专利名称：Dc稳定的电荷放大器的制作方法
技术领域：
在此所描述的主题的实施例总体上涉及电荷放大器，例如与电容加速度计、陀螺仪以及使用电容传感机制的其它器件一起使用的那些电荷放大器。更具体地，各种实施例涉及具有DC稳定反馈回路的电荷放大器电路。
背景技术：
“电荷放大器”是能够接收输入电荷并且基于输入电荷来驱动输出电压的任意器件、电路或系统。在大部分的应用中，输入电荷并不是在诸如测量、处理、逻辑或信息电路那样的其它电路中使用的合适的信号。因此，传统的电荷放大器基于输入电荷驱动将用作其它电路的信号的输出电压。电荷放大器电路及系统被用于许多不同的应用中。例如，交通工具的气囊触发器件使用电容加速度计，其通常利用电荷放大器系统将来自加速度计的电荷输出转换为输出电压。输出电压用来确定用于触发气囊的条件。使用电荷放大器的其它应用包括微机电系统(MEMS)，例如具有电荷放大器的MEMS陀螺仪和MEMS加速度计。例如， 数码相机和游戏机遥控器可以使用电荷放大器，利用MEMS陀螺仪及加速度计来测量运动。通常，电荷放大器系统包括具有电容反馈回路的运算放大器。电荷放大器的输入可能经历近似为在输入和地(或其它参考电压)之间流动的电流的“漏电流”。在某些情况下，漏电流能够在电荷放大器的输出引起DC偏移，这可能不希望地致使放大器被驱动至饱和。在传统的电荷放大器中，电阻器通常被用作与电容反馈回路并联的DC反馈通路，从而提供漏电流并使电荷放大器的DC偏移值稳定。大的电阻器在传统的电荷放大器中典型地实现为与电荷放大器分离的分立元件，所述电荷放大器典型地实现于芯片上。将电阻器实现为分立元件在成本和尺寸方面是不利的。同样，在传统的放大器中一般使用大的电阻器，以防止AC通过DC稳定通路反馈， 并且由此防止在电荷放大器的输入引入不希望的信号。DC稳定通路因此具有至少部分地由 DC通路的电阻确定的截止频率。在传统的电荷放大器中，在DC反馈回路中的截止频率取决于DC反馈回路中的电阻器的值以及电容反馈回路中的电容器的值。随着电阻器和电容器的值增加，截止频率变得更低。根据传递函数，在反馈通路中的电阻器和电容器确定了在电荷放大器的频率响应中的极点频率(pole frequency)；这些通路因此影响DC反馈回路的截止频率。随着电阻器的大小变大，通过实现于芯片上的电阻器来提供漏电流会越来越困难。而且，在电容反馈通路中的大电容会在电荷放大器的输出不希望地引起信号电平降低，导致在电荷放大器的输出处的信噪比(SNR)低。一个传统的电荷放大器在DC反馈回路中使用有源低通滤波器以在DC稳定通路中防止不希望的AC信号。提供漏电流的电阻器实现于芯片上，但是这仍然需要相对大的电容器和相对大的电阻器以实现所希望的低的截止频率。因此传统的电荷放大器在被实现为具有低的截止频率时可能提供相对低的输出信号电平。因此，所希望的是提供具有DC稳定通路的电荷放大器电路，所述DC稳定通路具有低截止频率，并且在电荷放大器的输出提供合适的输出信号电平以及获得高信噪比的同时还提供用于漏电流的合适的电流。结合附图以及上述技术领域和背景技术，其它所希望的特征和特性根据随后的详细描述和所附的权利要求将变得显而易见。
在结合附图进行考虑时可以通过参考详细的描述和权利要求获得对本主题的更全面的理解，其中在所有附图中相同的附图标记指示相同的要素。图1是示出包括电荷放大器的示例性的MEMS传感器系统的框图；图2是示出在电荷放大器中的示例性的DC稳定通路的框图；图3是示例性电荷放大器电路的电路图；以及图4是操作在器件中的电荷放大器的示例性方法的流程具体实施例方式下面的详细描述实际上只是说明性的，而并不意图限定本主题的实施例或此类实施例的应用和使用。根据各种实施例，描述了用于改进在电荷放大器电路中的DC稳定通路的特性的系统、电路及方法。与传统的电荷放大器不同，示例性实施例在电荷放大器的DC稳定通路中设置积分器以创建二阶DC稳定电路，如在下文将更详细地讨论的，该二阶DC稳定电路可以在频率响应分析中进一步包括低极点。许多实施例的DC稳定通路提供了通过DC稳定通路的比在芯片上实现的传统的电荷放大器更低的截止频率。许多实施例还提供了漏电流和合适的输出信号电平。在示例性实施例中，在电荷放大器中的DC稳定通路包括用于提供漏电流的第一电阻以及在积分器中实现的用于提供低的截止频率的的第二电阻。提供漏电流的第一电阻器的值能够小于传统的电荷放大器中的第一电阻器的值，从而允许在许多实施例中被实现于芯片上。第二电阻器在大部分的实施例中不需要提供漏电流，并且因此能够根据所希望的截止频率连同积分器内的电容器一起选择。与传统的电荷放大器的反馈通路中的元件不同，在许多实施例的积分器中所实现的元件并没有不良地影响电荷放大器的输出信号电平。因此，在许多实施例中，电荷放大器被实现于芯片上，包括在DC稳定通路中用于提供漏电流的电阻器，以及被实现于DC稳定器通路中用于在DC稳定通路中提供所希望的低截止频率的积分器。此外，除了以上成就外，大部分实施例在电荷放大器的输出处提供了合适的信号电平。现在将特别参考附图给出多个示例性实施例的细节。图1是具有反馈控制的传感器系统10的框图。该示例性实施例的传感器系统具有带有MEMS输入22和MEMS输出M的MEMS传感器20。反馈回路12可以包括电荷放大器 100和自动增益控制部30。在一个示例性实施例中，电荷放大器包括如图2所示的含有第一放大器输出114的第一放大器110。传感器系统10是感测电子现象并具有基于该现象的输出的任意电子系统。在图 1的示例实施例中，传感器系统10具有反馈回路12。例如，MEMS陀螺仪可以具有反馈回路 12以将振荡块保持在MEMS陀螺仪内。在另选实施例中，传感器系统10可以不具有反馈回路12。例如，在没有反馈回路12的传感器系统10中可以使用光电探测器、CCD成像器件、光纤接收器和加速度计。为了讨论，现在将讨论包括MEMS陀螺仪的示例性的传感器系统10， 但其它系统10也能够等效地应用。在其中电荷放大器与例如某些MEMS陀螺仪或加速度计20 —起使用的示例性的应用中，电荷放大器100具有某一载波频率的输入电荷Q。该载波频率是任意合适的频率，并且在一个示例性实施例中是从大约2kHz到大约20kHz的范围中选择的频率。在一个实施例中，MEMS陀螺仪具有大约12kHz的载波频率。对于以在这个范围以及其它范围内的载波信号输入来操作的电荷放大器，已经确定降低DC稳定通路中的低通截止频率是所希望的。现在将结合一个实施例来讨论具有MEMS陀螺仪的示例性的MEMS传感器系统10。 在一个实施例中，MEMS传感器20是具有MEMS输出M的MEMS陀螺仪。MEMS陀螺仪包括以例如大约12kHz的频率振荡的振荡块。MEMS陀螺仪以电荷“Q”的形式度量振荡块的旋转变化。在许多实施例中，MEMS输出M是电荷Q，其并不典型地适合于直接使用在逻辑电路和其它电路中。MEMS输出M因此与电荷放大器100耦合以转换为可用于其它电路中的电压信号。在示例性实施例中，电荷放大器100在第一放大器的输出114处以输入电荷Q的频率(例如大约12kHz)来驱动电压信号。输入载波信号的电荷变化一般表示陀螺仪的旋转， 但电荷变化还可以表示许多实施例中的缺陷。电荷Q，包括信号的变化，能够由电荷放大器 100转换为合适的电压信号。 随着来自MEMS陀螺仪20的电荷Q转换为示例性MEMS传感器系统10中的适合的电压信号，该电压信号能够被使用于反馈回路12中以驱动MEMS陀螺仪振荡器。在大部分的实施例中，电压信号被用作其它电路(例如逻辑或控制电路)的输入。电荷放大器100 的放大器输出114能够作为反馈回路12的一部分与自动增益控制部30电耦合。来自电荷放大器100的电压信号因此被自动增益控制部30放大至适当的电平。自动增益控制部30 与MEMS输入22耦合，从而以所希望的频率(例如大约12kHz)驱动振荡器。用于反馈的电压信号的变化可以被用来校正MEMS陀螺仪中的缺陷。该变化还可以被过滤或者被另外修改并且然后被用来驱动MEMS陀螺仪中的振荡器。如图2所示，在下面讨论电荷放大器100 的示例性实施例。图2示出了包括第二反馈回路130的电荷放大器。DC稳定电路可以是该示例性实施例的第二反馈回路130的一部分或全部。在另选实施例中，其它元件或器件可以包含于第二反馈回路130内。电荷放大器100接收形式为电荷Q的信号并且可以具有带有第一放大器输入112的第一放大器110。电荷放大器100适当地包括作为用于电荷放大器的输出 V。ut的节点的第一放大器输出114。电荷放大器100可以具有在第一反馈回路160中的第一电容器162。在该示例性实施例中的第二反馈回路130包括积分器140、衰减器150和第一电阻器132。第一放大器110可以是具有负差分输入115和正差分输入117的差分放大器。 正差分输入117可以与第一参考电压VMfl119(例如电路的模拟地)连接。其它参考电压可以用于第一参考电压VMfl119，包括例如，MEMS陀螺仪的输出的负侧或者公共地。如之前所讨论的，在第一放大器输入112处的漏电流可以表示为流到电气地的电流，并且作为图2中的IlrakI 16以图示方式示出。在图2的示例性实施例中的第二反馈回路130也可以称为DC稳定通路。示例性实施例的第二反馈回路130或DC稳定通路包括耦合于第一放大器输出114和第一放大器输入112之间的，并且与第一反馈回路160并联的DC稳定电路。第二反馈回路130适当地包括积分器140和衰减器150。在DC稳定电路或第二反馈回路130中的积分器140可以用任意方式来实现。在一个实施例中，以积分器140实现的电阻器和电容器提供了在低通截止频率的频率响应分析中的低极点。还可以实现积分器140，使之包括给DC稳定电路提供在频率响应分析中的稳定的零的前馈电容器。积分器140是累积输入电压的任意器件或元件。积分器140适当地包括积分器输入142和积分器输出144。在一个示例性实施例中，积分器140在积分器输出144处产生积分电压。在该示例性实施例中，积分器输出144可以与衰减器输入152耦合。衰减器150 是使电压信号衰减的任意器件或元件。示例性实施例的衰减器150能够使积分电压衰减， 并且适当地包括衰减器输出154。衰减器输出巧4可以与第一电阻器132耦合。在一个示例性实施例中，如之前所讨论的，MEMS陀螺仪20可以以载波频率(例如大约12kHz)操作。示例性的电荷放大器100产生了以载波频率调制的输出电压信号V。ut。 通过将第二反馈回路130耦合于放大器输出114和放大器输入112之间，载波频率下的输出信号如果通过反馈回路130传送则可能干涉输入信号。因此，在许多实施例中，所希望的是，第二反馈回路130使较高的频率衰减。例如，在一个示例性实施例中，第二反馈回路130 具有范围为大约IOOHz到大约IkHz的合适的截止频率。在一个示例性实施例中，第二反馈回路130是二阶DC稳定电路，在该二阶DC稳定电路中，第二反馈回路130可以实现具有在频率响应中含有两个(或更多个)极点的二阶 (或更高阶的)传递函数的电路。在该示例性实施例中，较低的极点确定DC稳定通路的截止频率，并且与DC稳定通路中的第一组元件相关。第二组元件可以确定电荷放大器100的增益。可以将DC稳定电路中的较低极点从第二组元件中去耦合以提供由第一组元件所确定的相对低的截止频率，并且电荷放大器100的增益函数能够由单独一组元件确定。在图 2的一个示例性实施例中，第二反馈回路130是具有积分器140的二阶DC稳定电路。在其它实施例中，第二反馈回路130可以是具有更高阶的传递函数并且在频率响应中具有更多极点的电路。通过使用二阶(或更高阶)的滤波器，在DC反馈通路中所使用的两个电阻器之间的间隔能够得以保持或提高。此外，更高阶的滤波器典型地提供了以截止频率以上的频率的更有效的滤波，由此同样改进了滤波器的效果。在图2的示例性实施例中的电荷放大器100可以包括积分器140。可以将积分器 140配置成在DC反馈通路中提供基本上与第一电阻器132和第一电容器162的值无关的低截止频率。根据传递函数，在示例性实施例中的积分器140被配置成提供最低的频率极点并且因此确定电荷放大器的低频率响应。然后可以将第一电阻器132选择成合适的值并且将其实现于芯片上，同时提供漏电流Ileak 116。类似地，可以将第一电容器162选择成针对合适的输出信号电平的值。在该示例性实施例中，第一电阻器132和第一电容器162在示例性的电荷放大器100的频率响应分析中提供了高极点。积分器140的各种实现方式的更多细节在下面结合图3来讨论。图3示出了电荷放大器100的示例性实施例的更详细的视图。在图3的示例性实施例中，第二反馈回路130包括耦合于第一放大器输出114和积分器140之间的低通滤波器120。图中示出了实现积分器140的示例性实施例的细节，其包括第二放大器141、第二电阻器134、具有积分器反馈电容器136的积分器反馈回路149、具有前馈电容器138的积分器前馈电容回路146及具有增益A1的第三放大器148。第一放大器110和第二放大器141可以是用来放大电压的任意放大器。第一放大器110和第二放大器141在该示例性实施例中作为相对高增益的运算放大器示出。放大器 110和141在许多实施例中为差分放大器，但是在其它实施例中也可以实现为全差分放大器或其它类型的放大器。第二放大器141在图3的示例性实施例中作为包括负差分输入143、正差分输入 145和第二放大器输出147的差分放大器示出。正差分输入145可以与积分器参考电压 Vref2139连接。在该示例性实施例中的积分器参考电压V,ef2139是与第一参考电压V,efl119 分离的电气地基准。在另选实施例中，积分器参考电压Vref2139可以是其它参考电压，例如， 与第一参考电压119的公共地，或者正或负电压值或信号。如结合图2所讨论的，一个示例性实施例的积分器140可以被实现为在频率响应分析中产生低极点。例如，可以用值相对高的第二电阻器134以及值相对高的积分器反馈电容器136来实现积分器140。在一个示例性实施例中，前馈回路146被实现于积分器140 中以在频率响应中建立稳定的零，并且因此允许示例性实施例以稳定的方式操作。在电荷放大器中的稳定DC反馈回路的其它方法可以在其它实施例中使用。在一个实施例中，低通滤波器120具有DC稳定回路的频率响应的可忽略效应。使用传统的电气工程理论，能够容易地显示出，在图3所示的电路中的DC稳定回路在单位增益频率附近的频率范围下的开环传递函数如下
权利要求
1.一种电荷放大器电路(100)，包括具有第一放大器输出(11 和第一放大器输出(114)的第一放大器(110)；与所述第一放大器并联耦合的第一电容器(162)；与所述第一放大器并联耦合并且与所述第一电容器并联耦合的DC稳定电路(130)，所述DC稳定电路包括积分器(140)，包括积分器输出(144)，以及与所述第一放大器输出耦合的积分器输入 (142)；衰减器(150)，包括衰减器输出(巧4)，以及与所述积分器输出耦合的衰减器输入 (152)；以及耦合于所述衰减器输出和所述第一放大器输入之间的第一电阻器(132)。
2.根据权利要求1的电荷放大器电路，其中所述DC稳定电路还包括耦合于所述第一放大器输出和所述积分器输入之间的低通滤波器(120)。
3.根据权利要求1的电荷放大器电路，其中所述积分器包括第二放大器(141)，其具有负差分输入(145)、与积分器参考电压(139)耦合的正差分输入(143)、及第二放大器输出(147)；耦合于所述积分器输入和所述第二放大器的所述负差分输入之间的第二电阻器 (134)。
4.根据权利要求1的电荷放大器电路，其中所述电荷放大器电路作为集成电路生产。
5.根据权利要求1的电荷放大器电路，其中所述DC稳定电路是在所述频率响应中具有低极点的二阶DC稳定电路，并且其中所述第一电阻器与所述低极点去耦合。
6.根据权利要求3的电荷放大器电路，其中所述积分器还包括与所述第二电阻器并联地与所述积分器输入及所述负差分输入耦合的前馈电容器 (138)；耦合于所述第二放大器的负差分输入和所述第二放大器输出之间的积分器反馈电容器(136)。
7.根据权利要求3的电荷放大器电路，其中所述电荷放大器电路作为集成电路生产， 并且其中所述第一电阻器和所述第二电阻器是受控的长度长的M0SFET。
8.根据权利要求6的电荷放大器，其中所述积分器包括在所述积分器的输入和所述前馈电容器之间串联耦合的第三放大器(148)，所述第三放大器具有与所述积分器输入耦合的输入以及与所述前馈电容器耦合的第三放大器输出。
9.根据权利要求8的电荷放大器，其中所述第一电容器具有第一电容(C1),所述第一电阻器具有第一电阻(R1),所述积分器反馈电容器具有第二电容(C2)，所述第二电阻器具有第二电阻(R2)，所述前馈电容器具有第三电容(C3),所述第三放大器可以具有增益(A1), 所述衰减器具有衰减器逆增益(1/A2)，并且所述第一放大器输入接收具有复频率(s)的信号，其中所述电荷放大器电路的所述DC稳定回路具有在所述单位增益频率附近的频率范围处的开环传递函数(T (s))，如下
10.根据权利要求9的电荷放大器电路，其中所述衰减器逆增益以及所述第二电阻(R2)和所述第二电容(C2)每个都具有使得所述开环传递函数具有50Hz以下的相关的极点频率的值。
11.一种操作具有电路输入(11 和电路输出(114)的电荷放大器电路的方法，所述方法包括在所述电路的输出驱动基于输入电荷的输出电压G20)； 使所述输出电压关于时间积分G40)以产生积分的输出电压； 使所述积分的输出电压衰减G50)以产生衰减电压； 将所述衰减电压通过反馈电阻器反馈(460)到所述电路输入。
12.根据权利要求11的操作电荷放大器的方法，还包括在积分所述输出电压之前使用低通滤波器来过滤所述输出电压G30)。
13.根据权利要求11的操作电荷放大器的方法，其中所述积分步骤可以使用积分器 (140)来执行，所述积分器具有含有前馈电容器(13 的前馈通路(146)。
14.根据权利要求11的操作电荷放大器的方法，其中所述输入电荷由MEMS传感器件 (20)提供。
15.根据权利要求14的操作电荷放大器的方法，其中所述MEMS传感器件是MEMS陀螺仪。
全文摘要
与MEMS陀螺仪(20)或其它器件一起使用的集成电荷放大器电路(100)利用DC稳定电路(130)提供了改进的低截止频率，同时在传感节点处允许大的漏电流。电荷放大器电路包括具有第一放大器输入(112)和第一放大器输出(114)的第一放大器(110)。第一电容器(162)与第一放大器并联耦合，以及DC稳定电路与第一放大器并联耦合并且与第一电容器并联耦合。DC稳定电路包括具有与第一放大器输出耦合的积分器输入以及积分器输出的积分器(140)。具有衰减器输入和输出的衰减器(150)与积分器输出耦合，以及第一电阻器(132)耦合于衰减器输出和第一放大器输入之间。
文档编号H03F1/36GK102210098SQ200880131910
公开日2011年10月5日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者D·方, D·米尤斯科维奇 申请人:飞思卡尔半导体公司