CN102843102A - 单片集成mems电容传感器锁相放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，该电路包括四个部分：MEMS电容桥式电路，信号输入通道、参考信号输入通道、相关器。其中，MEMS电容桥式电路为MEMS器件部分，其余部分为CMOS电路部分。信号通道中有前置放大器、滤波电路、交流放大电路构成，。参考通道中，包括触发电路、移相电路和方波驱动电路。最后一个部分是相敏检测器和低通滤波器。本发明的优点是：本发明通过差分电容电桥的变化，加上频率调制，实现MEMS与CMOS单片集成，同时为了降低MEMS器件的噪声和影响，使用锁相技术，优点是能够将寄生参数等不理想特性减小到最理想的情况，通过滤波和互相关技术去掉噪声的影响。

Description

单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路

技术领域

本发明涉及一种单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，是一种MEMS与CMOS集成设计单片集成接口电路。

背景技术

锁相技术已经被电子设备所广泛使用，其具有很多优点。MEMS传感器是当今发展的另一个热点，其输出信号一般比较微弱，需要斩波，相关双采样等技术提供信号强度。

图1为常规的锁相技术的框图，其有四个部分构成，主要关系是信号通道同参考通道接受同一个规定的调制频率调制，信号通道包括一些放大和滤波的电路，用于将目标信号放大到满意的范围，在参考通道里，包括相移电路以及驱动电路，用于产生同频率和满足相位的参考频率，最后在相敏放大器和低通滤波器中将噪声部分去除，得到放大后的信号。

如果将MEMS和CMOS锁相放大技术结合起来，将有很好的输出特性和应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，将MEMS与CMOS融合设计。

按照本发明提供的技术方案，所述单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路包括：交流调制信号发生器、MEMS电容电桥、前置放大器、滤波电路、交流放大电路、相敏检测器、低通滤波器、方波驱动电路、移相电路和参考触发电路；所述调制信号发生器输出端连接MEMS电容电桥输入端和参考触发电路输入端，交流调制信号发生器产生交流调制信号，其信号频率同时调制MEMS电容电桥和参考触发电路；在信号通道上，MEMS电容电桥输出连接下一级的前置放大器的输入端，前置放大器的输出连接滤波电路的输入端，经过滤波，滤波电路输出与交流放大电路的输入端相接，交流放大电路的输出与相敏检测器的一个输入端相接；在参考通道上，参考触发电路的输出接移相电路的输入端，移相电路输出端接方波驱动电路的输入端，方波驱动电路的输出接相敏检测器的另一个输入端；经过相敏检测器的相关性检测，相敏检测器的输出连接低通滤波器输入端，最后低通滤波器输出最终的信号。

所述单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路包括MEMS器件部分和CMOS读出电路部分，MEMS器件部分包括：所述MEMS电容电桥；CMOS读出电路部分包括：所述前置放大器、滤波电路、交流放大电路、相敏检测器、低通滤波器、方波驱动电路、移相电路、参考触发电路；通过单片集成技术将所述MEMS器件部分和CMOS读出电路部分同时在硅片上实现。

所述CMOS读出电路部分采用单端输出、单端输入的结构，或采用双端输入和双端输出的全差分结构。

所述CMOS读出电路部分通过CMOS工艺实现，采用CMOS器件或NMOS管、PMOS管。

所述MEMS电容电桥包括：第一可变电容、第三可变电容、第二可变电容和第四可变电容按顺序首尾相接，其中第一可变电容和第二可变电容属于同种类型电容，第三可变电容和第四可变电容属于同种类型电容；第一可变电容和第二可变电容可以由固定容值电容代替，第三可变电容和第四可变电容也可以由固定容值电容代替。

所述相敏检测器可以是开关形式，包括：第一调制开关、第三调制开关、第二调制开关、第四调制开关按顺序首尾相接，所述第一调制开关两端为相敏检测器正端，第二调制开关两端为相敏检测器负端；其中第一调制开关和第二调制开关受相同时钟CLK调制，第三调制开关和第四调制开关受所述时钟CLK的反向时钟调制。

所述相敏检测器也可以采用不带开关的模拟乘法器。

所述滤波电路采用低通滤波器或是高通滤波或是带通滤波器。

所述参考触发电路的输出端可以通过倍频电路与移相电路的输入端相连。也可以省略倍频电路。

所述低通滤波器能够由无限积分时间积分滤波器所代替。

本发明的优点是：本发明是建立在MEMS与CMOS融合设计的平台，通过差分电容电桥的变化，加上频率调制，实现MEMS与CMOS单片集成，同时为了降低MEMS器件的噪声和影响，使用锁相技术，优点是能够将寄生参数等不理想特性减小到最理想的情况，通过滤波和互相关技术去掉噪声的影响。

附图说明

图1为常规锁相放大电路。

图2为本发明的MEMS与CMOS单片集成锁相放大电路。

图3为MEMS电容电桥的详细结构。

图4为相敏检测器的开关形式电路。

图5为本发明的积分器形式输出的整体电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明包括四个主要部分，分别为MEMS电容电桥，信号输入通道、参考信号输入通道、相关器。其中，MEMS电容电桥102为MEMS器件部分，其余部分为CMOS电路部分，如图2所示，具体包括：交流调制信号发生器101、MEMS电容电桥102、前置放大器103、滤波电路104、交流放大电路105、相敏检测器106、低通滤波器107、方波驱动电路108、移相电路109和参考触发电路111；所述调制信号发生器101输出端连接MEMS电容电桥102输入端和参考触发电路111输入端，交流调制信号发生器101产生交流调制信号，其信号频率同时调制MEMS电容电桥102和参考触发电路111；在信号通道上，MEMS电容电桥102输出连接下一级的前置放大器103的输入端，前置放大器103的输出连接滤波电路104的输入端，经过滤波，滤波电路104输出与交流放大电路105的输入端相接，交流放大电路105的输出与相敏检测器106的一个输入端相接；在参考通道上，参考触发电路111的输出接移相电路109的输入端，移相电路109输出端接方波驱动电路108的输入端，方波驱动电路108的输出接相敏检测器106的另一个输入端；经过相敏检测器106的相关性检测，相敏检测器106的输出连接低通滤波器107输入端，最后低通滤波器107输出最终的信号。图中，所述参考触发电路111的输出端通过倍频电路110与移相电路109的输入端相连。倍频电路110根据系统的要求可以使用，也可以根据系统的要求去掉倍频电路110。

MEMS电容电桥102是此发明中的核心部分，因为其设计存在难度，所以，此处既可以是电容差分变化，也可以是其中两个单向变化。

信号通道中有前置放大器103、滤波电路104、交流放大电路105构成，其中前置放大器103具有低噪声和低失调的特点，增益适中，滤波电路104的作用是滤除电路中的杂散频率部分，由于前置放大的增益可能不能满足系统的要求，因此，在滤波电路104后面可以加上一个交流放大电路105。

参考通道中，包括一个参考触发电路111、移相电路109和方波驱动电路108。

最后一个部分是相敏检测器106和低通滤波器107。

本电路的优点是MEMS电容电桥产生的交流信号，通过与参考通道的交流信号进行相关性运算，消除系统中引入的噪声和高频分量，最后得到直流或是低频的放大信号。

如图2所示，本发明包括MEMS器件部分和CMOS读出电路部分。MEMS器件部分包括：MEMS电容电桥102；CMOS读出电路部分包括：前置放大器103、滤波电路104、交流放大电路105、相敏检测器106、低通滤波器107、方波驱动电路108、移相电路109、倍频电路110、参考触发电路111。其中两个部分的结合是通过单片集成技术，即将MEMS器件部分和CMOS电路同时在硅片上实现。

所述CMOS读出电路部分既可以是单端输出，单端输入的结构，也可以是双端输入和双端输出的全差分结构。CMOS读出电路部分包括：前置放大器103、滤波电路104、交流放大电路105、相敏检测器106、低通滤波器107、方波驱动电路108、移相电路109、倍频电路110、参考触发电路111。

所述CMOS读出电路部分是通过CMOS工艺实现，可以是CMOS、NMOS、PMOS管。

所述MEMS电容电桥102为叉指结构或是三明治结构，如图3所示，该MEMS电容电桥102结构包括：第一可变电容117、第二可变电容118、第三可变电容119和第四可变电容120。其连接关系为：第一可变电容117、第三可变电容119、第二可变电容118和第四可变电容120按顺序首尾相接。其中第一可变电容117和第二可变电容118属于同种类型，第三可变电容119和第四可变电容120属于同种类型，第一可变电容117和第二可变电容118可以由固定容值电容代替，第三可变电容119和第四可变电容120也可以由固定容值电容代替。

所述的信号通道部分都为CMOS标准工艺下的电路。前置放大器103可以是NMOS和CMOS结构，滤波电路104根据交流调制信号发生器101产生调制频率的不同和对输出信号的特点不同要求，可以采用低通滤波器或是高通滤波或是带通滤波器，可以采用典型的RC滤波器结构，也可以采用Gm-C等形式的滤波器。可以为RC滤波电路也可以是Gm-C滤波电路，交流放大电路105也是CMOS工艺下的电路。

所述参考通道内的电路和相关器电路也都为CMOS工艺下电路。

所述相敏检测器106为开关形式，也可使用普通的模拟乘法器，即不带开关的模拟乘法器。如图4所示，该相敏检测器106包括：四个受时钟调制的开关。连接关系为：第一调制开关112、第三调制开关114、第二调制开关113、第四调制开关115按顺序首尾相接。所述第一调制开关112两端为相敏检测器106正端，第二调制开关113两端为相敏检测器106负端。其中第一调制开关112和第二调制开关113受相同时钟CLK调制，第三调制开关114和第四调制开关115受时钟CLK的反向时钟调制。

如图5所示，图2中的低通滤波器107可以由无限积分时间积分滤波器116所代替。

Claims (10)

1.单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，其特征是：包括交流调制信号发生器（101）、MEMS电容电桥（102）、前置放大器（103）、滤波电路（104）、交流放大电路（105）、相敏检测器（106）、低通滤波器（107）、方波驱动电路（108）、移相电路（109）和参考触发电路（111）；所述调制信号发生器（101）输出端连接MEMS电容电桥（102）输入端和参考触发电路（111）输入端，交流调制信号发生器（101）产生交流调制信号，其信号频率同时调制MEMS电容电桥（102）和参考触发电路（111）；在信号通道上，MEMS电容电桥（102）输出连接下一级的前置放大器（103）的输入端，前置放大器（103）的输出连接滤波电路（104）的输入端，经过滤波，滤波电路（104）输出与交流放大电路（105）的输入端相接，交流放大电路（105）的输出与相敏检测器（106）的一个输入端相接；在参考通道上，参考触发电路（111）的输出接移相电路（109）的输入端，移相电路（109）输出端接方波驱动电路（108）的输入端，方波驱动电路（108）的输出接相敏检测器（106）的另一个输入端；经过相敏检测器（106）的相关性检测，相敏检测器（106）的输出连接低通滤波器（107）输入端，最后低通滤波器（107）输出最终的信号。

2.根据权利要求1所述的单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，其特征是，包括MEMS器件部分和CMOS读出电路部分，MEMS器件部分包括：所述MEMS电容电桥（102）；CMOS读出电路部分包括：所述前置放大器（103）、滤波电路（104）、交流放大电路（105）、相敏检测器（106）、低通滤波器（107）、方波驱动电路（108）、移相电路（109）、参考触发电路（111）；通过单片集成技术将所述MEMS器件部分和CMOS读出电路部分同时在硅片上实现。

3.根据权利要求2所述的单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，其特征是：所述CMOS读出电路部分采用单端输出、单端输入的结构，或采用双端输入和双端输出的全差分结构。

4.根据权利要求2所述的单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，其特征是：所述CMOS读出电路部分通过CMOS工艺实现，采用CMOS器件或NMOS管、PMOS管。

5.根据权利要求1所述的单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，其特征是：所述MEMS电容电桥（102）包括：第一可变电容(117)、第三可变电容（119）、第二可变电容（118）和第四可变电容（120）按顺序首尾相接，其中第一可变电容(117)和第二可变电容（118）属于同种类型电容，第三可变电容（119）和第四可变电容（120）属于同种类型电容；第一可变电容（117）和第二可变电容（118）能够由固定容值电容代替，第三可变电容（119）和第四可变电容（120）也能够由固定容值电容代替。

6.根据权利要求1所述的单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，其特征是，所述相敏检测器（106）包括：第一调制开关（112）、第三调制开关（114）、第二调制开关（113）、第四调制开关（115）按顺序首尾相接，所述第一调制开关（112）两端为相敏检测器（106）正端，第二调制开关（113）两端为相敏检测器（106）负端；其中第一调制开关（112）和第二调制开关（113）受相同时钟CLK调制，第三调制开关（114）和第四调制开关（115）受所述时钟CLK的反向时钟调制。

7.根据权利要求1所述的单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，其特征是：所述相敏检测器（106）采用不带开关的模拟乘法器。

8.根据权利要求1所述的单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，其特征是：所述滤波电路（104）采用低通滤波器或是高通滤波或是带通滤波器。

9.根据权利要求1所述的单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，其特征是：所述参考触发电路（111）的输出端通过倍频电路（110）与移相电路（109）的输入端相连。

10.根据权利要求1所述的单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，其特征是：所述低通滤波器（107）能够由无限积分时间积分滤波器（116）所代替。

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