CN102072737B - 一种带温度补偿的高精度电容读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带温度补偿的高精度电容读出电路，属集成电路设计领域。该电路由于采用斩波调制技术实现了高精度的电容读出，同时通过调节内部电压基准的温度特性，可以实现温度补偿。电路包括振荡器、电压基准源、全差分运放单元、共模运放单元、低通滤波器、开关器件以及数字电路。电压基准源配合单刀双掷开关生成方波，施加到待测差分电容的中间极板，实现调制。全差分运放单元和反馈电容构成电荷积分器，检测待测电容变化形成的转移电荷。由开关器件和低通滤波器实现解调。全差分运放单元的输入和输出均通过开关周期置位。共模运放单元同反馈电容构成的共模反馈环路，与全差分运放单元输入端相连，起到稳定输入共模电平的作用。

Description

一种带温度补偿的高精度电容读出电路

技术领域

本发明涉及电容读出电路，而更详细地涉及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为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][2]。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已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]。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]。

温度变化较大的环境势必会对高精度电容读出的温漂性能提出苛刻的要求，这是在很多应用领域中存在的共同的问题，给设计带来了不小的挑战。

发明内容

为了有效解决了前文所述的高阻节点偏置问题，本发明的目的是通过采用斩波消除低频噪声技术实现高精度的读出，为此提出一种电容读出电路。

为达成所述目的，本发明提供一种电容读出电路，该电路包括：

振荡器，用以输出时钟信号；

电压基准源，用以产生两个基准电压；

单刀双掷开关器件，两个输入端分别与电压基准源的两个输出端相连，单刀双掷开关器件控制端与振荡器输出端相连，单刀双掷开关器件接收时钟信号和基准电压，由时钟信号和基准电压控制单刀双掷开关器件输出方波信号，方波信号的高低电平分别为电压基准源输出的两个基准电压；

待测差分电容，中间极板与单刀双掷开关器件的输出端相连，待测差分电容中间极板接收方波信号，上下极板输出电流；

全差分运放单元，两个输入端分别与待测差分电容上下两个极板相连，并同第一电容和第二电容一起构成电荷积分器；

第一开关器件和第二开关器件与全差分运放单元连接，第一开关器件和第二开关器件分别将全差分运放单元的两个输入端与第一基准电平端相连，周期开启，用以置位全差分运放单元的输入端直流电平；

第三开关器件和第四开关器件，分别将全差分运放单元的两个输出端与第二基准电平端相连，周期开启，用以置位全差分运放单元的输出端直流电平；

第一电容，跨接于全差分运放单元的第一输入端和第一输出端之间，以及第二电容，跨接于全差分运放单元的第二输入端和第二输出端之间，第一电容和第二电容用以积分待测电容中的转移电荷，使得全差分运放单元输出包络同待测电容值成正比的调幅电压信号；

共模运放单元，具有第一输入端、第二输入端和第三输入端，全差分运放单元的第一输入端与共模运放单元的第二输入端相连，全差分运放单元的第二输入端与共模运放单元的第一输入端相连，共模运放单元的第三输入端与第一基准电平端相连；

第三电容，跨接于共模运放单元第一输入端和输出端，以及

第四电容，跨接于共模运放单元第二输入端和输出端，第三电容和第四电容同共模运放单元一起构成共模反馈环路，用以降低全差分运放单元输入共模电平的振幅；

第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第八开关器件，将全差分运放单元的两个输出端与低通滤波器的两个输入端两两相连，每半个驱动信号周期相继开启，用以实现对全差分运放单元输出的调幅信号的全波整型；

低通滤波器，输出同待测电容值成正比的差分电压信号；

数字电路，时钟输入端与振荡器的输出端相连，输出数字时序信号，用以控制第一开关器件到第八开关器件的开启和关闭。

其中，单刀双掷开关器件输出的方波信号施加到待测差分电容的中间极板，起斩波调制的作用，即将待测差分电容值调制为高频调幅信号，在经过放大和解调，有利于抵抗低频噪声的干扰。

其中，第一开关器件和第二开关器件受数字电路的输出时序信号控制，周期开启，将全差分运放单元的输入端连接到第一基准电平端，实现对全差分运放单元输入端的直流偏置。

其中，第三开关器件和第四开关器件受数字电路的输出时序信号控制，周期开启，将全差分运放单元的输出端连接到第二基准电平端，实现对全差分运放单元输出端的直流偏置。

其中，利用共模运放单元、第三电容和第四电容构成的反馈环路，使得共模运放单元放大输出全差分运放单元的输入共模信号，用于有效地降低全差分运放单元输入共模电平振荡的幅度，以提高电容读出电路的动态范围和线形度。

其中，电压基准源的输出与温度的关系可以调节，以实现整个电容读出电路灵敏度温漂的最优化。

其中，第一电容和第二电容具有相同的容值。

其中，第三电容和第四电容具有相同的容值。

本发明的有益效果：本发明给出了一种电容读出电路，不但有效解决了前文所述的高阻节点偏置问题，更通过采用斩波消除低频噪声技术实现了高精度的读出。本发明同时具备温度补偿功能，能有效控制读出灵敏度几乎不随温度的变化而发生改变。本发明将有助于提供高精度，低温漂的一种使用于电容式微机电传感器的读出电路。

附图说明

图1描述示范性的根据本发明实施的电容读出电路。

主要元件说明

全差分运放单元1        共模运放单元2

第一开关器件3、        第二开关器件4

第三开关器件5          第四开关器件6

第一电容7              第二电容8

第三电容9              第四电容10

第五开关器件11         第六开关器件12

第七开关器件13         第八开关器件14

低通滤波器15           数字电路16

振荡器17               电压基准源18

单刀双掷开关器件19

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明是由振荡器17产生时钟信号，同时输入给数字电路16和单刀双掷开关器件19，电压基准源18输出两个电压基准，单刀双掷开关器件19在这两个电压的之间反复切换输出方波信号，施加到待测差分电容的中间极板，实现调制功能。待测差分电容的上下极板与全差分运放单元1的输入端相连，同时全差分运放单元1与第一电容7和第二电容8构成电荷积分器，用以检测待测差分电容变化而形成的转移电荷，输出包络同待测电容成正比的调幅信号，第一开关器件3到第四开关器件6周期性导通，将全差分运放单元1的输入端和输出端与外部基准电平端相连，完成周期置位，由共模运放单元2、第三电容9和第四电容10构成的输入共模反馈环路连接于全差分运放单元1的输入端，起到稳定全差分运放单元1输入共模电平的作用，第五开关器件11到第八开关器件14每半个时钟周期两两交替导通，实现对调幅信号的全波整形，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。数字电路输出数字时序信号控制第一开关器件3到第八开关器件14。

该电路由于采用斩波调制技术实现了高精度的电容读出，同时通过调节内部电压基准的温度特性，可以实现温度补偿。

图1描述示范性的根据本发明实施的电容读出电路。电容读出电路包括：全差分运放单元1、将全差分运放单元1的第一输入端和第二输入端同第一基准电平端相连的第一和第二开关器件3、4、将全差分运放单元1第一输出端和第二输出端同第二基准电平相连的第三和第四开关器件5、6、跨接于全差分运放单元1的第一输入端和第一输出的端第一电容7、跨接于全差分运放单元1的第二输入端和第二输出端的第二电容8、共模运放单元2的第一输入端与全差分运放单元1第二输入端连接、共模运放单元2的第二输入端与全差分运放单元1第一输入端连接、跨接于共模运放单元2第一输入端和输出端的第三电容9、跨接于共模运放单元2第二输入端和输出端的第四电容10、将全差分运放单元1第一输出端和第二输出端同低通滤波器15的第一输入端和第二输入端两两相连的第五、第六、第七和第八开关器件11-14、低通滤波器15、产生时序信号用以控制开关器件3-6、11-14的数字电路16、产生数字电路16的时钟信号并同时用以控制开关器件19的振荡器17、电压基准源18以及将电压基准源18的输出端同待测电容相连的单刀双掷开关器件19。

在实际应用中，振荡器17可以采用传统带有温度补偿的环路振荡器结构，输出时钟信号频率应大于1MHz，有利于充分发挥斩波降噪的性能。电压基准源18可以采用传统的带隙基准电路，输出高低两个基准电压。单刀双掷开关器件受时钟信号控制，在这两个基准电压之间反复切换，输出方波，作为斩波调制信号，该信号的峰峰值为Vm，即电压基准源输出两基准电压的差值。待测差分电容变化将产生转移电荷，可由电荷积分器转化为电压信号，在本实施方案中，该电荷积分器由全差分运放单元1、第一电容7和第二电容8构成。

全差分运放单元1应采用套筒式跨导放大电路，因其具有较高的电压增益和较低的噪声。同时由于是全差分结构，输出端必须有输出共模反馈。全差分运放单元1输入和输出端的直流电平的确立由开关周期置位实现，即第一开关器件3到第四开关器件6周期导通，将全差分运放单元1的输入端和输出端分别同外部的第一基准电平端和第二基准电平端相连。具体应用中，应每4到8个时钟周期置位一次，每次开关导通时间为一个时钟周期，这样可以保证充分置位，同时避免引入开关噪声。共模运放单元2、第三电容9和第四电容10构成的输入共模反馈环路，其中共模运放单元2是将两路输入信号的共模电平和第三路输入信号的差值进行放大的电路，同样可通过传统套筒式跨导放大电路稍加修改予以实现，即将正向输入端连接第三路输入信号，而将负向输入端拆分为并联的两个输入晶体管，分别连接第一和第二路输入信号。在本实施方案中，共模运放单元的正向输入端连接第一基准电平端，而拆分的两个负向输入端分别与全差分运放单元1的两个输入端相连。另外，由于第三电容9和第四电容10通常采用较大的容值以提高稳定全差分运放单元1输入共模电平的效果，共模运放单元2必须具有输出级以提高驱动大电容的能力，该输出级可采用源极跟随器的形式。全差分运放单元1的输入共模电平的振幅可由下面公式确定：

$V_{\mathrm{icm}}=V_m\·\frac{C_s}{C_{\mathrm{icm}}}\·\frac{1}{A_{\mathrm{icm}}},$

公式中Vicm是全差分运放单元1的输入共模电平振幅，Cs是待测差分电容的平均容值，Cicm是第三电容9、第四电容10的容值，Aicm是共模运放单元2的开环增益。由于开环增益Aicm通常在几千到几万量级，共模电平振幅Vicm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单元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，该转移电荷在第一电容7、第二电容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：

$V_{\mathrm{envelop}}=V_m\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_s}{C_{\mathrm{in}}},$

公式中Venvelop是全差分运放单元1输出的调幅信号包络的振幅，ΔCs是待测电容的差分值，Cin是积分第一电容7、第二电容8的容值。随后该调幅信号被的第五开关器件11、第六开关器件12、第七开关器件13和第八开关器件14全波整形，即前半个驱动信号周期第五开关器件11、第八开关器件14导通，使全差分运放单元1的输出端同低通滤波器的输入端正相导通，而后半个驱动信号周期第六开关器件12、第七开关器件13导通，使全差分运放单元1的输出端同低通滤波器15的输入端反相导通。整形后的调幅信号经过低通滤波器15后完成解调，低通滤波器应采用无源高阶RC网络，以获得最佳的噪声性能。低通滤波器15的输出为同待测差分电容成正比的电压信号，该信号的大小与全差分运放单元1输出的包络振幅相同，即为：

$V_{\mathrm{out}}=V_m\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_s}{C_{\mathrm{in}}},$

数字电路16提供所有开关器件的控制信号。对于第一开关器件3、第二开关器件4、第三开关器件5和第四开关器件6，控制信号是相同的，为周期性窄脉冲信号；对于第五开关器件11和第八开关器件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；对于第六开关器件12和第七开关器件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。

由于整个电容读出电路的灵敏度同时与驱动信号的振幅和从全差分运放单元1的输入到低通滤波器15的输出的电容-电压增益成正比，本发明中这两者的温度系数正好互为相反数，因而实现了极低的读出灵敏度温漂。

以上是对本发明带温度补偿的高精度电容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。完全由权利要求书划定本发明界限。

Claims (8)

1.一种电容读出电路，其特征在于，包括：

振荡器，用以输出时钟信号；

电压基准源，用以产生两个基准电压；

单刀双掷开关器件，两个输入端分别与电压基准源的两个输出端相连，单刀双掷开关器件控制端与振荡器输出端相连，单刀双掷开关器件接收时钟信号和基准电压，由时钟信号和基准电压控制单刀双掷开关器件输出方波信号，方波信号的高低电平分别为电压基准源输出的两个基准电压；

待测差分电容，中间极板与单刀双掷开关器件的输出端相连，待测差分电容中间极板接收方波信号，上下极板输出电流；

全差分运放单元，两个输入端分别与待测差分电容上下两个极板相连，并同第一电容和第二电容一起构成电荷积分器；

第一开关器件和第二开关器件，与全差分运放单元连接，第一开关器件和第二开关器件分别将全差分运放单元的两个输入端与第一基准电平端相连，周期开启，用以置位全差分运放单元的输入端直流电平；

第三开关器件和第四开关器件，分别将全差分运放单元的两个输出端与第二基准电平端相连，周期开启，用以置位全差分运放单元的输出端直流电平；

第一电容，跨接于全差分运放单元的第一输入端和第一输出端之间，以及第二电容，跨接于全差分运放单元的第二输入端和第二输出端之间，第一电容和第二电容用以积分待测电容中的转移电荷，使得全差分运放单元输出包络同待测电容值成正比的调幅电压信号；

共模运放单元，具有第一输入端、第二输入端和第三输入端，全差分运放单元的第一输入端与共模运放单元的第二输入端相连，全差分运放单元的第二输入端与共模运放单元的第一输入端相连，共模运放单元的第三输入端与第一基准电平端相连；

第三电容，跨接于共模运放单元第一输入端和输出端，以及

第四电容，跨接于共模运放单元第二输入端和输出端，第三电容和第四电容同共模运放单元一起构成共模反馈环路，用以降低全差分运放单元输入共模电平的振幅；

第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第八开关器件，将全差分运放单元的两个输出端与低通滤波器的两个输入端两两相连，每半个驱动信号周期相继开启，用以实现对全差分运放单元输出的调幅信号的全波整型；

低通滤波器，输出同待测电容值成正比的差分电压信号；

数字电路，时钟输入端与振荡器的输出端相连，输出数字时序信号，用以控制第一开关器件到第八开关器件的开启和关闭。

2.根据权利要求1所述的电容读出电路，其特征在于，单刀双掷开关器件输出的方波信号施加到待测差分电容的中间极板，起斩波调制的作用，即将待测差分电容值调制为高频调幅信号，在经过放大和解调，有利于抵抗低频噪声的干扰。

3.根据权利要求1所述的电容读出电路，其特征在于，第一开关器件和第二开关器件受数字电路的输出时序信号控制，周期开启，将全差分运放单元的输入端连接到第一基准电平端，实现对全差分运放单元输入端的直流偏置。

4.根据权利要求1所述的电容读出电路，其特征在于，第三开关器件和第四开关器件受数字电路的输出时序信号控制，周期开启，将全差分运放单元的输出端连接到第二基准电平端，实现对全差分运放单元输出端的直流偏置。

5.根据权利要求1所述的电容读出电路，其特征在于，利用共模运放单元、第三电容和第四电容构成的反馈环路，使得共模运放单元放大输出全差分运放单元的输入共模信号，用于有效地降低全差分运放单元输入共模电平振荡的幅度，以提高电容读出电路的动态范围和线形度。

6.根据权利要求1所述的电容读出电路，其特征在于，电压基准源的输出与温度的关系可以调节，以实现整个电容读出电路灵敏度温漂的最优化。

7.根据权利要求1所述的电容读出电路，其特征在于，第一电容和第二电容具有相同的容值。

8.根据权利要求1所述的电容读出电路，其特征在于，第三电容和第四电容具有相同的容值。

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