CN102680146A - 压敏放大器级 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种压敏放大器级，包括：每个包括压阻电流路径的四个单极型压力传感器晶体管，被连接成具有两个电桥臂的压力测量电桥，每个包括关于电流路径串联连接的第一和第二压力传感器晶体管。另外还提供两个单极型控制晶体管，每个具有控制端子和设置在成对连接的另外的第一和第二端子之间的电流路径，控制端子每个与压力传感器晶体管之间的节点连接，互连的第二端子与第二压力传感器晶体管的控制端子连接。放大器级还包括两个电源。第一压力传感器晶体管的控制端子用于与相应的操作输入电压连接，相应的压力传感器晶体管之间能够检测测量输出电压，其能够连接到用于级联电桥的另一电桥的两个电桥臂的第一压力传感器晶体管的控制端子。

Description

压敏放大器级
相关交叉引用 
本申请要求2011年2月7日提交的欧洲专利申请No.11153549.8的优先权，其全部内容通过引用合并于此。 
技术领域
本发明涉及一种包括改进的惠斯通电桥的压敏放大器级。 
背景技术
众所周知以MOS晶体管连接成的惠斯通电桥的方式来连接微机械式的压力传感器。这种电桥电路在例如EP-A-0006740、EP-B-1152232(DE-T-69917943)、US-A-4275406、US-A-4459856、US-A-4522072、DE-C-4311298、DE-A-4444808和DE-U-7828255中有所描述。 
当使用MOS晶体管用作微机械式传感器中的压力传感器时，例如，通常需要将以惠斯通电桥方式连接的多个这样的压力传感器的输出信号组合，以便减少或抑制与不同情形相关的机械张力对测量量的影响。为此目的，以惠斯通电桥方式连接的各个压力传感器通常以串联电路和并联电路的组合的方式连接。多个惠斯通电桥的输出信号的这种组合的效果在于，根据期望的极性，电桥将会被切换成并联或反并联的配置。这种布置方式具有的不足在于，多个所述惠斯通电桥的组合的总有用信号没有单个的压力传感器或单个的惠斯通电桥的有用信号强。因此，换言之，出现的是信号强度的平均而非叠加，尽管后者是所期望的。 
本发明的目的是提供一种可级联的压敏放大器级。 
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供一种可级联的压敏放大器级，所述压敏放大器级包括： 
四个单极型压力传感器晶体管，所述四个单极型压力传感器晶体管每个包括控制端子和设置在另外的第一端子与另外的第二端子之间的电流路径，所述电流路径对机械张力(也称为机械应力)敏感， 
所述四个压力传感器晶体管被连接成具有两个电桥臂的压力测量电桥，所述电桥臂 中的每个包括关于电流路径串联连接的第一压力传感器晶体管和第二压力传感器晶体管， 
两个单极型控制晶体管，所述两个单极型控制晶体管每个具有控制端子和设置在另外的第一端子与另外的第二端子之间的电流路径， 
所述两个控制晶体管的相应的第一端子以及第二端子成对连接，并且所述控制晶体管的控制端子每个与所述两个电桥臂的压力传感器晶体管之间的节点连接，并且 
所述两个并联连接的控制晶体管的互连的第二端子与所述两个电桥臂的第二压力传感器晶体管的控制端子连接， 
第一电源，所述第一电源一方面连接在第一电源电压(VDD)与所述两个电桥臂的第一压力传感器晶体管的第一端子之间，另一方面连接在第一电源电压(VDD)与所述控制晶体管的互连的第一端子之间，所述第一电源被提供用于产生第一电流，以及 
第二电源，所述第二电源一方面连接在第二电源电压(VSS)与所述控制晶体管的互连的第二端子之间，另一方面连接在第二电源电压(VSS)与所述两个电桥臂的第二压力传感器晶体管的控制端子之间，所述第二电源被提供用于产生第二电流， 
所述两个电桥臂的第一压力传感器晶体管的控制端子用于与相应的操作输入电压连接，并且在所述两个电桥臂的相应的压力传感器晶体管之间能够检测测量输出电压，并且 
所述压力测量电桥的所述测量输出电压能够连接到用于级联所述压力测量电桥的另一压力测量电桥的两个电桥臂的第一压力传感器晶体管的控制端子。 
如在每个常规的惠斯通电桥中的情形一样，根据本发明的压敏放大器级也包括以单极型压力传感器晶体管形式实现的四个压力传感器。因此，这些晶体管是被设计成PMOS晶体管、NMOS晶体管或JFET晶体管的场效应晶体管。 
根据本发明的压力传感器晶体管对机械张力(变形)敏感(下文也被称为压敏)，并且被设计用于例如压阻式或电容式操作。所述晶体管中的每个包括控制端子以及另外的第一端子和另外的第二端子，压敏电流路径在所述另外的第一端子与所述另外的第二端子之间延伸，通过将操作电压施加到所述控制端子而激活所述压敏电流路径。四个压力传感器被连接成具有两个电桥臂的压力测量电桥。 
在所述两个电桥臂之间，连接两个单极型控制晶体管，它们中的每个包括控制端子 和延伸在另外的第一端子与另外的第二端子之间的电流路径。所述两个控制晶体管的所述另外的第一端子相互连接。同样地，所述两个控制晶体管的所述另外的第二端子相互连接。所述两个控制晶体管的控制端子每个与所述电桥臂的压力传感器晶体管之间的两个节点中的一个相互连接。因此，由两个电桥臂的节点处的电位控制所述两个控制晶体管。 
关于电流路径并联连接的所述两个控制晶体管的互连的第二端子与所述两个电桥臂的第二压力传感器晶体管的控制端子相连接，而所述两个并联连接的控制晶体管的互连的第一端子与所述电桥臂的所述两个第一压力传感器晶体管的互连的第一端子相连接。电桥臂的分别被互连的端部与第一电流源和相应的第二电流源相连接，所述电流源中的每个又被施加第一电源电压和相应的第二电源电压。例如，电桥电路被施加来自于第一电流源的电流，所述电流将会在所述两个电桥臂以及所述两个并联连接的控制晶体管之中被分流。在所述两个控制晶体管的下游和所述两个电桥臂的端部处，电流将会向第二电源电压和相应的第二电流源放电。如果现在施加操作电压到所述两个电桥臂的第一压力传感器晶体管的控制端子，则能够在所述两个电桥臂的节点处感测形成测量输出电压的输出电压。为了级联本发明的多个压敏放大器级，可以将所述测量输出电压施加到另一放大器级的第一压力传感器晶体管的控制端子。 
利用本发明电路的发明构思，其中所述电路包括具有四个压力传感器晶体管的惠斯通测量电桥且在上述设置中还包括两个控制晶体管和电流源，尽管进行级联，每个压敏放大器级也在测量电桥的第一压力传感器晶体管处被提供相同的操作输入电压。因此，将不会出现测量信号的减弱。以此方式，实现有用信号的叠加(以及相应的相减)，使得测量范围可以加宽，信噪比可以提高。 
根据本发明的另一个有益的实施例，提供了压力传感器晶体管和控制晶体管被定标为基本上相同，且第一电流的量基本上是第二电流的量的二倍。因此，例如，第一电流源所施加的电流将会以均匀的方式分配到所述两个电桥臂和所述两个并联连接的控制晶体管上。于是每个电桥臂将承载所施加的电流的1/4，而所述两个并联连接的控制晶体管将会承载所施加的电流的一半。当然，本发明不限于晶体管的此种定标。在电路元件定标与上述的电路元件定标不同的情况下，第一电流源所产生的电流将会以不同的方式分配。与之相应地，第二电流源所产生的电流量则需被调整。 
在本发明的另一个有益的实施例中，第一电流和第二电流之差与第二电流之比被选择为对应于所述两个电桥臂的第一压力传感器晶体管中的每个相对于所述两个控制晶体管中的每个的定标。 
最后，为了防止或抑制压力测量电桥的振荡，可以在所述两个电桥臂的第二压力传感器晶体管的控制端子与第二电源电压之间连接电容。 
本发明的压敏放大器级包括对机械张力敏感的四个晶体管即(压力)传感器晶体管、和两个非压敏晶体管即所述控制晶体管。所述控制晶体管用于保持共模电位，也就是说，每个级联的压敏放大器级在所述电桥臂的第一压力传感器晶体管的控制端子处被提供相同的操作输入电压。 
适宜地，所述四个压力传感器晶体管是PMOS晶体管。所述两个控制晶体管也适宜被实现为PMOS晶体管。第一电流源也可以用PMOS晶体管设置，而第二电流源包括NMOS晶体管。关于这两个电压源，总体而言要注意的是，它们包括具有不同极性的单极型晶体管，因为一个电流源将会施加电流到电桥电路中，而另一个电流源将会接收从电桥电路流出的电流。 
要理解上述术语“压力传感器晶体管”是表示这样一种晶体管，所述晶体管的可控电流路径对于在例如作用在晶体管上的液压、静液压、气动或机械压力的情况中所产生的机械张力敏感。 
附图说明
将在以下的描述中结合附图更加详细地说明使得本领域技术人员能够实施本发明的包括最佳实施方式在内的本发明的全面且可行的公开内容，在附图中： 
图1示出根据本发明的一个实施例的单独的压敏放大器级的连接，以及 
图2示出利用两个放大器级的串联连接而形成两个根据图1的压敏放大器级的级联。 
具体实施方式
在图1中，描绘了压敏放大器级10的总体配置。压敏放大器级10包括以具有两个电桥臂22、24的惠斯通电桥20的方式连接的四个压敏晶体管(压力传感器晶体管)12、14、16、18。每个压力传感器晶体管12、14、16、18包括控制端子12a、14a、16a和相应的18a，以及另外的两个端子12b与12c、14b与14c、16b与16c和相应的18b与18c，其中相应的电流路径12d、14d、16d和18d在上述的另外的两个端子之间延伸，所述相应的电流路径12d、14d、16d和18d在本实施例中是压阻式电流路径。四个压力传感器晶体管被设计成例如PMOS晶体管。连接在两个电桥臂22、24的节点22a、24a之间的是两个控制晶体管26、28，所述两个控制晶体管26、28的非压敏电流路径26d、28d并联连接。两个控制端子26a和28a与相应的不同电桥臂22、24的节点22a、24a连接。 两个控制晶体管26和28的另外的第一端子26b和28b相互连接；同样地，两个控制晶体管26和28的另外的第二端子26c和28c相互连接。两个第一端子26b和28b另外还与电桥臂22、24的两个第一压力传感器晶体管12、14的所述另外的第一端子12b和14b连接。控制晶体管26或28的另外的两个第二端子26c和28c与两个第二压力传感器16、18的两个控制端子16a、18a中的相应的不同的一个相连接。 
在电源电位VDD与压力测量电桥20的两个第一压力传感器晶体管12和14之间连接了第一电流源30，用于产生电流I，而控制晶体管26、28的所述另外的第二端子26c、28c具有连接在其之间的另外的第二电流源32，所述第二电流源32由第二电源电位VSS供电。另外，压力测量电桥20经由电容34与第二电源电位连接，如图1所示。 
这两个电流源30、32例如也用具有相反的导电类型的MOSFET晶体管来实现。 
对电流源30和32的尺寸以及压力传感器晶体管12、14、16和18和控制晶体管26、28的定标(scaling)进行选择，使得第一电流源30所施加的电流I的一半将流经控制晶体管的电流路径26d、28d，而所述电流的1/4将分别流经两个电桥臂22、24中的每个。如果现在施加操作输入电压INP和相应的INN(例如，分别为0.5伏)到两个第一压力传感器晶体管12、14的控制端子12a和14a，则电压还将经由用于控制两个控制晶体管26、28的节点22a、24a根据局部有效的压力降落于两个第一压力传感器晶体管12、14上，其中使用所述两个晶体管的电位下游(downstream)，尤其以此方式使得平均上相同的电压将会施加在输出端OUTN和OUTP处(例如，在OUTN处为0.4伏而在OUTP处为0.6伏)。因此，平均上，输出电压与输入电压一样大。OUTN与OUTP处的电位与INP和INN相比的差量之差表示所测量到的压力以及相应的作用于压力测量电桥20的所测量到的机械张力。 
因此，如上面所说明的，压敏放大器级10从其输入端(在INP和INN处)传送不变的共模电位到其输出端(OUTN和OUTP)。这使得可以以例如图2所示的方式来级联多个图1的放大器级10。在图2中，还示出了可以进一步放大第二放大器级10’的输出端处的电压差的一个实例(OUTN例如为0.3伏而OUTP例如为0.7伏)。同样，明显的是，共模电位(OUTN和OUTP处的电压的平均值)保持相同。本发明的压敏放大器级利用压力传感器晶体管12、14、16和18其自身来放大有用信号，使得可以级联放大器级，并且有用信号将会叠加。并且，实际的惠斯通电桥(压力测量电桥20)保持不变。只不过是四个压力传感器晶体管12、14、16和18的控制端子12a、14a、16a和18a要以不同的方式连接，且要增加数个另外的非压敏晶体管，即，两个控制晶体管26、28(并且，如果使用用于电流源30、32的晶体管，则还有这些晶体管)。以上已经参照图1和图2借助于一个实施例描述了本发明的电路。关于此实施例，示出的是这样一种组合， 其中四个压力传感器晶体管12、14、16和18虽然具有相同的尺寸，但实现一个差分放大。控制晶体管26、28与电流源30、32一起以输出的共模电位(VOUTN-VOUTP)/2对应于输入的共模电位(VINN+VINP)/2的方式来控制两个电桥臂22、24的第二压力传感器晶体管16、18的控制端子。因此，可以在增加与压力有关的信号的同时通过连接INN、INP到OUTN和OUTP以及相应地到OUTP、OUTN来级联不同的级。 
根据相应的用途，所描述的多个级联压敏放大器级10的组合能够用作例如压敏运算放大器的输入级。替代地，被组合的信号还可以在最后一级处被感测，并相应地被施加到ADC(可选地，在另外的中间放大之后)。 
尽管已经参照本发明的具体的说明性实施例描述和说明了本发明，但本发明并非意图局限于这些说明性实施例。本领域技术人员将会意识到，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的准确范围的情况下可以进行多种变化和修改。因此，本发明意图包括落入所附权利要求的范围及其等同范围之内的所有这种变化和修改。 
附图标记列表 
10压敏放大器级 
10’级联的放大器级 
12压力传感器晶体管 
12a压力传感器晶体管的控制(栅极)端子 
12b压力传感器晶体管的另外的(漏极)端子 
12c压力传感器晶体管的另外的(源极)端子 
12d压力传感器晶体管的电流路径 
14压力传感器晶体管 
14a压力传感器晶体管的控制(栅极)端子 
14b压力传感器晶体管的另外的(漏极)端子 
14c压力传感器晶体管的另外的(源极)端子 
16压力传感器晶体管 
16a压力传感器晶体管的控制(栅极)端子 
16b压力传感器晶体管的另外的(漏极)端子 
16c压力传感器晶体管的另外的(源极)端子 
16d压力传感器晶体管的电流路径 
18压力传感器晶体管 
18a压力传感器晶体管的控制(栅极)端子 
18b压力传感器晶体管的另外的(漏极)端子 
18c压力传感器晶体管的另外的(源极)端子 
18d压力传感器晶体管的电流路径 
20压力测量电桥 
22压力测量电桥的电桥臂 
22a电桥臂中的节点 
24压力测量电桥的电桥臂 
24a电桥臂中的节点 
26控制晶体管 
26a控制晶体管的控制(栅极)端子 
26b控制晶体管的第一(漏极)端子 
26c控制晶体管的第二(源极)端子 
26d控制晶体管的电流路径 
28控制晶体管 
28a控制晶体管的控制(栅极)端子 
28b控制晶体管的第一(漏极)端子 
28c控制晶体管的第二(源极)端子 
28d控制晶体管的电流路径 
30第一电流源 
32第二电流源 
34电容。 

Claims (6)

1.一种压敏放大器级，包括：
四个单极型压力传感器晶体管，所述四个单极型压力传感器晶体管每个包括控制端子和设置在另外的第一端子与另外的第二端子之间的电流路径，所述电流路径对机械张力敏感，
所述四个压力传感器晶体管被连接成具有两个电桥臂的压力测量电桥，所述电桥臂中的每个包括关于电流路径串联连接的第一压力传感器晶体管和第二压力传感器晶体管，
两个单极型控制晶体管，所述两个单极型控制晶体管每个具有控制端子和设置在另外的第一端子与另外的第二端子之间的电流路径，
所述两个控制晶体管的相应的第一端子以及第二端子成对连接，并且所述控制晶体管的控制端子每个与所述两个电桥臂的压力传感器晶体管之间的节点连接，并且
所述两个并联连接的控制晶体管的互连的第二端子与所述两个电桥臂的第二压力传感器晶体管的控制端子连接，
第一电源，所述第一电源一方面连接在第一电源电压与所述两个电桥臂的第一压力传感器晶体管的第一端子之间而另一方面连接在所述第一电源电压与所述控制晶体管的互连的第一端子之间，所述第一电源被提供用于产生第一电流，以及
第二电源，所述第二电源一方面连接在第二电源电压与所述控制晶体管的互连的第二端子之间而另一方面连接在所述第二电源电压与所述两个电桥臂的第二压力传感器晶体管的控制端子之间，所述第二电源被提供用于产生第二电流，
所述两个电桥臂的第一压力传感器晶体管的控制端子用于与相应的操作输入电压连接，并且在所述两个电桥臂的相应的压力传感器晶体管之间能够检测测量输出电压，以及
所述压力测量电桥的所述测量输出电压能够连接到用于级联所述压力测量电桥的另一压力测量电桥的两个电桥臂的第一压力传感器晶体管的控制端子。
2.如权利要求1所述的压敏放大器级，其中，所述压力传感器晶体管和所述控制晶体管被定标成基本上相同，并且所述第一电流的量基本上是所述第二电流的量的两倍。
3.如权利要求1所述的压敏放大器级，其中，所述第一电流和所述第二电流之差与所述第二电流的比被选择为对应于所述两个电桥臂的第一压力传感器晶体管中的每个相对于所述两个控制晶体管中的每个的定标。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的压敏放大器级，其中，为了防止或抑制所述压力测量电桥的振荡，在所述两个电桥臂的第二压力传感器晶体管的控制端子与所述第二电源电压之间连接电容。
5.如权利要求1所述的压敏放大器级，其中，所述四个压力传感器晶体管每个被设计成PMOS晶体管。
6.如权利要求1所述的压敏放大器级，其中，所述两个控制晶体管每个被设计成PMOS晶体管。
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