专利名称：一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器技术领域，而更详细地涉及一种采用斩波稳定技术的电容连续 时间读出电路，是高精度的适用于电容式微机电传感器的读出电路。
背景技术：
随着微机电系统(MEMS)技术的不断进步，电容式微机电传感器应运而生，它具有 体积小、功耗低、响应快和易于集成等优点，国际学术界和工业界对它的关注和研究日益升 温。采用这种技术研发的压力传感器、加速度计和角速度计等产品在民用和军用各领域均 得到广泛应用。这种传感器通常可等效为一对差分可变电容，其电容的变化量直接反映了外界待 测的物理量的大小。但电容式微机电传感器输出的信号非常微弱，一般仅在10_18-10_12法拉 量级，这对读出电路的设计提出了非常苛刻的要求。读出电路的噪声水平决定了其所能检 测的最小信号幅度，低噪声的读出电路设计成了实现高精度的关键。目前国际上电容读出电路的设计主要可分为连续时间电压式、连续时间电流式 和开关电容式三种。其中开关电容式因其电路结构较为简单，实现较为容易，从而被广泛 采用，但其缺点在于电路中信号通过开关周期采样与保持，在时间上离散，使得很大一部 分的高频噪声会折叠到信号通带内，限制读出精度([1]H. Kulah, J. Chae, N. Yazdi, and K. Najafi, "Noise analysis and characterization of a sigma-delta capacitive microaccelerometer，，，IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 41, no. 2, pp. 352, Feb. 2006. [2]M. Lemkin and B.E.Boser,"A three-axis micromachined accelerometer with a CMOS position-sense interface and digital offset-trim electronics", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 34，no. 4，pp. 456-468，Apr. 1999.)。连续时间的读出方式 噪声性能相对要优于开关电容方式接近一个数量级，通过各种噪声消除技术，可以实现仅 有少量的热噪声与信号发生混叠。连续时间电流读出方式的难点在于反馈电阻的实现，通 常该电阻要达到千兆欧姆量级以实现较理想的检测灵敏度，这在集成电路中实现这样一个 大的电阻并且具有一定的线形度是极其困难的，通常需要复杂的补偿电路，增加了系统功 耗([3]J. Geen,S. Sherman,J. Chang,and S. Lewis,"Single-chip surface micromachined integrated gyroscope with 50/h allan deviation，，，IEEE J. Solid-State Circuits， vol. 37，no. 12，pp. 1860，Dec. 2002.)。而连续时间电压式电容读出电路的设计难点在于其 与待测电容连接端的偏置实现。该节点通常一端连接电容极板，另一端连接运放输入MOS 管的栅极，是高阻节点，很难确立其直流电平。如果偏置不理想，将严重限制读出电路的线 形范围，甚至导致电路不能正常工作([4]J.Wu，G. Fedder, and L.Richard，“A low-noise low-offset capacitive sensing amplifier for a 50-ug/rtHz monolithic CMOS MEMSaccelerometer, "IEEE J. Sol id-State Circuits,vol. 39,no. 5,pp. 722,May. 2004.)。
发明内容
本发明的目的是公开一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路，通过对典 型电压式电容读出电路输入节点设置偏置，并结合斩波消除低频噪声，实现高精度、宽线形 范围的电容读出，以提高采用本发明的电容式微机电传感器的性能。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是—种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路，包括全差分运放管、共模运放 管、滤波器、多个电容和开关器件；其包括三级，其中第一级全差分运放管的第一和第二输入端，分别经第一和第二开关器件同第一 基准电平电相连，全差分运放管的第一和第二输出端，分别经第三和第四开关器件同第二 基准电平电相连；在全差分运放管的第一输入端和第二输出端间跨接有第一电容，在全差 分运放管第二输入端和第一输出端间跨接有第二电容；在全差分运放管的第一和第二输入端分别与共模运放管的第一和第二负输入端 电连接，在共模运放管的第一负输入端和输出端跨接有第三电容，在共模运放管的第二负 输入端和输出端跨接有第四电容；共模运放管的正输入端与第一基准电平电相连；第二级全差分运放管的第一和第二输出端分别同两两相连的第五、第六、第七和 第八开关器件的两输入端电连接；第三级两两相连的第五、第六、第七和第八开关器件的两输出端于无源低通滤波 器的第一和第二输入端电连接，无源低通滤波器的两输出端与后续电路电连接。所述的读出电路，其使用时，待测的差分电容两个测量极板与全差分运放管的输 入端相连，而中间极板同驱动周期电压信号相连。所述的读出电路，其在驱动周期电压与各开关器件之间设有数字电路，数字电路 控制所有开关器件的通断，实现周期性导通。更详细地说，将待测的差分电容两个测量极板与全差分运放的输入端相连，而中 间极板同驱动周期电压信号相连，第一到第四开关器件周期性开启，实现对全差分运放输 入和输出电平的置位，由第三、第四电容和共模运放构成的输入共模反馈环路将全差分运 放的输入共模电平稳定在极小的振幅以内，待测电容中的转移电荷在第一和第二电容上积 累，于是全差分运放输出包络同待测电容成正比的调幅信号，第五到第八开关每半个驱动 信号周期相继开启，实现对调幅信号的全波整形，无源低通滤波器输出解调后的信号，即为 同待测电容成正比的电压信号。本发明一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路，是对典型电压式电容读 出电路输入节点，给出一种对该节点的偏置方法，同时结合斩波消除低频噪声技术，进一步 优化了读出电路的噪声性能，使电容读出电路具有高精度、宽线形范围的特性，使用于电容 式微机电传感器。
图1为本发明一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路实施例的电路图。
具体实施例方式本发明给出了一种对典型电压式电容读出电路输入节点的偏置方法，同时由于采用这种偏置方法，使得斩波消除低频噪声的技术得以应用，进一步优化了读出电路的噪声 性能，有助于提供高精度，并具有较宽线形范围使用于电容式微机电传感器的一种采用斩 波稳定技术的电容连续时间读出电路。
图1为本发明一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路实施例的电路图。 如图所示，本发明的电容读出电路分成四个部分，包括(1)第一级全差分运放1 ；将全差分 运放1的输入端同第一基准电平相连的开关器件3、4 ；将全差分运放1的输出端同第二基 准电平相连的开关器件5、6 ；跨接于全差分运放1第一输入端和第二输出端的电容7 ；跨接 于全差分运放1第二输入端和第一输出端的电容8 ；输入端连接全差分运放1输入端的共 模运放2 ；跨接于共模运放2第一输入端和输出端的电容9 ；跨接于共模运放2第二输入端 和输出端的电容10 ； (2)第二级将全差分运放1的输出端同第三级滤波器15的输入端两两 相连的开关器件11、12、13和14 ； (3)第三级无源低通滤波器15 ；以及(4)控制所有开关器 件的数字电路16。一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路，包括第一级全差分运放1、共模 运放2 ；第二级为两两相连的第五、第六、第七和第八开关器件11 14 ；第三级无源低通滤 波器15。第一级其中，全差分运放1的第一和第二输入端，分别经第一和第二开关器件3、 4同第一基准电平电相连，全差分运放1第一和第二输出端，分别经第三和第四开关器件5、 6同第二基准电平电相连。在全差分运放1的第一输入端和第二输出端间跨接有第一电容 7，在全差分运放1第二输入端和第一输出端间跨接有第二电容8。且在全差分运放1第一和第二输入端分别与共模运放2的第一和第二负输入端电 连接，在共模运放2第一负输入端和输出端跨接有第三电容9，在共模运放2第二负输入端 和输出端跨接有第四电容10。共模运放2的正输入端与第一基准电平电相连。第二级全差分运放1第一和第二输出端分别同两两相连的第五、第六、第七和第 八开关器件11 14的两输入端电连接。第三级两两相连的第五、第六、第七和第八开关器件11 14的两输出端于无源 低通滤波器15的第一和第二输入端电连接，无源低通滤波器15的两输出端与后续电路电 连接。使用时，待测的差分电容两个测量极板与全差分运放1的输入端相连，而中间极 板同驱动周期电压信号相连。在驱动周期电压与各开关器件3 14之间设有数字电路16，数字电路16控制所 有开关器件的通断。在实际应用中，待测的差分电容两个测量极板与全差分运放(1)的输入端相连， 而中间极板同驱动周期电压信号相连，第一到第四开关器件3 6周期性开启，实现对全差 分运放1输入和输出电平的置位，由第三、第四电容9、10和共模运放2构成的输入共模反 馈环路将全差分运放1的输入共模电平稳定在极小的振幅以内，待测电容中的转移电荷在 第一和第二电容7、8上积累，于是全差分运放1输出包络同待测电容成正比的调幅信号，第 五到第八开关11 14每半个驱动信号周期相继开启，实现对调幅信号的全波整形，无源低 通滤波器15输出解调后的信号，即为同待测电容成正比的电压信号。在实际应用中，待测的差分电容两个测量极板与全差分运放1的输入端相连，而中间极板同驱动周期电压信号相连，开关器件3、4、5和6周期性开启，实现对全差分运放1 输入和输出电平的置位，由电容9、10和共模运放2构成的输入共模反馈环路将全差分运放 1的输入共模电平稳定在极小的振幅以内，该振幅可由下面公式确定 C 1<formula>formula see original document page 6</formula>
公式中Vian是全差分运放1的输入共模电平振幅，￥_ 是驱动周期信号振幅，Cs是待 测电容绝对容值，Ciem是电容9、10的容值，Aiem是共模运放2的开环增益。由于Aiem通常在 几百到几千量级，Vian则可以被稳定在很小的幅度以内，将有助于实现电容到电压的宽线形 范围的转换。同时由于全差分运放1的输入共模电平不再受待测电容中间极板电压的影响，我 们可以在中间极板上施加周期的电压，进而实现斩波消除低频噪声的功能。由于传感信号 的频率往往是位于低频段，所以降低读出电路低频的噪声，是提高精度的最直接手段。低频 噪声以晶体管闪烁噪声为主，斩波技术是最为有效的消除闪烁噪声的方式之一。但是通过 复杂电路实现斩波往往会引入过多的热噪声，显然不可取，而本发明提供的斩波调制与解 调方法均非常简单，结合运放的低噪声设计和解调电路的无源设计，可以将整个读出电路 的噪声水平降至最低。在待测电容中间极板施加驱动周期电压，使得待测电容中产生转移 电荷，该转移电荷在电容7、8上积分，产生包络振幅同待测差分电容成正比的调幅信号，该 包络振幅可由下面公式确定
<formula>formula see original document page 6</formula>公式中Vmrel。p是全差分运放1输出的调幅信号包络的振幅，ACs是待测电容的差 分值，Cin是积分电容7、8的容值。随后该调幅信号被第二级的开关器件11、12、13和14全 波整形，即前半个驱动信号周期开关器件11、14导通，使全差分运放的输出端同第三级低 通滤波器的输入端正相导通，而后半个驱动信号周期开关器件12、13导通，使全差分运放 的输出端同第三级低通滤波器的输入端反相导通。整形后的调幅信号经过第三级无源低通 滤波器后得到最终输出，即为同待测差分电容成正比的电压信号。由于在全波整形时存在 衰减，该信号的大小可由下面公式确定
<formula>formula see original document page 6</formula>数字电路提供所有开关器件的控制信号。对于开关器件3、4、5和6，控制信号是相 同的，为周期性窄脉冲信号；对于开关器件11和14，控制信号是相同的，为占空比50%和驱 动信号同相的方波信号；对于开关器件12和13，控制信号是相同的，为占空比50%和驱动 信号反相的方波信号。具体实施可以通过简单的同步数字电路实现。以上是对本发明一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路实施方式的描 述，对本领域的技术人员来说，已经获得该电路的某些优点是显而易见的。也应当理解，在 本发明的范围和精神内可以进行各种变更、修改及替换实施例，完全在权利要求书保护的 范围之内。
权利要求
一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路，包括全差分运放管、共模运放管、滤波器、多个电容和开关器件；其特征在于，包括三级，其中第一级全差分运放管的第一和第二输入端，分别经第一和第二开关器件同第一基准电平电相连，全差分运放管的第一和第二输出端，分别经第三和第四开关器件同第二基准电平电相连；在全差分运放管的第一输入端和第二输出端间跨接有第一电容，在全差分运放管第二输入端和第一输出端间跨接有第二电容；在全差分运放管的第一和第二输入端分别与共模运放管的第一和第二负输入端电连接，在共模运放管的第一负输入端和输出端跨接有第三电容，在共模运放管的第二负输入端和输出端跨接有第四电容；共模运放管的正输入端与第一基准电平电相连；第二级全差分运放管的第一和第二输出端分别同两两相连的第五、第六、第七和第八开关器件的两输入端电连接；第三级两两相连的第五、第六、第七和第八开关器件的两输出端于无源低通滤波器的第一和第二输入端电连接，无源低通滤波器的两输出端与后续电路电连接。
2.如权利要求1所述的读出电路，其特征在于，使用时，待测的差分电容两个测量极板 与全差分运放管的输入端相连，而中间极板同驱动周期电压信号相连。
3.如权利要求1或2所述的读出电路，其特征在于，在驱动周期电压与各开关器件之间 设有数字电路，数字电路控制所有开关器件的通断，实现周期性导通。
全文摘要
一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路，涉及传感器技术，将待测的差分电容两个测量极板与全差分运放的输入端相连，而中间极板同驱动周期电压信号相连，第一到第四开关器件周期性开启，实现对全差分运放输入和输出电平的置位，由第三、第四电容和共模运放构成的输入共模反馈环路将全差分运放的输入共模电平稳定在极小的振幅以内，待测电容中的转移电荷在第一和第二电容上积累，于是全差分运放输出包络同待测电容成正比的调幅信号，第五到第八开关每半个驱动信号周期相继开启，实现对调幅信号的全波整形，无源低通滤波器输出解调后的信号，即为同待测电容成正比的电压信号。本发明实现了高精度、宽线形范围的电容读出，提高了传感器的性能。
文档编号G01D5/24GK101832788SQ20091007979
公开日2010年9月15日 申请日期2009年3月11日 优先权日2009年3月11日
发明者吴其松, 尹韬, 张翀, 杨海钢 申请人:中国科学院电子学研究所