CN101281220B - 电容检测电路及其电容式传感器接口电路芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容检测电路及其电容式传感器接口电路芯片，涉及传感器装置领域，解决了电容检测电路结构复杂以及电容式传感器接口电路芯片体积大效率低的问题。该电容检测电路包括：电容读出前端电路，输入端与电容读出前端电路连接的解调放大电路，以及输入端与解调放大电路连接的缓冲放大电路。该电容式传感器接口电路芯片包括：自测电路、偏置电流产生电路、传感器零偏补偿电路、参考电压产生电路、时钟产生电路以及分别与上述电路相连的电容检测电路；所述自测电路、传感器零偏补偿电路还分别与片外电容式传感器相连；所述电容式传感器接口电路芯片采用集成电路工艺制作。本发明适用于开环或力平衡闭环加速度计和振动角速度陀螺仪。

Description

电容检测电路及其电容式传感器接口电路芯片

技术领域

本发明涉及传感器装置领域，特别涉及能够简化结构，更好地抑制低频噪声的一种电容检测电路及其电容式传感器接口电路。

背景技术

电容式微传感器，一般体积小、结构简单，具有功耗低、灵敏度高且温度敏感性低等优点，广泛应用于民用工业控制和军事等领域。在电容式微传感器系统设计中，电容式微传感器接口电路在一定程度上决定了微传感器系统对检测量的分辨率。现有的易于集成并广泛采用的电容读出电路结构主要是基于调制解调的连续时间电压检测技术，结构较为复杂，不易与传统的CMOS工艺兼容。并且现有的电容式微传感器接口电路由分立元件制作，不但体积大，分辨率低，而且制作重复性高、可靠性低、成本高，使微传感器的优势大打折扣。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电容检测电路，能够简化结构，更好地抑制低频噪声。

一种电容检测电路，其特征在于，电容读出前端电路与解调放大电路的输入端连接，解调放大电路连接缓冲放大电路的输入端并通过在线编程调整各级电路的放大倍数、电路带宽和增益；

所述电容读出前端电路为其输入电容C_i的一个电极与前置放大器的反相输入端连接，其另一个电极与前置放大器的输出端之间接有反馈电容C_f，内部开关并联在运算放大器的反相输入端与输出端之间，前置放大器的同相输入端接参考电压V_ref；

所述解调放大电路为前向电容C₂₁与解调放大器的反相输入端相连，积分电容C₂₃并联在解调放大器的反相输入端与输出端之间，反馈电容C₂₂在第一时钟相(φ₁)时，两极分别与参考电压相连，在第二时钟相(φ₂)时，并联在积分电容C₂₃两端；

所述缓冲放大电路为其输入端与解调放大电路连接，输入电阻R₃₁与缓冲放大器的反相输入端相连，反馈电容C₃₁、反馈电阻R₃₂分别并联在缓冲放大器的输入端与输出端之间，缓冲放大器的同相输入端接参考电压V_ref。

一种电容式传感器接口电路芯片，其特征在于，在电容读出前端电路与解调放大电路的输入端连接，解调放大电路连接缓冲放大电路的输入端后组成采样电荷电路后；电容读出前端电路、解调放大电路和缓冲放大电路三者再并联，其上并联节点连接偏置电流产生电路，其下并联节点连接参考电压产生电路，从缓冲放大电路输出；电容读出前端电路的三条输入线分别连接传感器零偏补偿电路的三条输出线、传感器零偏补偿电路的三条输出线分别和自测电路与片外电容式传感器相连的三条连接线连接；并且电容读出前端电路与解调放大电路两个电路的两条下并联节点分别与系统时钟产生电路相连。

所述电容式传感器接口电路芯片采用全CMOS集成电路工艺制作。

所述自测电路包括一个使能端，使该自测电路具有两个工作模式：使能端电平为高时，自测电路工作在自测模式，用来测试片载电容，完成芯片本身功能的自我标定；使能端电平为低时，自测电路工作在正常模式，与片外电容式传感器相连，测试片外电容式传感器的电容。

所述的两个工作模式之间通过编程切换。

所述传感器零偏补偿电路采用电容阵列。

所述电容阵列是二进制权重的。

所述传感器零偏补偿电路通过编程调整各个补偿电容的通断，实现电容阵列电容的可调功能。

本发明电容式传感器接口电路芯片由于包含本发明的电容检测电路，从而可以用一片集成电路芯片实现接口电路，大大减小了芯片体积和功耗，提高了电路精度。

附图说明

图1为电容检测电路示意图；

图2为电容读出前端电路原理图；

图3为解调放大电路原理图；

图4为解调放大电路，(a)工作在第一时钟相φ₁(b)工作在第二时钟相φ₂；

图5为缓冲放大电路原理图；

图6为两相不交迭时钟示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明电容检测电路及用于电容检测的电容式传感器接口电路芯片的具体实施方式进行详细描述。

如图1所示，本发明电容检测电路包括：电容读出前端电路，输入端与电容读出前端电路连接的解调放大电路，以及输入端与解调放大电路连接的缓冲放大电路。

图1示出了电容检测电路工作在第一时钟相φ₁和第二时钟相φ₂的情况。其中前置放大器为电路的输入端，将来自传感器的微小电容变化进行低噪声放大，前置放大器的输出信号输入到解调放大电路，以进一步抑制高频噪声，也即实现解调、放大功能，实现直流输出。信号最后经输出缓冲放大器输出到片外。这里电容C_s1与电容C_s2是片外电容式传感器的等效电容，形成差动电容对。

符号说明：V_pl为外加预载电压，用于实现闭环系统。V₀，V_vdd，V_vddl2，为外接调制直流电压，用于方波调制。V_ref为电路内部产生的参考电压，为电路工作提供基准。φ₁，φ₂，为两相不交迭时钟，为电路工作提供时序。C_s1，C_s2为传感器等效电容。C_i，C_f为第一级电路的输入电容和反馈电容。C₂₁，C₂₂，C₂₃为第二级电路的前向电容、反馈电容和积分电容。R₃₁，C₃₁，R₃₂为第三级电路的输入电阻，反馈电容和反馈电阻。以下相同，不再赘述。

图2是电容检测电路的电容读出前端电路部分，包括前置放大器、输入电容、反馈电容、内部开关以及参考电压；输入电容C_i的一个电极与前置放大器的反相输入端连接，其另一个电极与前置放大器的输出端之间接有反馈电容C_f，内部开关并联在运算放大器的反相输入端与输出端之间，前置放大器的同相输入端接参考电压V_ref。由内部开关将外接调制直流电压V_vdd、V_vddl2和V₀调制成两路幅度相等、相位相反的高频激励方波，然后施加在电容传感器的两极，把差分电容转换成电压，并调制成高频信号。本实施例的前置放大器采用带摆率增强的两级折叠式cascode结构的运算放大器。另外，高频方波的优选方式是1MHZ的高频激励方波。虚线框中所示的为片外的电容式传感器、电阻以及电容。电容读出前端电路的输出电压与片外电容式传感器的等效电容C_s2与C_s1的电容差值成正比，与反馈电容成反比。

$V_{1\mathrm{st}\_\mathrm{out}}=V_{\mathrm{ref}}+\frac{1}{C_f}\{(V_{\mathrm{vdd}/2}-V_0)*C_{S2}-(V_{\mathrm{vdd}}-V_{\mathrm{vdd}/2})*C_{S1}\}$

$=V_{\mathrm{ref}}+\frac{V_{\mathrm{vdd}/2}}{C_f}(C_{S2}-C_{\text{S1}})$

$=2.5+\frac{2.5}{C_f}(C_{S2}-C_{S1})$

本发明中的电容读出前端电路主要是将差动电容变化转化为电压，通过在线编程控制反馈电容的大小，实现本级电路放大倍数可调功能。

图3、图4示出了电容检测电路的解调放大电路部分，包括前向电容、反馈电容、积分电容、解调放大器以及参考电压。前向电容C₂₁与解调放大器的反相输入端相连，积分电容C₂₃并联在解调放大器的反相输入端与输出端之间。反馈电容C₂₂在φ₁相时，两极分别与参考电压相连，在φ₂相时，并联在积分电容C₂₃两端。反馈电容在两相不交迭时钟控制下工作，φ₁相时，本身进行电荷清零；φ₂相时，进行反馈放大。解调放大电路主要是进行解调，采用开关电容结构，把有效信号从高频解调成直流信号，并对信号进一步放大。同时，该电路模块还具有低通滤波功能，实现本级电路的放大倍数、电路带宽均可在线编程可调。本实施例的解调放大器采用带增益增强的单级折叠式cascode结构的运算放大器。如图3可知，本级电路的输出为

$V_{2\mathrm{nd}\_\mathrm{out}}=\frac{C_{21}}{C_{22}}(V_{1\mathrm{st}\_\mathrm{out}\_{\mathrm{\φ}}_2}-V_{\mathrm{ref}})+V_{\mathrm{ref}}$

$=\frac{2.5}{C_f}\frac{C_{21}}{C_{22}}(C_{s2}-C_{s1})+2.5$

电路带宽为：

其中f_s为电路采样频率，通过在线编程调整输入电容、反馈电容的大小，实现带宽和放大倍数均可调。

图5是电容检测电路的缓冲放大电路部分，包括输入电阻、反馈电容、反馈电阻、缓冲放大器以及参考电压；输入电阻R₃₁与缓冲放大器的反响输入端相连，反馈电容C₃₁、反馈电阻R₃₂分别并联在缓冲放大器的输入端与输出端之间，缓冲放大器的同相输入端接参考电压V_ref。缓冲放大电路采用电阻闭环放大，把上一级的输出信号再放大，然后缓冲输出。本实施例的缓冲放大器采用带推挽输出级的两级结构运算放大器。由图5可知，本级电路的输出是：

$V_{3\mathrm{rd}\_\mathrm{out}}=V_{\mathrm{ref}}-\frac{R_{32}}{R_{31}}(V_{2\mathrm{nd}\_\mathrm{out}}-V_{\mathrm{ref}})$

$=\frac{R_{32}}{R_{31}}\frac{C_{21}}{C_{22}}\frac{2.5}{C_f}(C_{s1}-C_{s2})+2.5$

同样，反馈电阻实现了编程可调整，由此实现了本级电路的放大倍数编程调整功能。

本发明采样电荷电路的总的输出如下：

$V_{\mathrm{out}}=V_{3\mathrm{rd}\_\mathrm{out}}=\frac{R_{32}}{R_{31}}\frac{C_{21}}{C_{21}}\frac{2.5}{C_f}(C_1-C_2)+2.5$

$=A_3{A}_2{A}_1\·\mathrm{\ΔC}+2.5$

或者，V_out＝A·ΔC+V_ref

其中各级放大倍数均可编程调整。

本发明的电容检测电路由于采用了开关电容电路技术，简化了电路结构，易于集成，更方便与传统的CMOS工艺兼容。输入节点存在虚地减轻了对寄生电容的影响，同时由于采用了相关双采样技术，能够抑制运放失调，更好地抑制低频噪声和热噪声。缓冲放大电路采用电阻闭环放大，实现了直流预载可调。

本发明电容式传感器接口电路芯片如图6所示，包括：自测电路、偏置电流产生电路、传感器零偏补偿电路、参考电压产生电路、时钟产生电路以及电容检测电路。

自测电路、传感器零偏补偿电路分别与电容检测电路以及片外电容式传感器相连，参考电压产生电路、时钟产生电路、偏置电流产生电路分别与电容检测电路相连。

本发明电容式传感器接口电路芯片采用全CMOS集成电路工艺制作，为一款集成电路芯片。参考电压产生电路、时钟产生电路为芯片提供符合要求电压基准和工作时序。

自测电路包括一个使能端，可以设置该自测电路具有两个工作模式：

使能端电平为高时，自测电路工作在自测模式，用来测试片载电容，完成芯片本身功能的自我标定，如：电路的线性度以及增益因子等；

使能端电平为低时，自测电路工作在正常模式，与片外电容式传感器相连，测试片外电容式传感器的电容等参数。

通过编程使自测电路在两个工作模式之间切换。

传感器零偏补偿电路部分采用二进制权重的电容阵列，通过编程调整各个补偿电容的通断，实现电容阵列的电容在10fF～2.55pF范围内以每步10fF的最小步长变化可调功能。

时钟产生电路内含片载振荡器，用于实现片载时钟，产生两相不交迭时钟波形，如图7所示，为整个芯片提供符合要求的工作时序。时钟产生电路通过调整片外偏置电阻的大小，来调整时钟频率。

本发明电容式传感器接口电路芯片由于包含本发明的电容检测电路，从而可以用一片集成电路芯片实现了接口电路，大大减小了芯片体积和功耗，降低了成本，提高了电路精度。

Claims (8)

1.一种电容检测电路，其特征在于，电容读出前端电路与解调放大电路的输入端连接，解调放大电路连接缓冲放大电路的输入端并通过在线编程调整各级电路的放大倍数、电路带宽和增益；

所述电容读出前端电路为其输入电容C_i的一个电极与前置放大器的反相输入端连接，其另一个电极与前置放大器的输出端之间接有反馈电容C_f，内部开关并联在运算放大器的反相输入端与输出端之间，前置放大器的同相输入端接参考电压V_ref；

所述解调放大电路为前向电容C₂₁与解调放大器的反相输入端相连，积分电容C₂₃并联在解调放大器的反相输入端与输出端之间，反馈电容C₂₂在第一时钟相(φ₁)时，两极分别与参考电压相连，在第二时钟相(φ₂)时，并联在积分电容C₂₃两端；

所述缓冲放大电路为其输入端与解调放大电路连接，输入电阻R₃₁与缓冲放大器的反相输入端相连，反馈电容C₃₁、反馈电阻R₃₂分别并联在缓冲放大器的输入端与输出端之间，缓冲放大器的同相输入端接参考电压V_ref。

2.一种电容式传感器接口电路芯片，其特征在于，在电容读出前端电路与解调放大电路的输入端连接，解调放大电路连接缓冲放大电路的输入端后组成采样电荷电路后；电容读出前端电路、解调放大电路和缓冲放大电路三者再并联，其上并联节点连接偏置电流产生电路，其下并联节点连接参考电压产生电路，从缓冲放大电路输出；电容读出前端电路的三条输入线分别连接传感器零偏补偿电路的三条输出线、传感器零偏补偿电路的三条输出线分别和自测电路与片外电容式传感器相连的三条连接线连接；并且电容读出前端电路与解调放大电路两个电路的两条下并联节点分别与系统时钟产生电路相连。

3.如权利要求2所述的一种电容式传感器接口电路芯片，其特征在于所述电容式传感器接口电路芯片采用全CMOS集成电路工艺制作。

4.如权利要求2所述的一种电容式传感器接口电路芯片，其特征在于所述自测电路包括一个使能端，使该自测电路具有两个工作模式：

使能端电平为高时，自测电路工作在自测模式，用来测试片载电容，完成芯片本身功能的自我标定；

使能端电平为低时，自测电路工作在正常模式，与片外电容式传感器相连，测试片外电容式传感器的电容。

5.如权利要求4所述的一种电容式传感器接口电路芯片，其特征在于所述的两个工作模式之间通过编程切换。

6.如权利要求2所述的一种电容式传感器接口电路芯片，其特征在于所述传感器零偏补偿电路采用电容阵列。

7.如权利要求6所述的一种电容式传感器接口电路芯片，其特征在于所述电容阵列是二进制权重的。

8.如权利要求6所述的一种电容式传感器接口电路芯片，其特征在于所述传感器零偏补偿电路通过编程调整各个补偿电容的通断，实现电容阵列电容的可调功能。

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