一种低噪声MEMS电容式传感器接口电路的制作方法

一种低噪声mems电容式传感器接口电路
技术领域
1.本发明属于集成电路领域，更具体地涉及微机电系统(mems)传感器的信号的处理。


背景技术：

2.mems即微机电系统，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。mems传感器正变得越来越普及，这是由于它们的小尺寸。mems传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。
3.mems电容式传感器在医疗保健应用和物联网应用的广泛监控系统中发挥着重要作用。在这些应用中，传感器由电池供电，因此需要低功耗的信号调理电路来延长电池寿命。为了实现低功耗，mems电容式传感器的读出电路设计为开环结构。与电荷控制读出结构相比，电压控制读出结构提供更低的成本。这是因为电压控制读出结构只需要两个微机械传感元件即可完全实现差分结构，而电荷控制读出结构需要四个元件。然而，电压控制读出结构的主要问题是其非线性随着传感元件中电容变化的增加而增加。在有限的芯片成本和体积下，将非线性抑制到可接受的水平，必须将mems机械电容的变化量限制在几法拉水平。但是mems传感元件与读出电路之间的寄生电容，导致了两个重大问题：增益精度恶化和信噪比降低。这些都是设计低功耗开环mems电容式传感器的主要挑战。
4.由于mems传感器尺寸小，输出信号微弱，寄生电容影响严重，接口电路必须具有很高的信号检测精度和较高的集成度(以配合传感器尺寸的缩微)。提高信号检测的精度，则需要低噪声接口电路，通过降低mems传感器的噪声基底，来实现检测信号分辨率的提高。但低噪声性能的实现，通常会带来接口电路整体功耗的增加，因此如何实现接口电路低噪声性能的同时，不增加功耗，是目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种低噪声mems电容式传感器接口电路，在不额外增加电路功耗的基础上获得了更大的带宽，使得接口电路可以在更高频率的时钟下工作，进而降低接口电路的噪声基底，提高输出信号的精度和检测信号的分辨率。
6.为实现上述目的，本发明包括：包括mems机械传感元件1、输入共模控制电路2、电容-电压转换模块3和时钟控制信号产生模块4；
7.所述的mems机械传感元件1，用于将外部加速度信号转换为mems机械电容的变化量，mems机械传感元件1被时钟控制信号产生模块4产生的方波激励电压驱动，产生电荷信号a和b，该传感器电荷信号a和b均包括共模电荷分量和差模电荷分量，其中共模电荷分量被所述输入共模控制电路2吸收，差模分量传输给所述的电容-电压转换模块3；
8.所述输入共模控制电路2用于对输入共模电平的控制，吸收传感器电荷信号a和b中的共模电荷分量；
9.所述时钟控制信号产生模块4用于产生四个时钟控制信号φ1、φ2、φ1n、φ2n；其中φ1、φ2为两个相位完全相反的时钟信号；φ1n与φ1相位相同，但φ1n的下降沿早于φ1，同样φ2n与φ2相位相同，但φ2n的下降沿早于φ2；
10.所述电容-电压转换模块3用于将mems机械电容的变化转换成电压信号的变化；它包括积分放大器和开关电容网络，mems机械传感元件1产生的传感器电荷信号a和b中的差模电荷分量传输到积分放大器进行信号放大，实现电容-电压的转换；开关电容网络包括两部分：采样保持网络用于减小增益误差，提升增益精度；带宽补偿网络用于增大积分放大器的带宽，使得接口电路可以在更高频率的时钟下工作，进而降低接口电路的噪声基底，改善mems传感器的噪声性能。
11.上述mems机械传感元件1包括第一差分电容c
s1
、第二差分电容c
s2
、两个开关s1和s2；其中第一差分电容c
s1
的一端和第二差分电容c
s2
的一端相连，构成的公共端r，另一端输出传感器电荷信号b；该第二差分电容c
s2
的另一端输出传感器电荷信号a；所述第一开关s1跨接于参考基准电压vr与公共端r之间，其控制端连接第一时钟控制信号φ1；所述第二开关s2跨接于gnd与公共端r之间，其控制端连接第二时钟控制信号φ2。
12.上述输入共模控制电路2包括无源共模控制电路2a和有源共模反馈控制电路2b；
13.所述的无源共模控制电路2a，用于粗吸收传感器电荷信号a和b中的共模电荷分量，它包括两个无源电荷吸收电容c
cm11
、c
cm12
和两个开关s3、s4；其中：第一无源电荷吸收电容c
cm11
和第二无源电荷吸收电容c
cm12
的一端相连，另一端连接传感器电荷信号b；第二无源电荷吸收电容c
cm12
的另一端连接传感器电荷信号a；第三开关s3跨接于gnd与两个无源电荷吸收电容c
cm11
、c
cm12
的公共端之间，其控制端连接第一时钟控制信号φ1；第四开关s4跨接于参考基准电压vr与两个无源电荷吸收电容c
cm11
、c
cm12
的公共端之间，其控制端连接第二时钟控制信号φ2；
14.所述的有源共模反馈控制电路2b包括两个有源电荷吸收电容c
cm21
、c
cm21
，运算放大器a2和两个开关s5、s6；其中：第一有源电荷吸收电容c
cm21
和第二有源电荷吸收电容c
cm22
的一端相连，另一端连接传感器电荷信号b；第二有源电荷吸收电容c
cm22
的另一端连接传感器电荷信号a；第五开关s5跨接于参考基准电压vr与两个有源电荷吸收电容c
cm21
、c
cm22
的公共端之间，其控制端连接第一时钟控制信号φ1；运算放大器a2的正向输入端连接参考基准电压vr，第一反向输入端连接传感器电荷信号a，第二反向输入端连接传感器电荷信号b，其输出端通过第六开关s6连接至两个有源电荷吸收电容c
cm21
、c
cm22
的公共端，构成闭环反馈，精确吸收传感器电荷信号a和b中的共模电荷分量；第六开关s6的控制端连接第二时钟控制信号φ2。
15.上述电容-电压转换模块3包括两个积分电容c
i1
、c
i2
，两个采样保持电容c
h1
、c
h2
，两个带宽补偿电容c
be1
、c
be2
，运算放大器a1和10个开关s7～16；
16.所述两个积分电容c
i1
、c
i2
，开关s9、s10和运算放大器a1共同构成积分放大器；用于将传感器电荷信号a和b中的差模电荷分量通过两个积分电容进行信号放大，实现电容-电压的转换；其中：所述第一积分电容c
i1
一端连接至运算放大器a1的反向输入端并连接传感器电荷信号a，另一端通过第九开关s9连接至运算放大器a1的正向输出端并输出差分电
压信号vo1，第九开关s9的控制端连接第二时钟控制信号φ2；所述第二积分电容c
i2
一端连接至运算放大器a1的正向输入端并连接传感器电荷信号b，另一端通过第十开关s10连接至运算放大器a1的反向输出端并输出差分电压信号vo2，第十开关s10的控制端连接第二时钟控制信号φ2；
17.所述两个带宽补偿电容c
be1
、c
be2
和开关s11、s16共同构成带宽补偿网络，使得接口电路可以在更高频率的时钟下工作，进而降低接口电路的噪声基底，改善mems传感器的噪声性能；其中：所述第一带宽补偿电容c
be1
一端通过第十一开关s11连接至运算放大器a1的反向输入端，另一端连接第一积分电容c
i1
与第九开关s9的公共端，第十一开关s11的控制端连接第四时钟控制信号φ2n；所述第二带宽补偿电容c
be2
一端通过第十六开关s16连接至运算放大器a1的正向输入端，另一端连接第二积分电容c
i2
与第十开关s10的公共端，第十六开关s16的控制端连接第四时钟控制信号φ2n；
18.所述两个采样保持电容c
h1
、c
h2
和开关s13、s14共同构成采样保持网络用于减小增益误差，提升增益精度；其中：所述第一采样保持电容c
h1
一端通过第十三开关s13连接至运算放大器a1的反向输入端，另一端连接至运算放大器a1的正向输出端，第十三开关s13的控制端连接第三时钟控制信号φ1n；所述第二采样保持电容c
h2
一端通过第十四开关s14连接至运算放大器a1的正向输入端，另一端连接至运算放大器a1的反向输出端，第十四开关s14的控制端连接第三时钟控制信号φ1n；
19.所述第十二开关跨接于参考基准电压vr与第一采样保持电容c
h1
和第十三开关s13的公共端，其控制端连接第二时钟控制信号φ2；
20.所述第十五开关跨接于参考基准电压vr与第二采样保持电容c
h2
和第十四开关s14的公共端，其控制端连接第二时钟控制信号φ2；
21.所述第七开关跨接于参考基准电压vr与第一积分电容c
i1
和第九开关s9的公共端，其控制端连接第一时钟控制信号φ1；
22.所述第八开关跨接于参考基准电压vr与第二积分电容c
i2
和第十开关s10的公共端，其控制端连接第一时钟控制信号φ1。
23.本发明与现有技术相比，具有如下优点：
24.1.本发明的电容-电压转换模块3由于引入了采样保持网络，提升了增益精度，同时可消除运算放大器的直流失调，并降低低频下的1/f噪声。
25.2.本发明由于电容-电压转换模块3中的采样保持网络与放大器构成环路反馈，减小了增益误差，提升了增益精度，从而可以用低增益运算放大器替代原有的高增益运算放大器。
26.3.本发明的电容-电压转换模块3由于加入了带宽补偿网络，增大了积分放大器的带宽，使得接口电路可以在更高频率的时钟下工作，进而降低接口电路的噪声基底，改善mems传感器的噪声性能。实现了不额外增加电路功耗，并能够降低接口电路噪声的目的。
附图说明
27.图1是本发明的结构框图。
28.图2是本发明实施例的时钟图。
29.图3是本发明实施例的电路原理图。
具体实施方式
30.以下参照说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
31.参照图1，本发明包括mems机械传感元件1、输入共模控制电路2、电容-电压转换模块3和时钟控制信号产生模块4；
32.所述的mems机械传感元件1用于将外部加速度信号转换为mems机械电容的变化量，mems机械传感元件1被时钟控制信号产生模块4产生的时钟控制信号φ1、φ2驱动，产生传感器电荷信号a和b，该传感器电荷信号a和b均包括共模电荷分量和差模电荷分量，其中共模电荷分量被所述输入共模控制电路2吸收，差模分量传输给所述的电容-电压转换模块3。
33.所述输入共模控制电路2用于对输入共模电平的控制，吸收传感器电荷信号a和b中的共模电荷分量，其设有两个输入端和两个输入输出端，第一输入端连接第一时钟控制信号φ1，第二输入端连接第二时钟控制信号φ2；第一输入输出端连接传感器电荷信号a，第二输入输出端连接传感器电荷信号b。
34.所述时钟控制信号产生模块4用于产生四个时钟控制信号φ1、φ2、φ1n、φ2n；参照图2，其中φ1、φ2为两个相位完全相反的时钟信号；φ1n与φ1相位相同，但φ1n的下降沿早于φ1，同样φ2n与φ2相位相同，但φ2n的下降沿早于φ2；每个时钟具有独立后缘延迟，不仅可以减少电荷注入，而且可以减少电荷注入的变化，从而提高读出电路的精度。
35.所述电容-电压转换模块3用于将mems机械电容的变化转换成电压信号的变化；其设有四个输入端、两个输入输出端和两个输出端，第一输入端连接第一时钟控制信号φ1，第二输入端连接第二时钟控制信号φ2，第三输入端连接第三时钟控制信号φ1n，第四输入端连接第四时钟控制信号φ2n；第一输入输出端连接传感器电荷信号a，第二输入输出端连接传感器电荷信号b；第一输出端输出差分电压信号vo1，第二输出端输出差分电压信号vo2。该电容-电压转换模块3包括积分放大器和开关电容网络，mems机械传感元件1产生的传感器电荷信号a和b中的差模电荷分量传输到积分放大器进行信号放大，实现电容-电压的转换；开关电容网络包括两部分：采样保持网络用于减小增益误差，提升增益精度；带宽补偿网络用于增大积分放大器的带宽，使得接口电路可以在更高频率的时钟下工作，进而降低接口电路的噪声基底，改善mems传感器的噪声性能。
36.参照图3，所述的mems机械传感元件1包括第一差分电容cs1、第二差分电容cs2、两个开关s1和s2；第一差分电容cs1的一端和第二差分电容cs2的一端相连，构成的公共端r，另一端输出传感器电荷信号b；该第二差分电容cs2的另一端输出传感器电荷信号a；第一开关s1跨接于参考基准电压vr与公共端r之间，其控制端连接第一时钟控制信号φ1；第二开关s2跨接于gnd与公共端r之间，其控制端连接第二时钟控制信号φ2。两个差分电容cs1、cs2的公共端r在第一时钟控制信号φ1高电平阶段通过第一开关s1置位在参考基准电压vr，在第二时钟控制信号φ2高电平阶段通过第二开关s2置位在gnd。mems机械传感元件1被方波激励电压驱动，产生传感器电荷信号a和传感器电荷信号b。
37.输入共模控制电路2包括无源共模控制电路2a和有源共模反馈控制电路2b。无源共模控制电路2a用于粗吸收传感器电荷信号a和b中的共模电荷分量，它包括两个无源电荷吸收电容ccm11、ccm12和两个开关s3、s4；其中：第一无源电荷吸收电容ccm11和第二无源电荷吸收电容ccm12的一端相连，另一端连接传感器电荷信号b；第二无源电荷吸收电容ccm12
的另一端连接传感器电荷信号a；第三开关s3跨接于gnd与两个无源电荷吸收电容ccm11、ccm12的公共端之间，其控制端连接第一时钟控制信号φ1；第四开关s4跨接于参考基准电压vr与两个无源电荷吸收电容ccm11、ccm12的公共端之间，其控制端连接第二时钟控制信号φ2；无源共模控制电路(2a)被相位相反的方波激励电压驱动，两个无源电荷吸收电容ccm11、ccm12的公共端在第一时钟控制信号φ1高电平阶段通过第三开关s3置位在gnd，在第二时钟控制信号φ2高电平阶段通过第四开关s4置位在基准电压vr。
38.有源共模反馈控制电路2b包括两个有源电荷吸收电容ccm21、ccm21，运算放大器a2和两个开关s5、s6；其中：第一有源电荷吸收电容ccm21和第二有源电荷吸收电容ccm22的一端相连，另一端连接传感器电荷信号b；第二有源电荷吸收电容ccm22的另一端连接传感器电荷信号a；第五开关s5跨接于参考基准电压vr与两个有源电荷吸收电容ccm21、ccm22的公共端之间，其控制端连接第一时钟控制信号φ1；运算放大器a2的正向输入端连接参考基准电压vr，第一反向输入端连接传感器电荷信号a，第二反向输入端连接传感器电荷信号b，其输出端通过第六开关s6连接至两个有源电荷吸收电容ccm21、ccm22的公共端，构成闭环反馈，精确吸收传感器电荷信号a和b中的共模电荷分量；第六开关s6的控制端连接第二时钟控制信号φ2。两个有源电荷吸收电容ccm21、ccm22的公共端被在第一时钟控制信号φ1高电平阶段通过第五开关s5置位在基准电压vr，在第二时钟控制信号φ2高电平阶段通过第六开关s6置位在运算放大器a2的输出电压。
39.mems机械传感元件1产生的传感器电荷信号a和传感器电荷信号b的共模分量被输入共模控制电路2吸收后，剩余的差模分量传输到电容-电压转换模块3。上述电容-电压转换模块3包括两个积分电容ci1、ci2，两个采样保持电容ch1、ch2，两个带宽补偿电容cbe1、cbe2，运算放大器a1和10个开关s7～16；
40.所述两个积分电容c
i1
、c
i2
，开关s9、s10和运算放大器a1共同构成积分放大器；用于将传感器电荷信号a和b中的差模电荷分量通过两个积分电容进行信号放大，实现电容-电压的转换；其中：所述第一积分电容c
i1
一端连接至运算放大器a1的反向输入端并连接传感器电荷信号a，另一端通过第九开关s9连接至运算放大器a1的正向输出端并输出差分电压信号vo1，第九开关s9的控制端连接第二时钟控制信号φ2；所述第二积分电容c
i2
一端连接至运算放大器a1的正向输入端并连接传感器电荷信号b，另一端通过第十开关s10连接至运算放大器a1的反向输出端并输出差分电压信号vo2，第十开关s10的控制端连接第二时钟控制信号φ2；
41.所述两个带宽补偿电容c
be1
、c
be2
和开关s11、s16共同构成带宽补偿网络，使得接口电路可以在更高频率的时钟下工作，进而降低接口电路的噪声基底，改善mems传感器的噪声性能；其中：所述第一带宽补偿电容c
be1
一端通过第十一开关s11连接至运算放大器a1的反向输入端，另一端连接第一积分电容c
i1
与第九开关s9的公共端，第十一开关s11的控制端连接第四时钟控制信号φ2n；所述第二带宽补偿电容c
be2
一端通过第十六开关s16连接至运算放大器a1的正向输入端，另一端连接第二积分电容c
i2
与第十开关s10的公共端，第十六开关s16的控制端连接第四时钟控制信号φ2n；
42.所述两个采样保持电容c
h1
、c
h2
和开关s13、s14共同构成采样保持网络用于减小增益误差，提升增益精度；其中：所述第一采样保持电容c
h1
一端通过第十三开关s13连接至运算放大器a1的反向输入端，另一端连接至运算放大器a1的正向输出端，第十三开关s13的控
制端连接第三时钟控制信号φ1n；所述第二采样保持电容c
h2
一端通过第十四开关s14连接至运算放大器a1的正向输入端，另一端连接至运算放大器a1的反向输出端，第十四开关s14的控制端连接第三时钟控制信号φ1n；
43.所述第十二开关跨接于参考基准电压vr与第一采样保持电容c
h1
和第十三开关s13的公共端，其控制端连接第二时钟控制信号φ2；
44.所述第十五开关跨接于参考基准电压vr与第二采样保持电容c
h2
和第十四开关s14的公共端，其控制端连接第二时钟控制信号φ2；
45.所述第七开关跨接于参考基准电压vr与第一积分电容c
i1
和第九开关s9的公共端，其控制端连接第一时钟控制信号φ1；
46.所述第八开关跨接于参考基准电压vr与第二积分电容c
i2
和第十开关s10的公共端，其控制端连接第一时钟控制信号φ1。
47.在第一时钟控制信号φ1高电平阶段通过第五开关s5置位在基准电压vr，在第二时钟控制信号φ2高电平阶段通过第六开关s6
48.电容-电压转换模块3中的两个积分电容c
i1
、c
i1
的右基板在第一时钟控制信号φ1高电平阶段分别通过第七开关s7和第八开关s8置位在参考基准电压vr，左基板与运算放大器a1的两个输入端相连，构成积分器，进行信号放大，实现电容电压的转换。两个采样保持电容c
h1
、c
h2
的右基板分别与运算放大器a1的两个输出端相连，左基板在第二时钟控制信号φ2高电平阶段分别通过第十二开关s12和第十五开关s15置位在基准电压vr；左基板在第三时钟控制信号φ1n高电平阶段分别通过第十三开关s13和第十四s14与运算放大器a1的两个输入端相连。采样保持电容在第二时钟控制信号φ2高电平阶段对输出电压信号采样，在第一时钟控制信号φ1高电平阶段进行保持，使输出电压不经历大的跳变，进而减小了增益误差，提升了增益精度。两个积分电容c
i1
、c
i2
和开关s7、s8共同构造的开关电容电路，运用相关双采样技术消除了直流失调和低频1/f噪声。两个带宽补偿电容c
be1
、c
be1
的右基板在第一时钟控制信号φ1高电平阶段分别通过第七开关s7、第八开关s8置位在参考基准电压vr，在第二时钟控制信号φ2高电平阶段通过第九开关s9和第十开关s10分别接运算放大器a1的两个输入端，左基板在第四时钟控制信号φ2n高电平阶段分别通过第十一开关s11和第十六s16与运算放大器a1的两个输入端相连。带宽补偿电容c
be1
、c
be1
用来进行带宽补偿，使得接口电路可以在更高频率的时钟下工作，进而降低接口电路的噪声基底，改善mems传感器的噪声性能。
49.根据电路图，总的输出噪声功率来自于两种类型的输出噪声功率：在第一时钟控制信号φ1高电平期间来自寄生电容的噪声和在第二时钟控制信号φ2高电平期间前置放大器a1产生的噪声。它们表示如下：
[0050][0051][0052]
其中，α是一个恒定系数，k是玻尔兹曼常数k＝1.380649x10-23
j/k，t是电阻的绝对温度，单位为k；fs是采样频率，c0是差分电容c
s1
、c
s2
静态电容值，ci是积分电容c
i1
、c
i2
的容
值，ch是采样保持电容c
h1
、c
h2
的容值，β1为反馈系数，c
p0
是机械传感头与芯片之间接口部分的寄生电容c
p01
、c
p02
的容值。上述公式表示一个重要的事实，反馈系数β1的增大和采样频率的升高，可以降低输出噪声功率。而大的反馈系数，会导致闭环增益降低。高的采样频率，则需要大的运放带宽，会增加大量的功耗。采样频率与带宽的关系如下：
[0053][0054]
bw
ct
带宽是放大器的闭环带宽。因为带宽补偿电容的作用，bw
ct
带宽变为：
[0055][0056][0057]
其中gm是前置放大器a1的跨导；β1'是带宽补偿电容加入后环路的反馈系数。带宽补偿电容c
be
越大，反馈系数β1越大，从而增加bw
ct
带宽，进而电路可以在更高的采样频率下工作。因此，实现了不额外增加电路功耗，并能够降低接口电路噪声的目的。
[0058]
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的技术人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。