CN102495351B - 基于斩波技术的传感器阵列读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于斩波技术的传感器阵列读出电路，所述基于斩波技术的传感器阵列读出电路，包括全差分输入级，所述全差分输入级的输入端与信号调制开关，全差分输入级的输出端通过信号解调开关与差分至单端信号转换级相连，所述差分至单端信号转换级通过第一补偿电容与输出缓冲级的输出端相连，且差分至单端信号转换级的输出端与输出缓冲级的同相端相连，差分至单端信号转换级的同相端通过第二补偿电容与输出缓冲级的输出端相连；差分至单端信号转换级的反相端通过第三补偿电容接地，输出缓冲级的反相端接地。本发明结构简单，消除偏移电压及低频噪声，提高系统的集成度和信噪比，适应范围广，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种读出电路，尤其是一种基于斩波技术的传感器阵列读出电路，属于微弱信号检测的技术领域。
背景技术
随着科技水平的不断提高，集成电路的工艺技术得到了发展，这为传感器和读出电路集成在一起的微系统提供了保障。随着微机电系统在国民各个领域应用的不断深入，人们对微机电系统的性能要求也越来越高。具体表现在更高的集成度，更高的信噪比等。
对于传感器信号检测来说，首先要考虑的性能是传感器系统的信噪比。在传统的传感器阵列检测系统中，采用电容跨阻（CTIA）电路来减少读出电路的噪声，以此来提高系统的信噪比，如图1所示（赵玲，李跃进 一种新型的相关焦平面CMOS读出电路 《红外技术》 Vol.28 No.1 2006）。该方法存在的问题是传感器的偏移电压无法消除，需要在CTIA电路后边加上相关双采样电路（CDS）。
为了消除传感器的偏移电压，进一步提高系统的信噪比，在另一传统的传感器读出电路中引入斩波调制电路，如图2所示（C. Menolfi, Qiuting Huang “A Low CMOS Instrumentation Amplifier for Thermoelectric Infrared Detectors” IEEE J. Solid-State Circuit, Vol.32 No.7 1997）。该电路通过将偏移电压和低频噪声调制到高频再滤波消除的方式来消除偏移电压并提高系统的信噪比。
然而，传统的传感器读出电路如图1那样，无法直接消除偏移电压，需要加入复杂的相关双采样电路。而如图2那样，采用传统的斩波技术的读出电路虽然能够消除偏移电压并降低低频噪声，但因为采用了滤波电路，使得电路的速度受到限制，无法用于传感器阵列读出电路。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于斩波技术的传感器阵列读出电路，其结构简单，消除偏移电压及低频噪声，提高系统的集成度和信噪比，适应范围广，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述基于斩波技术的传感器阵列读出电路，包括全差分输入级，所述全差分输入级的输入端与信号调制开关，全差分输入级的输出端通过信号解调开关与差分至单端信号转换级相连，所述差分至单端信号转换级通过第一补偿电容与输出缓冲级的输出端相连，且差分至单端信号转换级的输出端与输出缓冲级的反相端相连，差分至单端信号转换级的同相端通过第二补偿电容与输出缓冲级的输出端相连；差分至单端信号转换级的反相端通过第三补偿电容接地，输出缓冲级的同相端接地。
所述全差分输入级采用全差分共源共栅及共模反馈的运算放大器，所述全差分输入级将信号调制开关调制成的高频信号进行高增益放大及噪声隔离后通过信号解调开关输入值差分至单端信号转换级。
所述全差分输入级的增益不小于100dB。所述输出缓冲级采用AB类运算放大器。
所述信号调制开关包括两组由第一CMOS开关和第二CMOS开关构成的调制开关，所述两组调制开关分别与全差分输入级的输入端对应连接；每组调制开关内对应的第一CMOS开关与第二CMOS开关分别由正相和反相时钟控制。
所述信号解调开关包括两组由第三CMOS开关和第四CMOS开关构成的解调开关，所述两组解调开关分别与差分至单端信号转换级的输入端对应连接，每组解调开关内对应的第三CMOS开关与第四CMOS开关分别由正相和反相时钟控制。
所述差分至单端信号转换级采用差分输入单端输出并采用电流镜负载的运算放大器。
所述第一CMOS开关和第二CMOS开关采用最小工艺尺寸制造的CMOS开关。
所述第三CMOS开关和第四CMOS开关采用最小工艺尺寸制造的CMOS开关。
所述输出缓冲级将差分至单端信号转换级输出的功率传输给读出电路的电阻或电容负载。
本发明的优点：传感器阵列输出的信号经过信号调制开关及全差分输入级调制高频信号，通过斩波调制高频信号后能消除偏移电压与低频噪声，全差分输入级同时能实现噪声隔离，无需滤波器即可完成斩波电路的功能，适用于传感器阵列的高速读出电路。经过全差分输入级后的高频信号通过解调开关及差分至单端信号转换级进行解调放大，并经过输出缓冲级进行第三次放大，经过三次放大后经读出的传感器阵列信号输出传输到读出电路的小电阻或大电容负载上，实现传感器阵列信号的读取；结构简单，消除偏移电压及低频噪声，提高系统的集成度和信噪比，适应范围广，安全可靠。
附图说明
图1为现有采用电容跨阻电路的传统传感器阵列读出电路的原理图。
图2为现有采用斩波调制电路的传统单个传感器读出电路的原理图。
图3为本发明的结构原理图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图3所示：本发明包括全差分输入级1、差分至单端信号转换级2、输出缓冲级3、信号调制开关4、信号解调开关5、第一补偿电容C1、第二补偿电容C2及第三补偿电容C3。
如图3所示：为了能够消除偏移电压与低频噪声，所述传感器阵列读出电路包括全差分输入级1，所述全差分输入级1的输入端与信号调制开关4相连，全差分输入级1的输出端通过信号解调开关5与差分至单端信号转换级2的输入端相连，所述差分至单端信号转换级2通过第一补偿电容C1与输出缓冲级3的输出端相连，且差分至单端信号转换级2的输出端与输出缓冲级3的反相端相连，差分至单端信号转换级2的同相端通过第二补偿电容C2与输出缓冲级3的输出端相连；差分至单端信号转换级2的反相端通过第三补偿电容C3接地，输出缓冲级3的同相端接地。信号调制开关4与全差分输入级1对应配合后实现信号的调制，能够将传感器信号调制到高频，降低低频噪声的干扰。解调开关5与差分至单端信号转换级2对应配合后实现信号的解调，能够将高频噪声解调为基带信号，所述基带信号经过后续放大补偿后输出，实现传感器阵列的高速读取。
所述全差分输入级1采用全差分共源共栅及共模反馈的运算放大器，当全差分输入级1采用共源共栅电路后能以最简单的方式实现高增益的同时实现高的增益带宽积，从而实现对后级电路的隔离；全差分输入级1采用共模反馈电路结构后用于保证全差分电路工作于正常的直流工作点上。所采用全差分共源共栅及共模反馈的运算放大器的增益不小于100dB。采用全差分共源共栅电路及共模反馈电路结构均为现有运算放大器的常规结构，实现方便。
差分至单端信号转换级2采用差分输入单端输出的运算放大器，所述差分输入单端输出的运算放大器用电流镜做负载，以实现信号由差分转换至单端，以简化后续的电路设计。即差分至单端信号转换级2对应运算放大器的反相端通过第三补偿电容C3接地，其同相端通过第二补偿电容C2与输出缓冲级3的输出端相连，其输出端与输出缓冲级3的反相端相连，并通过第一补偿电容C1与输出缓冲级3的输出端相连。
所述输出缓冲级3采用AB类运算放大器，输出缓冲级3用于将功率信号传输给后续的读出电路的小电阻或大电容负载，采用AB类运算放大器能实现小的静态电流，但传输非常大的电流到读出电路的负载上。输出缓冲级3对应AB类运算放大器的同相端接地，其同相端与差分至单端信号转换级2对应运算放大器的输出端相连，并通过第一补偿电容C1与AB类运算放大器的输出端相连。
所述信号调制开关4包括四个CMOS开关，信号调制开关4包括两组由第一CMOS开关phase1及第二CMOS开关phase2构成的调制开关，每组调制开关与全差分输入级1的输入端对应连接，每组调制开关内对应的第一CMOS开关phase1及第二CMOS开关phase2分别由正相与反相时钟控制，第一CMOS开关phase1及第二CMOS开关phase2采用工艺所允许的最小尺寸制造形成，以减小开关所带来的时钟馈通和沟道电荷注入效应。
所述解调开关5也包括四个CMOS开关，信号调制开关5包括两组由第三CMOS开关phase3及第四CMOS开关phase4构成的解调开关，每组解调开关与差分至单端信号转换级2的输入端对应连接，每组解调开关内对应的第三CMOS开关phase1及第四CMOS开关phase2分别由正相与反相时钟控制，第三CMOS开关phase3及第四CMOS开关phase4采用工艺所允许的最小尺寸制造形成，以减小开关所带来的时钟馈通和沟道电荷注入效应。
如图3所示：使用时，信号调制开关4与传感器阵列的输出端相连，输出缓冲级3的输出端与读出电路的小电阻或大电容负载相连。工作时，传感器阵列输出的信号经过信号调制开关4及全差分输入级1调制高频信号，通过斩波调制高频信号后能消除偏移电压与低频噪声，全差分输入级1同时能实现噪声隔离，无需滤波器即可完成斩波电路的功能，适用于传感器阵列的高速读出电路。经过全差分输入级1后的高频信号通过解调开关5及差分至单端信号转换级2进行解调放大，并经过输出缓冲级3进行第三次放大，经过三次放大后经读出的传感器阵列信号输出传输到读出电路的小电阻或大电容负载上，实现传感器阵列信号的读取。
Claims (6)
1. 一种基于斩波技术的传感器阵列读出电路，包括全差分输入级（1），所述全差分输入级（1）的输入端与信号调制开关（4）相连，其特征是：全差分输入级（1）的输出端通过信号解调开关（5）与差分至单端信号转换级（2）相连，所述差分至单端信号转换级（2）的输出端通过第一补偿电容（C1）与输出缓冲级（3）的输出端相连，且差分至单端信号转换级（2）的输出端与输出缓冲级（3）的反相端相连，差分至单端信号转换级（2）的同相端通过第二补偿电容（C2）与输出缓冲级（3）的输出端相连；差分至单端信号转换级（2）的反相端通过第三补偿电容（C3）接地，输出缓冲级（3）的同相端接地；
所述全差分输入级（1）采用全差分共源共栅及共模反馈的运算放大器，所述全差分输入级（1）将信号调制开关（4）调制成的高频信号进行高增益放大及噪声隔离后通过信号解调开关（5）输入至差分至单端信号转换级（2）。
2.根据权利要求1所述的基于斩波技术的传感器阵列读出电路，其特征是：
所述全差分输入级（1）的增益不小于100dB。
3.根据权利要求1所述的基于斩波技术的传感器阵列读出电路，其特征是：所述信号调制开关（4）包括两组由第一CMOS开关和第二CMOS开关构成的调制开关，所述两组调制开关分别与全差分输入级（1）的输入端对应连接；每组调制开关内对应的第一CMOS开关与第二CMOS开关分别由正相和反相时钟控制。
4.根据权利要求1所述的基于斩波技术的传感器阵列读出电路，其特征是：所述信号解调开关（5）包括两组由第三CMOS开关和第四CMOS开关构成的解调开关，所述两组解调开关分别与差分至单端信号转换级（2）的输入端对应连接，每组解调开关内对应的第三CMOS开关与第四CMOS开关分别由正相和反相时钟控制。
5.根据权利要求1所述的基于斩波技术的传感器阵列读出电路，其特征是：所述差分至单端信号转换级（2）采用差分输入单端输出并用电流镜做负载的运算放大器。
6.根据权利要求1所述的基于斩波技术的传感器阵列读出电路，其特征是：所述输出缓冲级（3）将差分至单端信号转换级（2）输出的功率传输给读出电路的电阻或电容负载。
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