CN103199806B - 对传感器信号处理的可编程的模拟单元 - Google Patents

Abstract

本发明为对传感器信号处理的可编程的模拟单元，具有第一可编程开关电容组，接收来自外部的传感器差分信号；第二可编程开关电容组，接收来自外部的传感器差分信号；可编程主全差分运算放大器，用于生成并输出信号处理后的主全差分信号；第一可编程从全差分运算放大器，用于生成并输出从全差分信号；第二可编程从全差分运算放大器，用于对生成并输出从全差分信号；输出多路选择器，用于选择并输出一路差分输出信号；输出控制模块，生成并输出正负反相或调制的差分输出信号。本发明可实现微小电容、微小电压传感信号读出和模拟信号处理，应用在角速度、加速度等物理量的传感器信号检测，适用于FPAA、FPMA以及PSOC电路中。

Description

对传感器信号处理的可编程的模拟单元

技术领域

本发明属于可编程模拟器件结构技术领域，具体涉及一种开关电容方式的可编程的传感器信号处理单元结构，该结构适用于多种传感接口电路，一般信号放大、加减、微积分和滤波等应用电路，以及可编程模拟信号处理阵列结构设计。

背景技术

随着现代社会科技日益飞速发展，人们对智能化电子的需求越来越高，而智能化电子产品离不开传感器对外界微弱的模拟信号的实时采集，使得传感技术成为本世纪最具发展潜力的高新技术之一。传感器采集到的模拟量很微弱，需要通过传感器接口电路进一步进行放大、滤波等处理才能传送到数字芯片中进行逻辑处理反馈给用户。当今的传感器件多种多样，且上市速度非常迅速，而传统的可对多种传感信号进行处理的硬件接口电路，一般都采用不同的通道分别对不同的传感信号进行处理，这样会造成硬件接口电路面积大、成本高、功耗且参数不可变等缺点。如果传感器的参数有变化，接口电路随之需要重新设计进行流片，造成设计成本和制造成本的提高。因此如何快速实现传感信号硬件读出电路并降低其设计和制造成本成为传感技术中的关键和挑战。

现场可编程模拟信号处理阵列FPAA是相对于现场可编程门阵列FPGA在模拟域提出来的一种灵活可编程器件，这种器件既传承了模拟电路固有的低功耗、面积小、高速等优势，又能达到与FPGA在数字域上相同的灵活可编程效果，即在不改变电路硬件环境下，通过灵活的编程配置来实现不同模拟电路单元的互联和参数的调整，从而完成不同的模拟电路功能，这种方式的模拟电路设计大大改善了传统的专用集成电路设计ASIC设计周期长、成本高，反复验证等缺陷，能达到实现电路原型验证从而避免反复流片，进而降低了电子系统的开发成本，缩短了上市周期，大大地减少了模拟电路设计工程师的压力，使得可编程模拟信号处理阵列成为近年来崭露头角的一类新型集成电路。未来必将在数据采集、信号处理、仅器仪表、控制与监测、人工神经网络、电路实验等重要领域得到应用。

在现场可编程模拟信号处理阵列FPAA领域上已经出现了一些商业产品，如Anadigm公司的AN122E04等系列芯片，可以实现30多种功能，具有多个IO输入输出端口，很大地满足了市场需求。但是，在满足功能多样灵活性高的情况下，该种芯片采用开关矩阵来完成所有运算放大模块输入与输出之间的互连关系，使得互连间的寄生电阻电容值大，信号处理的速度受限，一般在4MHz左右。

为了解决传感接口电路中及可编程模拟信号处理阵列中寄生参数大的问题，本发明提出了一种针对多种传感器输出信号的可编程的模拟单元，通过编程配置在本单元内就能实现多种的电路功能和性能参数需要，不仅适用性强、灵活性高，成本低、设计周期短且寄生参数比传统的使用开关矩阵来编程方式小，提高了信号处理的速度。

发明内容

本发明目的在于针对不同传感信号接口电路的多样性、设计成本高等问题，提出了一种适用于多种传感器信号读出和模拟信号处理的开关电容方式的通用的可编程模拟处理单元，可以达到在不需要改变硬件电路的前提下，通过编程配置，对电路的功能和性能进行修改，实现可对多种传感器输出信号进行处理的功能，实现快速开发和验证、降低成本的目的。

为达成所述目的，本发明提出的一种对传感器信号处理的可编程的模拟单元，所述可编程的模拟单元由第一可编程开关电容组、第二可编程开关电容组、可编程主全差分运算放大器、第一可编程从全差分运算放大器和第二可编程从全差分运算放大器、输出多路选择器、输出控制模块构成；其中：

第一可编程开关电容组，具有a左数据端子、b左数据端子、c左数据端子、d左数据端子、a右数据端子、b右数据端子、c右数据端子、d右数据端子和e右数据端子；第一可编程开关电容组内部具有多个可编程开关和电容；a右数据端子接收来自外部的正传感器差分信号；

第二可编程开关电容组，具有A左数据端子、B左数据端子、C左数据端子、D左数据端子、A右数据端子、B右数据端子、C右数据端子、D右数据端子；第二可编程开关电容组内部具有多个可编程开关和电容；D右数据端子接收来自外部的负传感器差分信号；

可编程主全差分运算放大器，具有六个数据端，分别为外接差分正输入端、外接差分负输入端，内接差分正输入端、内接差分负输入端、第三差分正输出端和第三差分负输出端；外接差分正输入端和外接差分负输入端直接接收来自外部的正、负传感器差分信号并分别连接到c左数据端子和B左数据端子上；内接差分正输入端和a左数据端子相连，内接差分负输入端和D左数据端子相连，第三差分负输出端和c右数据端子相连，第三差分正输出端和B右数据端子相连，同时也和e右数据端子相连；可编程主全差分运算放大器的内部具有多个可编程开关和电容；可编程主全差分运算放大器，用于对来自外部的正、负传感器差分信号做低噪声放大、一级滤波、加减、微积分信号处理，生成并由第三差分正输出端、第三差分负输出端输出信号处理后的主全差分信号；

第一可编程从全差分运算放大器，具有第一差分正输入端、第一差分负输入端、第一差分正输出端和第一差分负输出端；第一差分正输入端和第一差分负输入端分别与d左数据端子、A左数据端子相连，第一差分负输出端和第一差分正输出端分别和d右数据端子、A右数据端子相连；第一可编程从全差分运算放大器内部具有可编程开关和电容，用于对传感器差分信号做次级放大、缓冲、加减、微积分、滤波处理，生成并由第一差分正输出端和第一差分负输出端输出从全差分信号；

第二可编程从全差分运算放大器，具有第二差分正输入端、第二差分负输入端、第二差分正输出端和第二差分负输出端；所述第二差分正输入端和第二差分负输入端分别与b左数据端子和C左数据端子相连，第二差分负输出端和第二差分正输出端分别与b右数据端子和C右数据端子相连；第二可编程从全差分运算放大器内部具有可编程开关和电容，用于对传感器差分信号做次级放大、缓冲、加减、微积分、滤波处理，生成并由第二差分正输出端和第二差分负输出端输出从全差分信号；

-输出多路选择器，具有第四、第五、第六差分正、负输入端和第四差分正输出端、第四差分负输出端；第四、第五、第六差分正、负输入端分别与可编程主全差分运算放大器、第一可编程从全差分运算放大器、第二可编程从全差分运算放大器的所述差分正输出端、差分负输出端连接，用于从可编程主全差分运算放大器、第一可编程从全差分运算放大器、第二可编程从全差分运算放大器所述的差分正输出端、差分负输出端中选择一路差分输出信号并由第四差分正输出端、第四差分负输出端输出；

-输出控制模块，具有第七差分正输入端、第七差分负输入端、第五差分正输出端和第五差分负输出端；第七差分正负输入端分别与输出多路选择器的第四差分正输出端、第四差分负输出端连接，接收输出多路选择器输出的差分信号，通过输出控制模块内部的开关编程对多路选择器输出的差分信号进行正负反相处理或调制处理，生成并由输出控制模块的第五差分正输出端和第五差分负输出端输出正负反相或调制的差分输出信号。

其中，所述输出控制模块是由第一开关、第二开关、第三开关、第四开关构成，其中第一开关的左端和第二开关的左端相连并连接到输出控制模块的负输入端上，第三开关的左端和第四开关的左端相连并连接到输出控制模块的正输入端上，且第一开关的右端和第三开关的右端相连并连接到输出控制模块的负输出端上，第二开关的右端和第四开关的右端相连并连接到输出控制模块正输出端上，四个开关的控制信号为独立编程控制或者由两相非交叠时钟控制，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关组成乘法器或调制解调器，用于控制负输出端和正输出端的输出状态。

其中，所述第一可编程开关电容组和第二可编程开关电容组具有相同的电路结构是由n个可编程开关电容块和位于n个可编程开关电容块两侧的m个多路选择器构成；每个可编程开关电容块设有左端子和右端子；每个左端子和左侧的一个多路选择器的输出端相连，每个右端子和右侧的一个多路选择器的输出端相连；m个多路选择器中每个多路选择器的输入信号通路数量为n，n≥3；多路选择器的数量m＝2k，k为自然数。

其中，所述可编程开关电容块由电容阵列和多个开关构成，电容阵列为单独的电容阵列，或是由多个可编程开关电容块共享的电容阵列池构成；所述电容阵列的电容数目为h，h为自然数；可编程开关电容块中的开关是独立编程控制或者由两相非交叠时钟控制，通过对开关的编程控制，用于实现可编程开关电容块九种功能状态。

其中，所述可编程主全差分运算放大器是由一个带有共模输入/输出反馈的低噪声全差分运算放大单元、多个可编程开关电容块及输出置位开关构成；在低噪声全差分运算放大单元的正输入端与负输出端之间跨接两个并联的可编程开关电容块，并把所述正输入端作为可编程主全差分运算放大器的内接差分正输入端，把所述负输出端作为可编程主全差分运算放大器的差分负输出端；在低噪声全差分运算放大单元的负输入端和正输出端之间也并列跨接两个可编程开关电容块，把所述负输入端作为可编程主全差分运算放大器的内接差分负输入端，把所述正输出端作为可编程主全差分运算放大器的差分正输出端；内接差分正输入端、外接差分正输入端之间和内接差分负输入端、外接差分负输入端之间各接一个可编程开关电容块；低噪声全差分运算放大单元的正输出端、负输出端分别通过一个开关连接到共模输出调制端上，用于对低噪声全差分运算放大单元输出端电平进行置位；多个可编程开关电容块作为可编程主全差分运算放大器可编程的内部互联结构，配合所述低噪声全差分运算放大单元，用于实现单个可编程主全差分运算放大器作为传感器信号读出的前端电路。

其中，所述第一可编程从全差分运算放大器和第二可编程从全差分运算放大器具有相同的结构，是由裸差分运算放大器和可编程开关电容块构成，裸差分运算放大器内部具有可编程开关，可编程开关为金属氧化物半导体场效应管MOS或者互补的金属氧化物半导体场效应管CMOS开关，实现关断或闭合功能，将裸运算放大器配置成全差分运算放大器模式、单端输出运算放大器模式或者比较器模式；裸差分运算放大器的正输入端与负输出端之间连接一个可编程开关电容块，负输入端与正输出端之间连接一个可编程开关电容块，通过可编程开关电容块中的开关编程，实现可编程从全差分运算放大器的多种形态。

本发明的有益效果：针对传感器信号及其微弱的特点，本发明采用了全差分的开关电容的工作方式，全差分电路具有高共模抑制比、信号摆幅大、线性度高的优点，能有效地抑制共模噪声、提高信噪比和降低谐波失真，特别适合于传感器信号的读出。而开关电容工作方式能克服CMOS工艺中集成电路广泛存在难以集成大电阻，且电容和电阻存在着高达5％的制造误差的突出问题，使得大电阻容易集成，且利用电容比值的关系可以将误差控制在0.1％以下的优势，并且这种方式的电路可以通过改变时钟频率和电容比来获得丰富的参数变化，使得本发明的适用性和可编程灵活性更优。同时开关电容方式在检测微弱电容值和电压值等方面具有很大的优势。

本发明对传感器信号处理的可编程的模拟单元是可编程模拟阵列FPAA中的主要构件之一，它能为一般应用提供多种灵活配置的功能电路单元，又能方便地实现多种传感器接口电路所实现的信号检测、放大、滤波及信号转换等多种功能。由本单元构成的可编程模拟阵列结构利用开关电容中丰富的时钟频率变化和多种电容比值来获取丰富的电路参数的变化，同时对各个开关通断和多路选择器的控制来获取结构和互联上的变化，从而实现结构和参数灵活变化的多功能可编程模拟阵列结构，可以用来解决目前传感器接口电路中应用目标单一、参数可调范围有限、集成度低、设计周期长和实现成本高的缺点。

本发明对传感器信号处理的可编程的模拟单元采用了模块化互联的策略，即采用运算放大器内部的可编程电容块实现运算放大模块内部互联、采用第一和第二可编程开关电容组实现运算放大模块间互联的策略以及采用第一和第二可编程开关电容组实现差分信号分成并行的两路信号进行分别互联的策略，这种模块化及并行两路差分信号互联策略使得互联结构更加简单、清晰、可拓展性好、工作信号频率高，避免了采用传统的大规模开关矩阵互连的方法造成的寄生参数多、工作频率低、可拓展性差、编程代码多且配置寄存器存储容量大的缺陷。

本发明中采用主从全差分运算放大器的策略，避免了全部采用可编程主全差分运算放大器带来的大功耗和大面积问题，主从运算放大器互相搭配来实现开关电容可编程模拟模块，既能满足传感电路中对运算放大器的特殊要求，又能考虑到普通的模拟信号的处理，对运算放大器在功耗、噪声和增益带宽积方面进行了折中处理，从而使得整个模块在结构、面积和功耗上都有所改善。

本发明对传感器信号处理的可编程的模拟单元可用在FPAA或其他形式的可编程模拟电路中，实现多种结构和参数灵活可编程的多通道传感器信号检测电路和复杂的模拟信号处理电路。本发明的可编程的模拟单元可实现微小电容、微小电压等传感信号读出和模拟信号处理功能，可应用在角速度、加速度等物理量的传感器信号检测电路中，具有结构简单、互联结构层次清晰、可拓展性强、集成度高等优点。本发明适用于FPAA(FieldProgrammableAnalogArray)、FPMA(FieldProgrammableMixed-SignalArray)以及PSOC(ProgrammableSystemOnChip)电路中。

附图说明

图1为本发明对传感器信号处理的可编程的模拟单元的结构示意图。

图2a是图1中的第一可编程开关电容组和第二可编程开关电容组具体结构示意图。

图2b可编程开关电容块的具体结构示意图。

图2c输出控制模块的具体结构示意图。

图2d可编程主全差分运算放大器的具体结构示意图。

图2e可编程从全差分运算放大器的具体结构示意图。

图3a和图3b为对传感器信号处理的本发明可编程的模拟单元配置成微电容传感器信号检测的配置图。

图4a和图4b为对传感器信号处理的本发明可编程的模拟单元配置成双二次高通滤波器的配置图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步详细说明。

图1为对传感器信号处理的可编程的模拟单元的具体结构，包括：

第一可编程开关电容组1、第二可编程开关电容组2、可编程主全差分运算放大器3、第一可编程从全差分运算放大器4和第二可编程从全差分运算放大器5、输出多路选择器6、输出控制模块7构成；

第一可编程开关电容组1，具有a左数据端子IN11L、b左数据端子IN12L、c左数据端子IN13L、d左数据端子IN14L，a右数据端子IN11R、b右数据端子IN12R、c右数据端子IN13R、d右数据端子IN14R，以及e右数据端子IN15R；第一可编程开关电容组1的内部具有多个可编程开关和电容；a右数据端子IN11R接收来自外部的正传感器差分信号IN+；

第二可编程开关电容组2，具有A左数据端子IN21L、B左数据端子IN22L、C左数据端子IN23L、D左数据端子IN24L；A右数据端子IN21R、B右数据端子IN22R、C右数据端子IN23R、D右数据端子IN24R；第二可编程开关电容组2的内部具有多个可编程开关和电容；D右数据端子IN24R接收来自外部的负传感器差分信号IN-；

可编程主全差分运算放大器3，具有六个数据端子，分别为外接差分正输入端IN3+、外接差分负输入端IN3-，内接差分正输入端INN3+、内接差分负输入端INN3-、第三差分正输出端OUT3+和第三差分负输出端OUT3-；外接差分正输入端IN3+和外接差分负输入端IN3-分别直接接收来自外部的正、负传感器差分信号IN+、IN-，并分别连接到c左数据端子IN13L和B左数据端子上IN22L；内接差分正输入端INN3+与a左数据端子IN11L相连，内接差分负输入端INN3-与D左数据端子IN24L相连，第三差分负输出端OUT3-和c右数据端子IN13R相连；第三差分正输出端OUT3+和B右数据端子IN22R相连，同时也和e右数据端子IN15R相连；可编程主全差分运算放大器3的内部具有多个可编程开关和电容，用于在完成可编程主全差分运算放大器3的一些基本运算能力，而不需要第一可编程开关电容组1、第二可编程开关电容组2的辅助来完成；可编程主全差分运算放大器3，用于对来自外部的正、负传感器差分信号IN+、IN-做低噪声放大、一级滤波、加减、微积分信号处理，生成并由第三差分正输出端OUT3+、第三差分负输出端OUT3-输出信号处理后的主全差分信号；本发明中直接将正、负传感器差分信号IN+、IN-输入到可编程主全差分运算放大器3的外接差分正输入端IN3+、外接差分负输入端IN3-，降低了输入端对寄生参数敏感度大等缺陷，提高了处理信号的精确度；

第一可编程从全差分运算放大器4，具有第一差分正输入端IN4+、第一差分负输入端IN4-、第一差分正输出端OUT4+和第一差分负输出端OUT4-，第一差分正输入端IN4+和第一差分负输入端IN4-分别与d左数据端子IN14L、A左数据端子IN21L相连，第一差分负输出端OUT4-和第一差分正输出端OUT4+分别和d右数据端子IN14R、A右数据端子IN21R相连；第一可编程从全差分运算放大器4内部具有可编程开关和电容，用于对传感器差分信号做次级放大、缓冲、加减、微积分、滤波处理，生成并由第一差分正输出端和第一差分负输出端输出从全差分信号；

第二可编程从全差分运算放大器5，具有第二差分正输入端IN5+、第二差分负输入端IN5-、第二差分正输出端OUT5+和第二差分负输出端OUT5-；所述第二差分正输入端IN5+和第二差分负输入端IN5-分别与b左数据端子IN12L和C左数据端子IN23L相连，第二差分负输出端OUT5-和第二差分正输出端OUT5+分别与b右数据端子IN12R和C右数据端子IN23R相连；第二可编程从全差分运算放大器5内部具有可编程开关和电容，用于对传感器差分信号做次级放大、缓冲、加减、微积分、滤波处理，生成并由第二差分正输出端OUT5+和第二差分负输出端OUT5-输出从全差分信号；

第一和第二可编程开关电容组主要负责完成可编程主全差分运算放大器3、第一可编程从全差分运算放大器4和第二可编程从全差分运算放大器5之间的互连关系，实现模块化互连的策略；通过对第一和第二可编程开关电容组中的多路选择器MUX来选择具体三个运算放大器之间的连接关系，第一和第二可编程开关电容组中的可编程开关电容块负责具体的连接关系的内容，由可编程开关电容块中9种连接方式来决定；由本设计提出的对传感器信号处理的可编程的模拟单元可以用在可编程模拟阵列FPAA设计中，实现由多个该可编程的模拟单元互连组成的阵列，达到多通道的电容或者电压等传感信号的读出，由于本设计提出的由三个运算放大器组成可编程的模拟单元就能完成一些基本的传感器读出信号的处理，减少了可编程阵列中将所有单元进行可编程带来的寄生电容和寄生电阻大带来的工作频率的降低和处理信号精度的降低等负面影响；在上述提出的可编程主全差分运算放大器3、第一可编程从全差分运算放大器4、第二可编程从全差分运算放大器5、第一可编程开关电容组1和第二可编程开关电容组2的互连关系中可以看出，差分信号主要分成正负两路信号分别互连的策略，这种比起将所有的差分信号都通过一个大的开关矩阵进行互连的策略来说，寄生电容和电阻的参数要小很多，提高了电路的运行速度；

输出多路选择器6，具有第四、第五、第六差分正、负输入端和第四差分正输出端、第四差分负输出端；第四、第五、第六差分正、负输入端分别与可编程主全差分运算放大器3的差分正负输出端OUT3+和OUT3-、第一可编程从全差分运算放大器4差分正负输出端OUT4+和OUT4-、第二可编程从全差分运算放大器5的差分正负输出端OUT5+和OUT5-连接，用于从可编程主全差分运算放大器3、第一可编程从全差分运算放大器4、第二可编程从全差分运算放大器5所述的差分正输出端、差分负输出端中选择一路差分输出信号并由第四差分正输出端OUT6+、第四差分负输出端OUT6-输出；通过输出多路选择器完成三种可能的输出结果，提高了可编程的模拟单元的可编程性，而不将所有的三个运算放大器的输出进行输出避免了在组成可编程模拟阵列FPAA时导致的互连结构复杂，寄生参数大等缺陷；

输出控制模块7，具有第七差分正输入端和第七差分负输入端，第五差分正输出端和第五差分负输出端；第七差分正负输入端分别与输出多路选择器6的第四差分正输出端OUT6+、第四差分负输出端OUT6-连接，接收输出多路选择器6输出的差分信号，通过输出控制模块7内部的开关编程对多路选择器6输出的差分信号进行正负反相处理或调制处理，生成并由输出控制模块7的第五差分正输出端和第五差分负输出端输出正负反相或调制的差分输出信号。通过输出控制模块提高了整个可编程的模拟单元的处理传感器读出信号的能力，实现了对传感信号进行基本的斩波调制或者模拟信号处理中的正负反向处理；

在可编程的模拟单元中，当所处理的传感器差分信号只需要一级运算放大、滤波或积分时，则由可编程主全差分运算放大器3来完成功能处理；若所处理的传感器差分信号需要二级运算放大、滤波、积分其中一种时，则采用可编程主全差分运算放大器3和第一可编程从全差分运算放大器4来完成，或者由可编程主全差分运算放大器3和第二可编程从全差分运算放大器5来完成；若所处理的传感器差分信号需要三级运算放大或滤波或积分时则由可编程主全差分运算放大器3、第一可编程从全差分运算放大器4和第二可编程从全差分运算放大器5来完成；在上述情况中，不参与工作的放大器通过其内部的可编程开关关断电源，用以实现三个放大器在上述不同工作情况的灵活运用，节省功耗。这种采用主从运算放大器分别针对不同情况下处理的设计，避免了当大规模采用本设计的可编程模拟单元时造成的面积和功耗过大的问题，在大多数实际的传感器应用中，处于最前端的可编程主全差分运算放大器3的设计对噪声、摆率和放大倍数要求比后级电路要求高，因此采用主从放大器的设计方案非常实用于传感器信号处理中的要求，同时降低了整体电路的对功耗和面积的要求；

图2a示出图1本发明中的第一可编程开关电容组和第二可编程开关电容组的具体结构。第一可编程开关电容组1和第二可编程开关电容组2具有相同的电路结构，是由n个可编程开关电容块PSC和位于n个可编程开关电容块PSC两侧的m个多路选择器构成；可编程开关电容块PSC设有左端子X和右端子Y；每个左端子X和左侧的一个多路选择器的输出端相连，每个右端子Y和右侧的一个多路选择器的输出端相连；多路选择器的输入信号通路数量为n，n≥3；多路选择器的数量m为2k，k为自然数。

图2b可编程开关电容块PSC的具体结构，可编程开关电容块PSC由m1、m2、m3、m4、m5五个独立的开关和电容阵列构成，对应的五个独立的开关的控制信号集合为{on，off，Φ₁，Φ₂...}，即这五个独立的开关可以配置成金属氧化物半导体场效应管MOS或者互补的金属氧化物半导体场效应管CMOS开关，实现闭合或者关断状态，也可以编程为不同时序的两相不交叠的时钟相控制，可实现可编程开关电容块PSC九种功能状态，分别为左端子X到右端子Y之间的直通、断开、单纯的电容相连、开关电容正电阻、开关电容负电阻、左端子X端的开关电容正/负电阻和右端子Y端的开关电容正/负电阻的功能状态。通过控制信号“on”或者“off”对开关m1的控制实现左端子X到右端子Y的直通或者断开的状态；电容阵列通过开关m2、m5分别与端口左端子X、右端子Y相连接，并且通过开关m3、m4分别与共模电平端Vcm1、Vcm2相连，其中Vcm1和Vcm2的电平值可为地电平或者其他电平值。电容阵列为单独的电容阵列，或是由多个可编程开关电容块PSC共享的电容阵列池构成；所述电容阵列的电容数目为h，h为自然数；

图2c为可编程的模拟单元中输出控制模块7的具体结构，是由第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4构成，其中第一开关K1的左端和第二开关K2的左端相连并连接到输出控制模块7的负输入端I-上，第三开关K3的左端和第四K4的左端相连并连接到输出控制模块7的正输入端I+上，且第一开关K1的右端和第三开关K3的右端相连并连接到输出控制模块7的负输出端O-上，第二开关K2的右端和第四开关K4的右端相连并连接到输出控制模块7正输出端O+上，四个开关的控制信号为独立编程控制或者由两相非交叠时钟控制，所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4组成乘法器或调制解调器，用于控制负输出端O-和正输出端O+的输出状态。

图2d是可编程的模拟单元中可编程主全差分运算放大器3的具体结构，是由一个带有共模输入/输出反馈的低噪声全差分运算放大单元LN-OPA、多个可编程开关电容块PSC及输出置位开关构成；低噪声全差分运算放大单元LN-OPA内部具有可编程的开关用于对低噪声全差分运算放大单元LN-OPA的偏置电流和补偿电容进行调节，使得低噪声全差分运算放大单元LN-OPA的带宽按照应用的带宽要求进行可编程，提高了可编程主全差分运算放大器3的功耗效率。低噪声全差分运算放大单元LN-OPA正输入端与低噪声全差分运算放大单元LN-OPA负输出端跨接两个并联的可编程开关电容块PSC，并把所述正输入端作为可编程主全差分运算放大器3的内接正输入端INN+，把所述负输出端作为可编程主全差分运算放大器3的差分负输出端OUT3-；低噪声全差分运算放大单元LN-OPA的负输入端和正输出之间也并列跨接两个可编程开关电容块PSC，把所述负输入端作为可编程主全差分运算放大器3的内接负输入端INN-，把所述正输出端作为可编程主全差分运算放大器3的差分正输出端OUT3+；内接正输入端INN+、外接正输入端IN3+之间和内接负输入端INN-、外接负输入端IN3-之间各接一个可编程开关电容块PSC；低噪声全差分运算放大单元LN-OPA的正负输出端分别通过一个开关连接到共模输出调制端Vocm上，用于对低噪声全差分运算放大单元LN-OPA输出端电平进行置位，Vocm的电平值可编程，对应的开关OK2和OK1的控制信号集合为{off，Φ₁，Φ₂...}，即开关OK2和OK1可编程为金属氧化物半导体场效应管MOS或者互补的金属氧化物半导体场效应管CMOS开关，实现关断功能，也可以编程为两相不交叠的时钟相控制。整个可编程主运算放大模块可以独立自主正常工作，完成基本的微传感电容或电压的前端检测，如角速度检测、加速度等前端检测，也可实现开关电容积分器、一阶滤波器等基本的信号处理。多个可编程开关电容块PSC作为可编程主全差分运算放大器3可编程的内部互联结构，配合所述低噪声全差分运算放大单元LN-OPA，用于实现单个可编程主全差分运算放大器3作为传感器信号读出的前端电路。

图2e为第一和第二可编程从全差分运算放大器内部具体结构，是由裸差分运算放大器S-OPA和可编程开关电容块PSC构成。裸差分运算放大器S-OPA可采用低功耗的差分运算放大器结构，其内部具有可编程开关，可编程金属氧化物半导体场效应管MOS或者互补的金属氧化物半导体场效应管CMOS开关，实现关断或闭合功能，将裸运算放大器S-OPA配置成全差分运算放大器模式、单端输出运算放大器模式或者比较器模式。裸差分运算放大器S-OPA内部还具有可编程的开关用于对裸差分运算放大器S-OPA内部的偏置电流和补偿电容进行调节，使得裸差分运算放大器S-OPA的带宽按照应用的带宽要求进行可编程，提高了可编程从全差分运算放大器的功耗效率。裸差分运算放大器S-OPA的正输入端与负输出端之间连接一个可编程开关电容块PSC，负输入端与正输出端之间连接一个可编程开关电容块PSC，通过可编程开关电容块PSC中的开关编程，实现可编程从全差分运算放大器的多种形态。

在本实例中，模块之间的各个PSC的电容阵列个数和数值可以不同，从而减小冗余面积，达到芯片面积性能比最优化。

图3a和图3b为对传感器信号处理的本发明可编程的模拟单元配置成微电容传感器信号检测的配置图。图3a和图3b为验证对传感器信号处理的可编程的模拟单元实现传感器信号检测的能力，我们以实现一个角速度检测，读出传感器输出的微电容信号为例，可编程的模拟单元实现了角速度检测中的读出电路部分，具体配置见图3a中粗线所示，虚线表示未连接状态，配置图3a与图3b的元件一一对应(数字标号对应)；其中待测电容为需要检测的传感器中的电容值；图3b中的标号为3的运算放大器由可编程主全差分运算放大器3来完成，其中，标记为D3和D4的开关的实现，利用了可编程的主运算放大器3中内接差分正\负输入端中互连的两个PSC中的开关与共模反馈输出信号Vicm端相连。标记为D5和D6的开关的实现则利用了可编程的主运算放大器3中输出端共模置位开关来实现输出共模的稳定；标记为D7和D8的可变电容由可编程的主全差分运算放大器3中内接差分正\负输入端与差分负\正输出端之间跨接的可编程开关电容块编程来实现传感电容到该电容上电荷转移的功能；与可编程主全差分运算放大器3的差分输出端相连的两个输出缓冲器(标号分别为4与5)，则分别由第一可编程从全差分运算放大器4和第二可编程从全差分运算放大器5实现。图3a和图3b中标记为D10的低通滤波器(未画出)，可采用无源的RC低通滤波器来实现。D3和D4开关、D5和D6开关的时序相同由辅助的数字电路来实现开关的控制，输出控制模块的时序和待测电容中间极板的Vm信号的时序相同也由辅助的数字电路模块来实现，输出控制模块完成信号调制功能；

图4a和图4b为验证对传感器信号处理的可编程的模拟单元实现模拟电路基本处理信号的能力和性能，我们以实现一个双二次高通滤波器为例，具体配置见图4a中粗线所示，每个电容的值在此不表示出来，其中可编程主全差分运算放大器对应实例中的表示为①的运算放大模块，第一可编程从全差分运算放大器4对应标示为②的运算放大模块。该滤波器的时序由图中的时钟控制信号Φ₁，Φ₂来完成。其中，标记为Cpp+和Cpp-分别由可编程主全差分运算放大器3中跨接在差分正\负输入端和内接差分正\负输入端之间的可编程开关电容块中的电容来完成，实现初级滤波功能；标记为CB-和C4-、CB+和C4+的电容分别由可编程的主全差分运算放大器3中跨接在内接差分正负输入端和差分负正输出端之间的可编程开关电容块来实现，其中CB+和CB-实现基本的电容作用，C4+和C4-实现正电阻状态；标记为C3-、C2-和C3+、C2+的可变电容分别由第一可编程开关电容组和第二可编程开关电容组中可编程开关电容块中的可编程电容来实现，配合可编程开关电容块中的开关实现正电阻的状态；标记为CA-和CA+的可变电容由第一可编程从全差分运算放大器4中跨接在差分正负输入端和差分负正输出端之间可编程开关电容块来实现普通的可变电容的功能；输出多路选择器6输出主全差分运算放大器的输出，输出控制模块7配置成直通模式直接输出输出多路选择器6的输出；

图4b中对应的各个开关的时序控制如表：

本发明设计的可编程的模拟单元实现的功能多样化，能搭建成各种传感器接口电路，实现多种小信号检测，也可以实现多种的模拟信号处理功能如滤波、放大等。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (6)

1.一种对传感器信号处理的可编程的模拟单元，其特征在于：所述可编程的模拟单元由第一可编程开关电容组、第二可编程开关电容组、可编程主全差分运算放大器、第一可编程从全差分运算放大器和第二可编程从全差分运算放大器、输出多路选择器、输出控制模块构成；其中：

第一可编程开关电容组，具有a左数据端子、b左数据端子、c左数据端子、d左数据端子、a右数据端子、b右数据端子、c右数据端子、d右数据端子和e右数据端子；第一可编程开关电容组内部具有多个可编程开关和电容；a右数据端子接收来自外部的正传感器差分信号；

第二可编程开关电容组，具有A左数据端子、B左数据端子、C左数据端子、D左数据端子、A右数据端子、B右数据端子、C右数据端子、D右数据端子；第二可编程开关电容组内部具有多个可编程开关和电容；D右数据端子接收来自外部的负传感器差分信号；

可编程主全差分运算放大器，具有六个数据端，分别为外接差分正输入端、外接差分负输入端，内接差分正输入端、内接差分负输入端、第三差分正输出端和第三差分负输出端；外接差分正输入端和外接差分负输入端直接接收来自外部的正、负传感器差分信号并分别连接到c左数据端子和B左数据端子上；内接差分正输入端和a左数据端子相连，内接差分负输入端和D左数据端子相连，第三差分负输出端和c右数据端子相连，第三差分正输出端和B右数据端子相连，同时也和e右数据端子相连；可编程主全差分运算放大器的内部具有多个可编程开关和电容；可编程主全差分运算放大器，用于对来自外部的正、负传感器差分信号做低噪声放大、一级滤波、加减、微积分信号处理，生成并由第三差分正输出端、第三差分负输出端输出信号处理后的主全差分信号；

第一可编程从全差分运算放大器，具有第一差分正输入端、第一差分负输入端、第一差分正输出端和第一差分负输出端；第一差分正输入端和第一差分负输入端分别与d左数据端子、A左数据端子相连，第一差分负输出端和第一差分正输出端分别和d右数据端子、A右数据端子相连；第一可编程从全差分运算放大器内部具有可编程开关和电容，用于对传感器差分信号做次级放大、缓冲、加减、微积分、滤波处理，生成并由第一差分正输出端和第一差分负输出端输出从全差分信号；

第二可编程从全差分运算放大器，具有第二差分正输入端、第二差分负输入端、第二差分正输出端和第二差分负输出端；所述第二差分正输入端和第二差分负输入端分别与b左数据端子和C左数据端子相连，第二差分负输出端和第二差分正输出端分别与b右数据端子和C右数据端子相连；第二可编程从全差分运算放大器内部具有可编程开关和电容，用于对传感器差分信号做次级放大、缓冲、加减、微积分、滤波处理，生成并由第二差分正输出端和第二差分负输出端输出从全差分信号；

-输出多路选择器，具有第四、第五、第六差分正、负输入端和第四差分正输出端、第四差分负输出端；第四、第五、第六差分正、负输入端分别与可编程主全差分运算放大器、第一可编程从全差分运算放大器、第二可编程从全差分运算放大器的所述差分正输出端、差分负输出端连接，用于从可编程主全差分运算放大器、第一可编程从全差分运算放大器、第二可编程从全差分运算放大器所述的差分正输出端、差分负输出端中选择一路差分输出信号并由第四差分正输出端、第四差分负输出端输出；

-输出控制模块，具有第七差分正输入端、第七差分负输入端、第五差分正输出端和第五差分负输出端；第七差分正负输入端分别与输出多路选择器的第四差分正输出端、第四差分负输出端连接，接收输出多路选择器输出的差分信号，通过输出控制模块内部的开关编程对多路选择器输出的差分信号进行正负反相处理或调制处理，生成并由输出控制模块的第五差分正输出端和第五差分负输出端输出正负反相或调制的差分输出信号。

2.如权利要求1所述的对传感器信号处理的可编程的模拟单元，其特征在于，所述输出控制模块是由第一开关、第二开关、第三开关、第四开关构成，其中第一开关的左端和第二开关的左端相连并连接到输出控制模块的负输入端上，第三开关的左端和第四开关的左端相连并连接到输出控制模块的正输入端上，且第一开关的右端和第三开关的右端相连并连接到输出控制模块的负输出端上，第二开关的右端和第四开关的右端相连并连接到输出控制模块正输出端上，四个开关的控制信号为独立编程控制或者由两相非交叠时钟控制，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关组成乘法器或调制解调器，用于控制负输出端和正输出端的输出状态。

3.如权利要求1所述的对传感器信号处理的可编程的模拟单元，其特征在于，所述第一可编程开关电容组和第二可编程开关电容组具有相同的电路结构是由n个可编程开关电容块和位于n个可编程开关电容块两侧的m个多路选择器构成；每个可编程开关电容块设有左端子和右端子；每个左端子和左侧的一个多路选择器的输出端相连，每个右端子和右侧的一个多路选择器的输出端相连；m个多路选择器中每个多路选择器的输入信号通路数量为n，n≥3；多路选择器的数量m＝2k，k为自然数。

4.如权利要求3所述的对传感器信号处理的可编程的模拟单元，其特征在于，所述可编程开关电容块由电容阵列和多个开关构成，电容阵列为单独的电容阵列，或是由多个可编程开关电容块共享的电容阵列池构成；所述电容阵列的电容数目为h，h为自然数；可编程开关电容块中的开关是独立编程控制或者由两相非交叠时钟控制，通过对开关的编程控制，用于实现可编程开关电容块九种功能状态。

5.如权利要求1所述的对传感器信号处理的可编程的模拟单元，其特征在于，所述可编程主全差分运算放大器是由一个带有共模输入/输出反馈的低噪声全差分运算放大单元、多个可编程开关电容块及输出置位开关构成；在低噪声全差分运算放大单元的正输入端与负输出端之间跨接两个并联的可编程开关电容块，并把所述正输入端作为可编程主全差分运算放大器的内接差分正输入端，把所述负输出端作为可编程主全差分运算放大器的差分负输出端；在低噪声全差分运算放大单元的负输入端和正输出端之间也并列跨接两个可编程开关电容块，把所述负输入端作为可编程主全差分运算放大器的内接差分负输入端，把所述正输出端作为可编程主全差分运算放大器的差分正输出端；内接差分正输入端、外接差分正输入端之间和内接差分负输入端、外接差分负输入端之间各接一个可编程开关电容块；低噪声全差分运算放大单元的正输出端、负输出端分别通过一个开关连接到共模输出调制端上，用于对低噪声全差分运算放大单元输出端电平进行置位；多个可编程开关电容块作为可编程主全差分运算放大器可编程的内部互联结构，配合所述低噪声全差分运算放大单元，用于实现单个可编程主全差分运算放大器作为传感器信号读出的前端电路。

6.如权利要求1所述的对传感器信号处理的可编程的模拟单元，其特征在于所述的第一可编程从全差分运算放大器和第二可编程从全差分运算放大器具有相同的结构，是由裸差分运算放大器和可编程开关电容块构成，裸差分运算放大器内部具有可编程开关，可编程开关为金属氧化物半导体场效应管MOS或者互补的金属氧化物半导体场效应管CMOS开关，实现关断或闭合功能，将裸运算放大器配置成全差分运算放大器模式、单端输出运算放大器模式或者比较器模式；裸差分运算放大器的正输入端与负输出端之间连接一个可编程开关电容块，负输入端与正输出端之间连接一个可编程开关电容块，通过可编程开关电容块中的开关编程，实现可编程从全差分运算放大器的多种形态。