CN103248327B - Σ-δ闭环加速度计接口电路中的低噪声前置补偿电路 - Google Patents

Abstract

Σ-Δ闭环加速度计接口电路中的低噪声前置补偿电路，它涉及一种Σ-Δ闭环加速度计接口电路，它解决了目前高阶系统设计导致的稳定性差，后级按比例放大部分的运算放大器低频工作时较高的闪烁噪声与电压失调的问题。输入信号Xinp通过开关S11n、电容C1n、开关S22n、开关S1n、运算放大器OP反向输入端、运算放大器OP的正向输出端、开关S1nd输出信号Youtp，输入信号Xinn通过开关S11p、电容C1p、开关S22p、开关S1p、运算放大器OP正向输入端、运算放大器OP的反向输出端、开关S1pd输出信号Youtn。本发明可保证高阶系统稳定性，降低放大器工作闪烁噪声和失调电压，提高系统信噪比及系统性能。

Description

Σ-Δ闭环加速度计接口电路中的低噪声前置补偿电路

技术领域

本发明适用于MEMS惯性器件领域，涉及一种∑-Δ闭环加速度计接口电路。

背景技术

MEMS是在微电子技术的基础上发展起来的，利用微电子的硅微细加工技术制作微型机械结构，并结合集成电路实现各种微型器件的一种技术。在MEMS惯性器件领域，将MEMS工艺和IC工艺相结合，综合二者的优势，电容式微加速度计就是典型的MEMS惯性器件。由于其体积小、功耗低以及便于批量生产等优点，因此，广泛应用于消费电子产品、汽车工业。并且微加速度计能达到相当高的精度与稳定性，在军事装备以及航空航天领域中占有举足轻重的地位。

目前的前置补偿电路开关较多，增加了工作时的开关噪声，开关在关断状态与导通状态之间切换时，由于非理想因素的存在，会出现沟道电荷注入与时钟馈通现象，降低信号采样的精度，而且电路对输入信号有衰减，需要在后级加入比例放大电路，增大了系统的功耗与芯片面积，另其电路没有噪声消除部分，系统的信噪比会相应降低。

采用∑-Δ技术的微加速度计，基于过采样技术和噪声整形技术，大大降低了系统噪声，改善了系统的信噪比，实现了高精度，并且能够提供数字信号输出，无需加入额外的模数转换器，降低了功耗与电路复杂度，因而应用前景十分广阔。目前，为了进一步提高∑-Δ微机械加速度计的精度，机械结构使用特殊结构，并采用真空封装，大大降低了表头的机械噪声。在接口电路中，多采用高阶系统与补偿电路相结合，提升噪声整形能力，以提高系统信噪比，但随之而来的系统功耗增加与稳定性问题也是一个挑战。斩波稳定技术是将低频的噪声和失调电压利用一个高频交流调制信号调制到高频后再进行滤波。不仅可以消除放大器因失调电压造成的非线性，且能有效地抑制器件噪声。

发明内容

本发明目的是为了解决目前在∑-Δ加速度计接口电路中，由于采用高阶系统设计而导致的稳定性变差，以及传统前置补偿电路后级按比例放大部分的运算放大器低频工作时相对较高的闪烁噪声与电压失调的问题，提供了一种∑-Δ闭环加速度计接口电路中的低噪声前置补偿电路。

本发明由开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S11p、开关S12p、开关S13p、开关S21p、开关S22p、开关S23p、开关S1n、开关S2n、开关S3n、开关S1p、开关S2p、开关S3p、开关S1nd、开关S2nd、开关S1pd、开关S2pd、电容C1n、电容C2n、电容C3n、电容C1p、电容C2p、电容C3p、运算放大器OP组成；开关S11n的一端与输入信号Xinp相连；开关S11n的另一端同时与开关S21n的一端、电容C2n的一端、电容C1n的一端相连；开关S21n的另一端接地；电容C1n的另一端同时与开关S22n的一端、开关S12n的一端相连；电容C2n的另一端同时与开关S13n的一端、开关S23n的一端相连；开关S12n另一端接地；开关S23n的另一端接地；开关S22n的另一端、开关S13n的另一端同时与开关S1n的一端、开关S2p的一端、开关S3n的一端、电容C3n的一端相连；开关S11p的一端与输入信号Xinn相连；开关S11p的另一端同时与开关S21p的一端、电容C2p的一端、电容C1p的一端相连；开关S21p的另一端连接接地；电容C1p的另一端同时与开关S22p的一端、开关S12p的一端相连；电容C2p的另一端同时与开关S13p的一端、开关S23p的一端相连；开关S12p另一端接地；开关S23p的另一端接地；开关S22p的另一端、开关S13p的另一端同时与开关S1p的一端、开关S2n的一端、开关S3p的一端、电容C3p的一端相连；开关S1n的另一端、开关S2n的另一端同时与运算放大器的OP的反向输入端相连；开关S1p的另一端、开关S2p的另一端同时与运算放大器的OP的正向输入端相连；运算放大器的正向输出端分别与开关S1nd的一端、开关S2pd的一端相连；运算放大器的反向输出端分别与开关S1pd的一端、开关S2nd的一端相连；开关S3n的另一端、电容C3n的另一端、开关S1nd的另一端、开关S2nd的另一端同时相连为整个电路的输出端Youtp；开关S3p的另一端、电容C3p的另一端、开关S1pd的另一端、开关(S2pd)的另一端同时相连为整个电路的输出端Youtn；由电容C1n、电容C2n、电容C3n、电容C1p、电容C2p和电容C3p组成的相位补偿电路实现的离散域传递函数如式1所示：

式1 $H\left(z\right)=\frac{C2}{C3}-\frac{C1}{C3}{z}^{-1}$

令C2＝C3，C1＝αC3，其中C1n＝C1p＝C1，C2n＝C2p＝C2，C3n＝C3p＝C3，则可得式2：

式2H(z)＝1-αz^-1

式2中的d由开关电容网络的采样电容和积分电容的比值确定，即上述所有开关的通断状态控制步骤为：

第一步，开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S11p、开关S12p、开关S13p闭合，开关S3n和S3p断开，开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S21p、开关S22p、开关S23p断开，开关S1n、开关S1p、开关S1nd、开关S1pd闭合，开关S2p、开关S2n、开关S2pd、开关S2nd断开，电容C1n与电容C1p进行信号采样，同时电容C2n与电容C2p进行信号无延迟积分；

第二步，开关S3n和开关S3p闭合，开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S11p、开关S12p、开关S13p断开，开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S21p、开关S22p、开关S23p断开，开关S1n、开关S1p、开关S1nd、开关S1pd断开，开关S2p、开关S2n、开关S2pd、开关S2nd断开，对电容C3n、电容C3p进行复位；

第三步，开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S21p、开关S22p、开关S23p闭合，开关S3n和开关S3p断开，开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S11p、开关S12p、开关S13p断开，开关S2p、开关S2n、开关S2pd、开关S2nd闭合，开关S1n、开关S1p、开关S1nd、开关S1pd断开，对电容C1n与电容C1p上一周期采样的信号进行积分，同时电容C2n与电容C2p进行复位；此过程不断循环下去；

其中开关S2p、开关S2n、开关S1n、开关S1p、开关S2pd、开关S2nd、开关S1nd、开关S1pd的时钟频率比开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S11p、开关S12p、开关S13p、开关S21p、开关S22p、开关S23p的时钟频率低，使开关S2p、开关S2n、开关S1n、开关S1p、开关S2pd、开关S2nd、开关S1nd、开关S1pd在每个工作周期的状态不一定变化。

本发明的优点：本发明采用了相位补偿技术与斩波稳定技术相结合，综合了二者的优势，在对系统进行相位补偿以保证高阶系统稳定性的基础上，同时降低了放大器工作时的闪烁噪声与失调电压，提高了系统的信噪比，并且采用全差分结构，使得电路对共模误差不敏感，提升了系统的性能。由于本发明将相位补偿技术与斩波稳定技术相结合，在补偿系统相位裕度，提高系统稳定性的同时，降低了运算放大器工作时的闪烁噪声与失调电压，并且采用全差分结构，使得电路对共模误差不敏感，提高了∑-Δ加速度计接口电路的性能。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式由开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S11p、开关S12p、开关S13p、开关S21p、开关S22p、开关S23p、开关S1n、开关S2n、开关S3n、开关S1p、开关S2p、开关S3p、开关S1nd、开关S2nd、开关S1pd、开关S2pd、电容C1n、电容C2n、电容C3n、电容C1p、电容C2p、电容C3p、运算放大器OP组成；开关S11n的一端与输入信号Xinp相连；开关S11n的另一端同时与开关S21n的一端、电容C2n的一端、电容C1n的一端相连；开关S21n的另一端接地；电容C1n的另一端同时与开关S22n的一端、开关S12n的一端相连；电容C2n的另一端同时与开关S13n的一端、开关S23n的一端相连；开关S12n另一端接地；开关S23n的另一端接地；开关S22n的另一端、开关S13n的另一端同时与开关S1n的一端、开关S2p的一端、开关S3n的一端、电容C3n的一端相连；开关S11p的一端与输入信号Xinn相连；开关S11p的另一端同时与开关S21p的一端、电容C2p的一端、电容C1p的一端相连；开关S21p的另一端接地；电容C1p的另一端同时与开关S22p的一端、开关S12p的一端相连；电容C2p的另一端同时与开关S13p的一端、开关S23p的一端相连；开关S12p另一端接地；开关S23p的另一端接地；开关S22p的另一端、开关S13p的另一端同时与开关S1p的一端、开关S2n的一端、开关S3p的一端、电容C3p的一端相连；开关S1n的另一端、开关S2n的另一端同时与运算放大器的OP的反向输入端相连；开关S1p的另一端、开关S2p的另一端同时与运算放大器的OP的正向输入端相连；运算放大器的正向输出端分别与开关S1nd的一端、开关S2pd的一端相连；运算放大器的反向输出端分别与开关S1pd的一端、开关S2nd的一端相连；开关S3n的另一端、电容C3n的另一端、开关S1nd的另一端、开关S2nd的另一端同时相连为整个电路的输出端Youtp；开关S3p的另一端、电容C3p的另一端、开关S1pd的另一端、开关S2pd的另一端同时相连为整个电路的输出端Youtn；由电容C1n、电容C2n、电容C3n、电容C1p、电容C2p和电容C3p组成的相位补偿电路实现的离散域传递函数如式1所示：

式1 $H\left(z\right)=\frac{C2}{C3}-\frac{C1}{C3}{z}^{-1}$

令C2＝C3，C1＝αC3，其中C1n＝C1p＝C1，C2n＝C2p＝C2，C3n＝C3p＝C3，则可得式2

式2H(z)＝1-αz^-1

式2中的d由开关电容网络的采样电容和积分电容的比值确定，即上述所有开关的通断状态控制步骤为：

第一步，开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S11p、开关S12p、开关S13p闭合，开关S3n和S3p断开，开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S21p、开关S22p、开关S23p断开，开关S1n、开关S1p、开关S1nd、开关S1pd闭合，开关S2p、开关S2n、开关S2pd、开关S2nd断开，电容C1n与电容C1p进行信号采样，同时电容C2n与电容C2p进行信号无延迟积分；

第二步，开关S3n和开关S3p闭合，开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S11p、开关S12p、开关S13p断开，开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S21p、开关S22p、开关S23p断开，开关S1n、开关S1p、开关S1nd、开关S1pd断开，开关S2p、开关S2n、开关S2pd、开关S2nd断开，对电容C3n、电容C3p进行复位；

第三步，开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S21p、开关S22p、开关S23p闭合，开关S3n和开关S3p断开，开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S11p、开关S12p、开关S13p断开，开关S2p、开关S2n、开关S2pd、开关S2nd闭合，开关S1n、开关S1p、开关S1nd、开关S1pd断开，对电容C1n与电容C1p上一周期采样的信号进行积分，同时电容C2n与电容C2p进行复位；此过程不断循环下去。

其中开关S2p、开关S2n、开关S1n、开关S1p、开关S2pd、开关S2nd、开关S1nd、开关S1pd的时钟频率比开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S11p、开关S12p、开关S13p、开关S21p、开关S22p、开关S23p的时钟频率低，使开关S2p、开关S2n、开关S1n、开关S1p、开关S2pd、开关S2nd、开关S1nd、开关S1pd在每个工作周期的状态不一定变化。

工作原理：输入信号经过开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S11p、开关S12p、开关S13p、开关S21p、开关S22p、开关S23p、电容C1n、电容C2n、电容C1p、电容C2p采样后，和由开关S1n、开关S2n、开关S1p、开关S2p组成的调制电路的斩波信号相乘，输入信号被调制到了斩波信号的奇次频率处，再经过由开关S1nd、开关S2nd、开关S1pd、开关S2pd组成的调制电路的斩波信号相乘，输入信号得到解调。低频噪声和运放的失调只经过一次调制，这样被调制到了高频后的低频噪声和失调就和有用的输入信号分离开，采样的输入信号就可以经过积分实现低噪声的前置补偿功能。

Claims (1)

1.∑-Δ闭环加速度计接口电路中的低噪声前置补偿电路，其特征在于，它由开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S11p、开关S12p、开关S13p、开关S21p、开关S22p、开关S23p、开关S1n、开关S2n、开关S3n、开关S1p、开关S2p、开关S3p、开关S1nd、开关S2nd、开关S1pd、开关S2pd、电容C1n、电容C2n、电容C3n、电容C1p、电容C2p、电容C3p、运算放大器OP组成；开关S11n的一端与输入信号Xinp相连；开关S11n的另一端同时与开关S21n的一端、电容C2n的一端、电容C1n的一端相连；开关S21n的另一端接地；电容C1n的另一端同时与开关S22n的一端、开关S12n的一端相连；电容C2n的另一端同时与开关S13n的一端、开关S23n的一端相连；开关S12n另一端接地；开关S23n的另一端接地；开关S22n的另一端、开关S13n的另一端同时与开关S1n的一端、开关S2p的一端、开关S3n的一端、电容C3n的一端相连；开关S11p的一端与输入信号Xinn相连；开关S11p的另一端同时与开关S21p的一端、电容C2p的一端、电容C1p的一端相连；开关S21p的另一端接地；电容C1p的另一端同时与开关S22p的一端、开关S12p的一端相连；电容C2p的另一端同时与开关S13p的一端、开关S23p的一端相连；开关S12p另一端接地；开关S23p的另一端接地；开关S22p的另一端、开关S13p的另一端同时与开关S1p的一端、开关S2n的一端、开关S3p的一端、电容C3p的一端相连；开关S1n的另一端、开关S2n的另一端同时与运算放大器的OP的反向输入端相连；开关S1p的另一端、开关S2p的另一端同时与运算放大器的OP的正向输入端相连；运算放大器的正向输出端分别与开关S1nd的一端、开关S2pd的一端相连；运算放大器的反向输出端分别与开关S1pd的一端、开关S2nd的一端相连；开关S3n的另一端、电容C3n的另一端、开关S1nd的另一端、开关S2nd的另一端同时相连为整个电路的输出端Youtp；开关S3p的另一端、电容C3p的另一端、开关S1pd的另一端、开关S2pd的另一端同时相连为整个电路的输出端Youtn；由电容C1n、电容C2n、电容C3n、电容C1p、电容C2p和电容C3p组成的相位补偿电路实现的离散域传递函数如式1所示：

式1 $H\left(z\right)=\frac{C2}{C3}-\frac{C1}{C3}{z}^{-1}$

令C2＝C3，C1＝αC3，其中C1n＝C1p＝C1，C2n＝C2p＝C2，C3n＝C3p＝C3则可得式2：

式2H(z)＝1-αz^-1

式2中的d由开关电容网络的采样电容和积分电容的比值确定，即上述所有开关的通断状态控制步骤为：

第一步，开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S11p、开关S12p、开关S13p闭合，开关S3n和S3p断开，开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S21p、开关S22p、开关S23p断开，开关S1n、开关S1p、开关S1nd、开关S1pd闭合，开关S2p、开关S2n、开关S2pd、开关S2nd断开，电容C1n与电容C1p进行信号采样，同时电容C2n与电容C2p进行信号无延迟积分；

第二步，开关S3n和开关S3p闭合，开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S11p、开关S12p、开关S13p断开，开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S21p、开关S22p、开关S23p断开，开关S1n、开关S1p、开关S1nd、开关S1pd断开，开关S2p、开关S2n、开关S2pd、开关S2nd断开，对电容C3n、电容C3p进行复位；

第三步，开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S21p、开关S22p、开关S23p闭合，开关S3n和开关S3p断开，开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S11p、开关S12p、开关S13p断开，开关S2p、开关S2n、开关S2pd、开关S2nd闭合，开关S1n、开关S1p、开关S1nd、开关S1pd断开，对电容C1n与电容C1p上一周期采样的信号进行积分，同时电容C2n与电容C2p进行复位；此过程不断循环下去；

其中开关S2p、开关S2n、开关S1n、开关S1p、开关S2pd、开关S2nd、开关S1nd、开关S1pd的时钟频率比开关S11n、开关S12n、开关S13n、开关S21n、开关S22n、开关S23n、开关S11p、开关S12p、开关S13p、开关S21p、开关S22p、开关S23p的时钟频率低，使开关S2p、开关S2n、开关S1n、开关S1p、开关S2pd、开关S2nd、开关S1nd、开关S1pd在每个工作周期的状态不一定变化。