关s4的另一端连接电源地；开关s5的另一端连接电容cf2的一端和运放amp1的负输入端(节点5)；开关s6的另一端连接电容cf1的一端和运放amp1的正输入端(节点6)；电容cf2的另一端连接运放amp1的正输出端为yp(节点7)；电容cf1的另一端连接运放amp1的负输出端为yn(节点8)。

即本实施例的前端电路通过输入时钟控制信号φ1控制开关s1、开关s8、开关s3和开关s4闭合，而开关s2、开关s5、开关s6和开关s7保持断开，此阶段基准电压vref作用在敏感结构的变化的电容上，产生正比于变化电容的电荷；然后输入时钟控制信号φ2控制开关s2、开关s5、开关s6和开关s7闭合，开关s1、开关s8、开关s3和开关s4断开，此阶段，将上一阶段得到的电荷通过运算放大器进行放大输出。

本实施例的应用于数字加速试计电路的直接电容到数字量转换的前端电路结构通过离散时间电路的分析可知，该电路结构的输出表达式如下：

其中cs为加速度计敏感结构的基础电容，δc为加速度计敏感结构上下极板等量相反的电容变化量。

本实施例的前端电路结构简单、无需专门的模数转换电路，也能达到直接电容到数字量的转换。同时不受噪声和温度影响，降低了环境因素对电压的影响，并且节省了模块的功耗。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。