电容电压转换器及传感器电子系统

1.本公开涉及mems传感器技术领域，尤其涉及一种电容电压转换器及传感器电子系统。


背景技术：

2.微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)传感器具有体积小、重量轻、功耗低、成本低等显著优点，已经在消费电子、汽车应用、工业控制等领域实现了大规模应用。而电容式mems传感器，诸如mems倾角传感器、mems陀螺仪、mems加速度计等，因为具有极高的品质因数、较低的温度系数、可与cmos(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)硅基工艺集成等优点，被越来越广泛地研究和开发。电容式mems传感器要实现高性能，就离不开高性能的微弱电容读出系统。在电容读出系统中，作为直接与mems传感器直接连接的第一级，电容电压转换器的设计对整个检测系统起到决定性作用。
3.一般地，电容电压转换器有三种常见的基本架构，即跨阻放大器、电荷放大器和基于环形二极管的架构。相对于其他两种，环形二极管结构不仅具有更低的噪声，而且还能将调制的信息解调到低频处，省去了后续解调电路。因此，环形二极管结构具有器件精简、噪声低等优点。
4.在实现以上方案的过程中，发明人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：目前利用环形二极管结构形成的电容电压转换器，容易造成仪表放大器的输入偏置电压为0。而在单电源供电的电路系统中，仪表放大器的输入共模范围一般为0v到电源电压。所以，此种输入偏置方式，会导致仪表放大器工作在输入共模范围的边界上，会大幅度降低仪表放大器的性能，严重时会引起仪表放大器工作失常。


技术实现要素：

5.针对上述技术缺陷，本公开提供了一种电容电压转换器及传感器电子系统。
6.本公开第一方面提供了一种电容电压转换器，包括时钟源v
ck
、第一被测电容c1、第二被测电容c2、环形二极管结构、第三充放电电容c3、第四充放电电容c4、第一偏置电阻r1、第二偏置电阻r2、直流偏置电压源vs和仪表放大器ia，其中：时钟源v
ck
的输出端分别通过第一被测电容c1和第二被测电容c2连接于环形二极管结构的一对对角节点上，环形二极管结构的另一对对角节点分别连接于第三充放电电容c3和第四充放电电容c4；第三充放电电容c3的两端并联有第一偏置电阻r1，第三充放电电容c3与第一偏置电阻r1远离环形二极管结构的一端通过直流偏置电压源vs接地，第三充放电电容c3与第一偏置电阻r1靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器ia的正相输入端；第四充放电电容c4的两端并联有第二偏置电阻r2，第四充放电电容c4与第二偏置电阻r2远离环形二极管结构的一端通过直流偏置电压源vs接地，第四充放电电容c4与第二偏置电阻r2靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器ia的负相输入端。
7.根据本公开的实施例，时钟源v
ck
为调制方波，高电平v
cc
＞0，低电平为0v，占空比为50％；直流偏置电压源vs的电压值为v
cc
/2。
8.根据本公开的实施例，时钟源v
ck
包括矩形波、正弦波或锯齿波。
9.根据本公开的实施例，仪表放大器ia采用fet输入型芯片，供电电源的电压值为v
cc
。
10.根据本公开的实施例，第一被测电容c1和第二被测电容c2均包含一个静态电容和一个动态电容，第一被测电容c1与第二被测电容c2的动态电容呈现差分动作。
11.根据本公开的实施例，环形二极管结构包括首尾依次相连的第一二极管d1、第二二极管d2、第四二极管d4和第三二极管d3，第一被测电容c1接入第一二极管d1与第二二极管d2之间，第二被测电容c2接入第三二极管d3与第四二极管d4之间。
12.根据本公开的实施例，第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4均采用肖特基二极管。
13.根据本公开的实施例，第一被测电容c1、第二被测电容c2、第三充放电电容c3和第四充放电电容c4的电容值均为皮法量级，第三充放电电容c3和第四充放电电容c4的电容值均为第一被测电容c1或第二被测电容c2电容值的10倍及以上。
14.根据本公开的实施例，第三充放电电容c3和第四充放电电容c4的电容值相等，第一偏置电阻r1和第二偏置电阻r2的阻值相等。
15.根据本公开的实施例，直流偏置电压源vs的两端还并联有滤波电容，用于对直流偏置电压源vs进行噪声、干扰、纹波滤除操作。
16.本公开第二方面提供了一种电容电压转换器，包括：时钟源v
ck
、第一被测电容c1、第二被测电容c2、环形二极管结构、第三充放电电容c3、第四充放电电容c4、第一偏置电阻r1、第二偏置电阻r2、直流偏置电压源vs和仪表放大器ia，其中：时钟源v
ck
的输出端分别通过第一被测电容c1和第二被测电容c2连接于环形二极管结构的一对对角节点上，环形二极管结构的另一对对角节点分别连接于第三充放电电容c3和第四充放电电容c4；第三充放电电容c3远离环形二极管结构的一端接地，第三充放电电容c3靠近环形二极管结构的一端连接于第一偏置电阻r1的一端，第一偏置电阻r1的另一端通过直流偏置电压源vs接地，第三充放电电容c3与第一偏置电阻r1靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器ia的正相输入端；第四充放电电容c4远离环形二极管结构的一端接地，第四充放电电容c4靠近环形二极管结构的一端连接于第二偏置电阻r2的一端，第二偏置电阻r2的另一端通过直流偏置电压源vs接地，第四充放电电容c4与第二偏置电阻r2靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器ia的负相输入端。
17.本公开又一方面提供了一种传感器电子系统，包括前述第一方面或第二方面提供的电容电压转换器中的任意一种。
18.与现有技术相比，本公开提供的电容电压转换器及传感器电子系统，至少具有以下有益效果：
19.本公开提供的电容电压转换器及传感器电子系统，通过将充放电电容和偏置电阻的末端接一个合适的直流偏置电压源vs，或者将偏置电阻的末端接一个合适的直流偏置电压源vs。在此基础上，仪表放大器的两个输入端通过偏置电阻同时都被偏置到该直流偏置电压源vs，不超出仪表放大器的输入共模范围。并且，还可以通过合理设计，使得该直流偏
置电压源vs处于最佳偏置状态，从而使得仪表放大器处于最佳工作状态，有利于提升整个电容电压转换器，乃至整个传感器电子系统的性能。
附图说明
20.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
21.图1示意性示出了根据本公开第一实施例的电容电压转换器的电路原理图；
22.图2示意性示出了根据本公开第一实施例的电容电压转换器的仿真结果；
23.图3示意性示出了根据本公开第二实施例的电容电压转换器的电路原理图；
24.图4示意性示出了根据本公开第三实施例的电容电压转换器的电路原理图；以及
25.图5示意性示出了根据本公开一具体实施例的传感器电子系统的工作原理图。
26.【附图标记说明】
[0027]vck-时钟源；c
1-第一被测电容；c
2-第二被测电容；c
3-第三充放电电容；c
4-第四充放电电容；d
1-第一二极管；d
2-第二二极管；d
3-第三二极管；d
4-第四二极管；r
1-第一偏置电阻；r2-第二偏置电阻；ia-仪表放大器；vs-直流偏置电压源；c
filt-滤波电容。
具体实施方式
[0028]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0029]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0030]
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
[0031]
图1示意性示出了根据本公开第一实施例的电容电压转换器的电路原理图。
[0032]
如图1所示，根据该实施例的电容电压转换器，包括时钟源v
ck
、第一被测电容c1、第二被测电容c2、环形二极管结构、第三充放电电容c3、第四充放电电容c4、第一偏置电阻r1、第二偏置电阻r2、直流偏置电压源vs和仪表放大器ia，其中：时钟源v
ck
的输出端分别通过第一被测电容c1和第二被测电容c2连接于环形二极管结构的一对对角节点上，环形二极管结构的另一对对角节点分别连接于第三充放电电容c3和第四充放电电容c4；第三充放电电容c3的两端并联有第一偏置电阻r1，第三充放电电容c3与第一偏置电阻r1远离环形二极管结构的一端通过直流偏置电压源vs接地，第三充放电电容c3与第一偏置电阻r1靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器ia的正相输入端；第四充放电电容c4的两端并联有第二偏置电阻r2，第四充放电电容c4与第二偏置电阻r2远离环形二极管结构的一端通过直流偏置电压源vs接地，第四充放电电容c4与第二偏置电阻r2靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器ia的负相输入端。
[0033]
通过本公开的实施例，提供了一种基于新型偏置的环形二极管结构形成的电容电压转换器，第一偏置电阻r1和第二偏置电阻r2为输出电压v
op
和v
on
提供直流偏置，直流偏置电压源vs接在充放电电容和偏置电阻的另一端，为后级的仪表放大器提供最佳的偏置状态，从而有利于发挥仪表放大器的最佳性能。
[0034]
本公开第一实施例中，时钟源v
ck
为调制方波，高电平v
cc
＞0，低电平为0v，占空比为50％；直流偏置电压源vs的电压值为v
cc
/2。
[0035]
为了发挥仪表放大器的最佳性能，整个系统统一采用单电源供电，电源电压为3.3v。例如，该时钟源v
ck
的频率可以为1mhz，v
cc
＝3.3v。
[0036]
本公开第一实施例中，第一被测电容c1和第二被测电容c2均包含一个静态电容和一个动态电容，第一被测电容c1与第二被测电容c2的动态电容呈现差分动作。
[0037]
具体来说，第一被测电容c1和第二被测电容c2作为模拟电容式mems传感器的差分检测电容，第一被测电容c1和第二被测电容c2的每个电容包含一个静态电容c0和一个动态电容δc，c1和c2所含的动态电容呈现差分动作，即
±
δc。例如，第一被测电容c1的电容值为c0+δc，相应地，第二被测电容c2的电容值为c
0-δc。
[0038]
进一步地，第一被测电容c1、第二被测电容c2、第三充放电电容c3和第四充放电电容c4的电容值均为皮法量级，且第三充放电电容c3和第四充放电电容c4的电容值均远大于第一被测电容c1或第二被测电容c2电容值，例如第三充放电电容c3和第四充放电电容c4的电容值均为第一被测电容c1或第二被测电容c2电容值的10倍及以上。
[0039]
通过本公开的实施例，四个二极管首尾相接构成环形二极管结构，用于检测第一被测电容c1和第二被测电容c2的差异量以及解调载波。第三充放电电容c3和第四充放电电容c4作为后级充放电电容，电容值远远大于被测电容c1和c2的容值，一般为几百皮法。
[0040]
具体地，参阅图1，环形二极管结构包括首尾依次相连的第一二极管d1、第二二极管d2、第四二极管d4和第三二极管d3，第一被测电容c1接入第一二极管d1与第二二极管d2之间，第二被测电容c2接入第三二极管d3与第四二极管d4之间。相应地，第二二极管d2与第四二极管d4之间的对角节点接入第三充放电电容c3，第一二极管d1与第三二极管d3之间的对角节点接入第四充放电电容c4。
[0041]
为了降低正向导通电压和提高开关切换速度，第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4可以均采用肖特基二极管。
[0042]
本公开第一实施例中，第三充放电电容c3和第四充放电电容c4的电容值相等，为了便于描述，令c3和c4相等的电容值为cs。
[0043]
第一偏置电阻r1和第二偏置电阻r2为输出电压v
op
和v
on
提供直流偏置，第一偏置电阻r1和第二偏置电阻r2的阻值相等。需要说明的是，这两个电阻的阻值相等，阻值大小需要折中选择。大的电阻值，可降低电路在充放电时的漏电电流，而且能提供更好的电压滤波效果；但大电阻值同时也增大了v
op
和v
on
节点处的时间常数，降低了电路的充放电速度。一般地，第一偏置电阻r1和第二偏置电阻r2的阻值可以为几十万欧姆。
[0044]
由于直流偏置电压源vs接在充放电电容cs和偏置电阻的另一端，为后级的仪表放大器提供最佳的偏置状态，从而有利于发挥仪表放大器的最佳性能。该直流偏置电压源vs作为偏置电压源，可以采用商用芯片ref2033来实现，在multisim软件仿真中用理想直流电压源来模拟。
[0045]
由于仪表放大器的输入偏置电流会泄露前级的充放电电流，从而降低环形二极管的转换增益，因此仪表放大器建议采用fet输入型芯片，该类型芯片里的输入偏置电流一般会低至几十皮安，仪表放大器的最终的输出电压v
out
采用单端形式。
[0046]
为确保整个系统统一采用单电源供电，供电电源的电压值为v
cc
。
[0047]
基于上述公开的技术内容，为了说明本公开第一实施例提出的电容电压转换器的电路正确性，下面进行详细的理论推导。
[0048]
静态时，根据该实施例的电容电压转换器电路中输出电压v
op
和v
on
电压均为1.65v，即共模电压为1.65v。此时，由于电路各个节点电位相等，因此电路无充放电发生。动态时，当时钟源v
ck
的输入时钟方波跳变到高电平时，第二二极管d2和第三二极管d3导通，跳变幅度为1.65v的方波通过第一被测电容c1和第二二极管d2对第三充放电电容c3充电，将输出电压v
op
提高δv
op
；另一路方波则通过第二被测电容c2和第三二极管d3对第四充放电电容c4充电，将输出电压v
on
提高δv
on
。假设每个二极管的正向导通电压为vd，则有：
[0049][0050][0051][0052]
由此可见，当第一被测电容c1大于第二被测电容c2时，输出电压v
op
将比输出电压v
on
增加更多，此时输出差分电压为正。当输入时钟方波跳变到低电平时，第一二极管d1和第四二极管d4导通，输出电压v
op
通过第四二极管d4和第二被测电容c2进行放电，自身下降δv
op’；另一路，输出电压v
on
通过第一二极管d1和第一被测电容c1放电，自身下降δv
on’。
[0053][0054][0055][0056]
由此可见，当第一被测电容c1大于第二被测电容c2时，输出电压v
on
将比输出电压v
op
下降更多，此时输出差分电压仍为正。通过公式(3)和(6)可以看出，在整个输入时钟方波周期，输出差分电压的解析表达式保持一致。将第一被测电容c1的容值为c0+δc，第二被测电容c2的容值为c
0-δc代入公式(6)，则有：
[0057][0058]
当δc＜＜c0+cs时，利用泰勒展开，上式(7)简化为：
[0059]
[0060]
因此，环形二极管的解调增益k
cv
为：
[0061][0062]
经过现有的环形二极管结构的理论推导结果比对，发现本公开第一实施例提出的电容电压转换器的解调输出电压和解调增益均与现有技术保持一致。在multisim等eda软件中，对本公开第一实施例提出的电路方案进行了验证功能的瞬态仿真。
[0063]
图2示意性示出了根据本公开第一实施例的电容电压转换器的仿真结果。
[0064]
如图2所示，根据本公开第一实施例的电容电压转换器，可以将输出差分电压的共模点设置在1.65v，有利于后级仪表放大器(单电源供电)的正常使用。并且，本实施例的电路结构维持了相同的解调增益和一致的输出差分电压值(图中的红色线v
op-v
on
)，仿真结果与理论推导相吻合。
[0065]
本公开第二实施例也提供了一种电容电压转换器，为简要起见，与第一实施例相同或相似的特征不再赘述，以下仅描述其不同于第一实施例的特征。
[0066]
图3示意性示出了根据本公开第二实施例的电容电压转换器的电路原理图。
[0067]
如图3所示，本公开第二实施例中，直流偏置电压源vs的两端还并联有滤波电容c
filt
，用于对直流偏置电压源vs进行噪声、干扰和纹波滤除操作。具体地，该滤波电容c
filt
的容值为0.1μf。
[0068]
通过本公开的实施例，采用滤波电容c
filt
对直流偏置电压源vs进行噪声、干扰和纹波滤除操作，可以滤除交流成分，使输出的直流电压更加平稳。
[0069]
本公开第三实施例也提供了一种电容电压转换器，为简要起见，与第一或第二实施例相同或相似的特征不再赘述，以下仅描述其不同于第一和第二实施例的特征。
[0070]
图4示意性示出了根据本公开第三实施例的电容电压转换器的电路原理图。
[0071]
本公开第三实施例还提供了一种与前述实施例结构不同的电容电压转换器。如图4所示，根据该实施例的电容电压转换器，包括时钟源v
ck
、第一被测电容c1、第二被测电容c2、环形二极管结构、第三充放电电容c3、第四充放电电容c4、第一偏置电阻r1、第二偏置电阻r2、直流偏置电压源vs和仪表放大器ia，其中：时钟源v
ck
的输出端分别通过第一被测电容c1和第二被测电容c2连接于环形二极管结构的一对对角节点上，环形二极管结构的另一对对角节点分别连接于第三充放电电容c3和第四充放电电容c4；第三充放电电容c3远离环形二极管结构的一端接地，第三充放电电容c3靠近环形二极管结构的一端连接于第一偏置电阻r1的一端，第一偏置电阻r1的另一端通过直流偏置电压源vs接地，第三充放电电容c3与第一偏置电阻r1靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器ia的正相输入端；第四充放电电容c4远离环形二极管结构的一端接地，第四充放电电容c4靠近环形二极管结构的一端连接于第二偏置电阻r2的一端，第二偏置电阻r2的另一端通过直流偏置电压源vs接地，第四充放电电容c4与第二偏置电阻r2靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器ia的负相输入端。
[0072]
通过本公开的实施例，仅在偏置电阻的尾端连接直流偏置电压源vs，而充放电电容尾端直接接地。
[0073]
本公开第三实施例的电容电压转换器的理论推导结果，与上述理论推导保持一致。并且，在multisim中也进行了仿真，仿真结果与上述图2保持一致。
[0074]
以上只是示例性说明，本实施例不限于此。例如，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
[0075]
(1)各个实施例中的时钟源v
ck
也可以取矩形波、正弦波、锯齿波等其他波形，不会改变本公开提出的设计构思。
[0076]
(2)各个实施例中的环形二极管结构也可以采用除肖特基二极管之外的mos管、可控开关等形式，不会改变本公开提出的设计构思。
[0077]
(3)各个实施例中的充放电电容也可以采用除片上可集成的金属-介质-金属电容和贴片电容之外的mos管电容等其他形式，不会改变本公开提出的设计构思。
[0078]
(4)各个实施例中的直流偏置电压源vs的电压值v
cc
/2，也可以取其他不同于0v和v
cc
的电压值，不会改变本公开提出的设计构思。
[0079]
基于同一发明构思，本公开还提供了一种传感器电子系统，包括前述第一、第二或第三实施例的电容电压转换器中的任意一种。
[0080]
图5示意性示出了根据本公开一具体实施例的传感器电子系统的工作原理图。
[0081]
可选地，如图5所示，根据该具体实施例的传感器电子系统，可以包括前述第一、第二或第三实施例的电容电压转换器中的任意一种，在电容电压转换器之前还可以设置电容式传感器，在电容电压转换器之后还可以依次设置模数转换器和数字处理系统。
[0082]
电容电压转换器的最终输出v
out
也可以采用全差分的结构，然后输入给后级的模数转换器。
[0083]
例如，为了滤除低频以上的噪声及干扰，电容电压转换器的最终输出v
out
也可以连接一个低通滤波器，该低通滤波器可以采用有源形式，或者无源形式。又例如，该低通滤波器还可以直接集成于模数转换器之中。由此，模数转换器的输出电压v
dig
可以按用户实际需要通入数字处理系统进行处理。
[0084]
综上所述，本公开实施例提供的电容电压转换器及传感器电子系统，通过将充放电电容和偏置电阻的末端接一个合适的直流偏置电压源vs，或者将偏置电阻的末端接一个合适的直流偏置电压源vs。在此基础上，仪表放大器的两个输入端通过偏置电阻同时都被偏置到该直流偏置电压源vs，不超出仪表放大器的输入共模范围。并且，还可以通过合理设计，使得该直流偏置电压源vs处于最佳偏置状态，从而使得仪表放大器处于最佳工作状态，有利于提升整个电容电压转换器，乃至整个传感器电子系统的性能。
[0085]
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
[0086]
类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示
例中以合适的方式结合。
[0087]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
[0088]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。