CN101825694A

CN101825694A - 一种失调电容自动校准电路及方法

Info

Publication number: CN101825694A
Application number: CN 201010139606
Authority: CN
Inventors: 方然; 鲁文高; 陈中建; 张雅聪; 鞠原; 刘仁直; 郭娟; 肖永强; 吉利久
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2030-04-01
Also published as: CN101825694B

Abstract

本发明涉及一种MEMS传感器电容读出电路中失调电容自动校准电路及方法，属于微电子集成电路设计及微电子MEMS技术领域。针对现有技术中的问题，本发明提供一种失调电容自动校准电路及方法，该电路包括复位电路，用于进行电荷放大器复位重置；比较电路，用于读取并比较电荷放大器输出信号；逐次逼近电路，用于接受比较结果并生成电容补偿控制码；补偿电容阵列电路，用于根据电容补偿控制码指令对传感器电容形成补偿电容。该技术方案只需要一个校准开始信号，电路在经过N+1个载波周期后即可自动调节补偿电容大小来实现电容补偿，便捷易用，比手动调整更加准确；电路实现复杂度低，而且电路功耗也大大降低，具有很高的实际应用价值。

Description

一种失调电容自动校准电路及方法

技术领域

本发明属于微电子集成电路设计及微电子MEMS技术领域，涉及电容式传感器检测及控制电路中的电容检测技术，具体涉及一种MEMS传感器电容读出电路中失调电容的自动校准电路及方法。

背景技术

电容式MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机械系统)在军事、工业控制、汽车及消费类电子等多个领域有着广泛的应用前景，例如电容式MEMS陀螺、电容式MEMS加速度计等。极微小电容，通常在10^-2-10^-15法拉量级的检测电路是电容式MEMS传感器系统的关键组件之一，该部分由传感器差分检测电容和C/V(Capacitanceto Voltage，电容-电压)转换电路组成。

CSA(Charge Sensitive Amplifier，电荷放大器)是最常见的C/V转换电路之一，其检测精度主要由电路的噪声决定。MEMS传感器的差分检测电容信号的频率通常在几KHz到几十KHz，而在该频段范围内，CMOS电路中MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor，金属-氧化物-半导体绝缘性场效应管)的1/f噪声是主要的噪声源，因此电容检测电路的检测精度主要由电路的1/f噪声决定。为了降低1/f噪声的影响，通常在电容检测电路中采用CHS(Chopper Stabilization，斩波稳定)技术进行低噪声设计，如图1所示，即高频载波将变化电容信号调制到高频，经电荷放大器放大后进行同步解调和低通滤波，最后输出放映变化电容信号的电压信号。由于工艺加工的误差，微机械传感器差分检测电容存在失调。在检测电路中，失调电容会同差分电容变化信号一起被放大，而失调电容值远大于变化电容大小的幅值，因此失调电容降低了电容检测电路的动态范围。

传统的抑制失调电容的方法主要是片上补偿电容阵列，通过在MEMS传感器差分电容上并联不同大小的电容，以补偿差分检测电容之间的失调电容。外加补偿电压方式的补偿精度由外加电压幅度的精度决定，需要外围电路来产生幅度可调的补偿电压，增加了电路系统的复杂度；片上补偿电容阵列方式要实现高精度和大范围的失调电容补偿，就需要更大的电容阵列和更多的控制信号及接口，也增加了电路的复杂度和成本；由于工艺的限制，每一个传感器的差分失调电容也各不相同，因此传统的手调失调电容补偿方式需要对每一个传感器进行手动测试和校准，不易于使用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的问题，提供一种更加便捷的MEMS电容式传感器读出电路中失调电容的自动校准电路及方法。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种失调电容自动校准电路，包括振荡器以及电荷放大器；另有待校准的传感器电容连接所述电荷放大器的输入端，所述电荷放大器用于检测所述传感器电容的差分变化；所述自动校准电路还包括：

复位电路，用于接受所述振荡器的信号对所述电荷放大器进行复位重置操作；

比较电路，用于读取并比较所述电荷放大器的输出信号；

逐次逼近电路，用于接受所述比较电路的比较结果并生成电容补偿控制码；

补偿电容阵列电路，用于根据所述电容补偿控制码的指令对所述传感器电容形成校正补偿电容。

所述补偿电容阵列电路包括若干个并联的电容，所述电容的电容值采用二进制编码，最高位电容的电容值最高，最低位电容的电容值最低。

所述电容补偿控制码包括用于控制所述补偿电容阵列电路整体与所述电荷放大器连接的端口选择码，以及用于一一对应控制每一个所述电容与所述电荷放大器连接开关的电容接入选择码。

所述电容接入选择码的位数与所述补偿电容阵列电路中所包含的电容数量相对应。

此外，本发明还提供一种失调电容自动校准方法，包括如下步骤：

步骤1：比较电路读取并比较电荷放大器的输出信号，然后将比较结果输送给逐次逼近电路；

步骤2：逐次逼近电路接受比较结果，生成端口选择码并发送给补偿电容阵列电路；

步骤3：补偿电容阵列电路根据端口选择码的指令选择将补偿电容加至电荷放大器的正端还是负端；

步骤4：补偿电容阵列电路接入最高位电容至电荷放大器，重复步骤1，逐次逼近电路接受比较结果，生成对应最高位电容的电容接入选择码的数值并发送给补偿电容阵列电路；

步骤5：补偿电容阵列电路根据电容接入选择码的指令选择是否将该位电容接入电路；

步骤6：将步骤4中的最高位电容更换为下一位电容，然后重复步骤4及步骤5，直至全部电容所对应的电容接入选择码均被生成后发送给补偿电容阵列电路，并由补偿电容阵列电路执行相应操作。

所述步骤1之前还包括：断开补偿电容阵列电路的连接接入，同时复位电路对电荷放大电6进行复位重置。

每一个载波周期的前半个周期中，复位电路对电荷放大器进行复位重置。

所述步骤1、2和3、步骤4和5、步骤6的实施时间分别为该步骤当前所在载波周期的后半个周期。

(三)有益效果

本发明技术方案所提供的失调电容自动校准电路以及方法中，电容阵列变为若干个大小为二进制编制的电容，通过片内生成的N位二进制码控制，而二进制码由主次逼近算法在时钟控制下从高位到低位依次得到。在失调电容校准过程中，只有第一级电荷放大器工作，当要确定控制码的某一位时，先加入对应该位的电容，对放大器复位，然后根据放大器输出判断是否应该加入该位电容，时钟的下一个周期转移到低一位同理判断。因此，该方案相对于传统的片上补偿电容阵列的抑制失调电容的方法，具备如下特征：

1、本发明技术方案只需要一个校准开始信号，电路在经过N+1个载波周期后即可自动调节补偿电容大小来实现电容补偿，便捷易用，比手动调整更加准确；

2、本发明技术方案中片内补偿电容和片外控制信号的数量大大减少，电路实现复杂度低，而且电路功耗以及成本也大大降低，具有很高的实际应用价值。

附图说明

图1为现有技术中的电荷放大器及后续读出电路结构示意图；

图2是本发明实施例所提供的自动校准电路的结构示意图；

图3是本发明实施例中补偿电容阵列电路的电路示意图；

图4是本发明实施例中时钟信号、比较信号和复位信号的时序关系示意图；

图5是本发明实施例中电容校准过程中电荷放大器输出的瞬态响应和完成信号的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例

本实施例首先具体描述本发明技术方案所提供的失调电容自动校准电路的结构特征。

如图2所示，所述电路包括正常读出电路，电容自动补偿电路和控制信号发生电路三部分。

其中，正常读出电路包括电荷放大器201和后续读出电路202；C1、C2是传感器的检测电容，也就是需要匹配的电容，它们的其中一端都连到vac，另一端分别连到电荷放大器201的两个输入端，电荷放大器201的两个输出连到后续读出电路202的两个输入端。

控制信号发生电路主要是振荡器203，其中振荡器203的输出端vac连至补偿电容阵列电路206和逐次逼近电路205，输出端vc连至比较电路204，输出端vr连至复位电路207。

电容自动补偿电路包括比较电路204、逐次逼近电路205、补偿电容阵列电路206和复位电路207；

所述复位电路207，连接所述振荡器203及电荷放大器201，用于根据来自所述振荡器203的信号对所述电荷放大器201进行复位重置；

所述比较电路204，连接所述振荡器203及电荷放大器201，用于读取并比较所述电荷放大器201的输出信号；

所述逐次逼近电路205，连接所述比较电路204，用于根据所述比较电路204的比较结果并生成电容补偿控制码；

所述补偿电容阵列电路206，连接所述逐次逼近电路205以及电荷放大器201，包括若干个并联的电容，所述电容采用二进制编码，最高位电容的电容值最高，最低位电容的电容值最低；所述补偿电容阵列电路206用于根据所述电容补偿控制码的指令对整体电路形成补偿电容。

所述电容接入选择码的位数与所述补偿电容阵列电路206中所包含的电容数量相对应。

图3是图2所示补偿电容阵列电路的电路示意图。此实施实例是取N＝7，即补偿电容为7个二进制取值的电容，具有2⁷个补偿电容值的失调电容自动校准电路。

图中补偿电容为二进制取值，即C70＝2C60＝4C50＝8C40＝16C30＝32C20＝64C10，因此最小补偿电容值为C10，最大补偿电容值为(2⁷-1)C10。而电容接入选择码控制了连接电容的开关，例如电容接入选择码是1000011，则补偿电容大小为C70+C20+C10＝67C10。

下面接着对本发明技术方案所提供的失调电容自动校准方法的流程进行具体描述。

所述方法包括如下步骤：

步骤1：当一个开始信号作用在所述失调电容自动校准电路上时，失调电容自动校准功能开始。振荡器203开始产生信号作用在比较电路204和复位电路207，并产生时钟信号vac，同时开始信号将逐次逼近电路205中的寄存器置0。

步骤2：在时钟信号第一个周期的前半个周期内，振荡器203向复位电路207发出信号，实现电荷放大器201的复位；在下半个周期，电荷放大器201读出C1和C2的差别，待输出稳定后振荡器203向比较电路204发出信号，得到比较结果锁存，并输出给逐次逼近电路205。

步骤3：在第二个时钟信号周期开始时，逐次逼近电路205根据比较电路204的比较结果判断补偿电容阵列电路应与电荷放大器的哪一端连接，并通过逐次逼近电路205中的逻辑电路将端口选择码输送给补偿电容阵列电路206；如图3中所示，控制开关Sp使得电容连接至Vin+还是Vin-。至此，电路判断出了补偿电容应加于哪一端；同时，在此时钟周期的前半个周期内，振荡器203向复位电路207发出信号，实现电荷放大器201的复位；逐次逼近电路205中用于控制S70的寄存器置1，接入最高位补偿电容至电荷放大器。

步骤4：在时钟信号第二个周期的后半个周期，电荷放大器201读出补偿后的C1’和C2’的差别，待输出稳定后振荡器203向比较电路204发出信号，得到比较结果锁存，并输出给逐次逼近电路205。

步骤5：在时钟信号第三个周期来到时，通过逐次逼近电路205中的逻辑电路输出电容接入选择码对应S70的开关信号到补偿电容阵列电路206，控制S70与电荷放大器连接开关的开启或是闭合。至此，电路得到了电容接入选择码的最高位。在时钟信号第三个周期的前半个周期内，振荡器203向复位电路207发出信号，实现电荷放大器201的复位，同时逐次逼近电路205中用于控制S60的寄存器置1，接入次高位补偿电容至电荷放大器；

步骤6：在时钟信号第三个周期下半个周期，电荷放大器201读出补偿后的C1’和C2’的差别，待输出稳定后振荡器203向比较电路204发出信号，得到比较结果锁存，并输出给逐次逼近电路205。等到在下一个时钟周期开始时，通过逐次逼近电路205中的逻辑电路输出电容接入选择码对应S60的开关信号到补偿电容阵列电路206，控制S60与电荷放大器连接开关的开启或是闭合。至此，电路得到了电容接入选择码的次高位。

同理不再赘述，经过时钟信号的八个周期，电路得到了电容接入选择码的所有位。这时，在第九个时钟周期，逐次逼近电路205输出一个完成信号到振荡器203和比较电路204，关闭电容补偿控制电路部分。至此，电路完成失调电容自动校准功能，之后读出电路可以进行正常的传感器读出工作。

图4是时钟信号、比较信号和复位信号的时序关系图。vac即时钟信号，本例中以上升沿作为每个时钟周期的开始，正向脉冲为前半个周期，负向脉冲为后半个周期。复位信号是高电平有效，可以看到在vac前半个周期内对电荷放大器复位。比较信号是在上升沿时刻使比较器比较锁存，出现在vac的后半个周期。

图5是校准过程中电荷放大器输出的瞬态响应和完成信号。在t＝50us时，外加开始信号，图中瞬态响应正如上面过程所述。电荷放大器的输出时两个全差分的信号，可以看到经过8个时钟周期，两个信号趋于相等，实现了C1、C2的匹配。而在第九个时钟周期的开始，电路输出了完成信号(低有效)。

综上所述，本发明技术方案所提供的失调电容自动校准电路以及方法中，电容阵列变为若干个大小为二进制编制的电容，通过片内生成的N位二进制码控制，而二进制码由主次逼近算法在时钟控制下从高位到低位依次得到。在失调电容校准过程中，只有第一级电荷放大器工作，当要确定控制码的某一位时，先加入对应该位的电容，根据放大器输出判断是否应该加入该位电容，然后对放大器复位，时钟的下一个周期转移到低一位同理判断。因此，该方案相对于传统的片上补偿电容阵列的抑制失调电容的方法，具备如下特征：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种失调电容自动校准电路，包括振荡器以及电荷放大器；另有待校准的传感器电容连接所述电荷放大器的输入端，所述电荷放大器用于检测所述传感器电容的差分变化；其特征在于，所述自动校准电路还包括：

比较电路，用于读取并比较所述电荷放大器的输出信号；

2.如权利要求1所述的失调电容自动校准电路，其特征在于，所述补偿电容阵列电路包括若干个并联的电容，所述电容的电容值采用二进制编码，最高位电容的电容值最高，最低位电容的电容值最低。

3.如权利要求2所述的失调电容自动校准电路，其特征在于，所述电容补偿控制码包括用于控制所述补偿电容阵列电路整体与所述电荷放大器连接的端口选择码，以及用于一一对应控制每一个所述电容与所述电荷放大器连接开关的电容接入选择码。

4.如权利要求3所述的失调电容自动校准电路，其特征在于，所述电容接入选择码的位数与所述补偿电容阵列电路中所包含的电容数量相对应。

5.一种失调电容自动校准方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

6.如权利要求5所述的失调电容自动校准方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括：断开补偿电容阵列电路的连接接入，同时复位电路对电荷放大电6进行复位重置。

7.如权利要求5所述的失调电容自动校准方法，其特征在于，每一个载波周期的前半个周期中，复位电路对电荷放大器进行复位重置。

8.如权利要求7所述的失调电容自动校准方法，其特征在于，所述步骤1、2和3、步骤4和5、步骤6的实施时间分别为该步骤当前所在载波周期的后半个周期。