CN103684408A - 电容式传感器接口电路 - Google Patents

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本发明电容式传感器接口电路，采用基于相关双采样的三级放大结构将传感器的差分电容信号读出，分为三级，每级由一个全差分运算放大器，两个反馈电容以及一些开关构成。重置阶段被分成四小步，由控制信号clk_r1,clk_r2,clk_r3控制实现，第一步将PM连接到VREFP，同时将反馈电容Cs11、Cs12、Cs21、Cs22、Cs31、Cs32各端全部重置到共模电压Vcm上；第二步第一级中的开关被全部关闭，第一级被释放；第三步第二级中的开关被全部关闭，第二级被释放；第四步第三级中的开关被关闭，第三级电路被释放，整个电路重置完成；放大阶段，将PM端的电压变为VREFN。其目的在于提供一种改善噪声性能、降低外部干扰敏感度的电容式传感器接口电路。

Description

电容式传感器接口电路
技术领域
本发明涉及一种电容式传感器接口电路。
背景技术
由于微机电(MEMS)技术以及应用的快速发展，将被感知的物理量（例如气压，加速度，湿度等）的变化转换成电容值的变化的传感器大量出现。这种电容的变化范围通常仅为0.01pF～1pF，同时还有零点，灵敏度不一致甚至会随温度变化，因此一般会同时配上一个带有电容检测的接口电路，将电容变化转换成可以进行后续处理的电压或者数字信号。传统的电容式传感器接口电路通常利用电荷守恒原理，使用一级运算放大器得到电容进行充放电后的电荷变化量来计算出电容值。参见图1，电容式传感器由两个待检测电容CA和CB组成，接口电路由一个运算放大器，一个反馈电容Cs以及两组开关组成。通常CA和CB的变化方向相反或者其中一个固定不变，CA和CB的电容值的差反映了传感器测量的物理量大小。为了测量出CA和CB的电容差值，接口电路测量时分为两个阶段：重置阶段和放大阶段。重置阶段，在CA和CB的两个非公共端加上相位相反的信号VREFP和VREFN，跨接在运算放大器输入与输出两端的反馈电容Cs通过两组开关短接到共模电压Vcm上。放大阶段，CA和CB的两个非公共端信号被反相，由于运算放大器的虚地特性，根据电荷守恒原理，可以计算出运算放大器输出端电压变化为Vout=Vcm+(VREFP-VREFN)*( CA-CB)/ Cs，从而得到一个与CA, CB差值成比例的电压输出。
此接口电路的缺点主要有以下三点：
首先，噪声性能不好。重置阶段，开关、运算放大器，传感器布线寄生电阻的宽带热噪声被采样到运算放大器输入端，形成所谓的kT/C噪声，由于传感器上一般有较大的寄生电容，整体结构的反馈系数F很小，这个kT/C噪声在放大阶段会被1/F倍，从而大大限制了输出信号的噪声性能。同时电路的低频噪声如闪烁噪声也会体现在输出上。
其次，运算放大器的失调电压以及开关的失配也会在输出信号上引入失调信号。
再次，由于运算放大器工作在单端模式，对电源噪声，外部干扰和寄生变化会比较敏感。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种改善噪声性能、降低外部干扰敏感度的电容式传感器接口电路。
本发明电容式传感器接口电路，所述电容式传感器接口电路采用基于相关双采样的三级放大结构，将传感器的差分电容信号读出，其中： 
第一级包括第一全差分运算放大器A1、反馈电容Cs11、反馈电容Cs12和开关， 所述第一全差分运算放大器A1的两个输入端分别连接传感器差分电容CA和CB的非公共端，所述第一全差分运算放大器A1的正向输入端与反向输出端之间并联反馈电容Cs11，反馈电容Cs11两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第一全差分运算放大器A1的反向输入端与正向输出端之间并联反馈电容Cs12，反馈电容Cs12两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第一全差分运算放大器A1的正向输出端通过电容与第二全差分运算放大器A2的反向输入端连接，第一全差分运算放大器A1的反向输出端通过电容与第二全差分运算放大器A2的正向输入端连接；
第二级包括第二全差分运算放大器A2、反馈电容Cs21、反馈电容Cs22和开关，所述第二全差分运算放大器A2的正向输入端与反向输出端之间并联反馈电容Cs21，反馈电容Cs21两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第二全差分运算放大器A2的反向输入端与正向输出端之间并联反馈电容Cs22，反馈电容Cs22两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第二全差分运算放大器A2的正向输出端通过电容与第三全差分运算放大器A3的反向输入端连接，第二全差分运算放大器A2的反向输出端通过电容与第三全差分运算放大器A3的正向输入端连接；
第三级包括第三全差分运算放大器A3、反馈电容Cs31、反馈电容Cs32和开关，所述第三全差分运算放大器A3的正向输入端与反向输出端之间并联反馈电容Cs31，反馈电容Cs31两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第三全差分运算放大器A2的反向输入端与正向输出端之间并联反馈电容Cs32，反馈电容Cs32两端均通过开关与共模电压Vcm连接；
第一级中的开关均由控制信号clk_r1控制，第二级中的开关均由控制信号clk_r2控制，第三级中的开关均由控制信号clk_r3控制；传感器差分电容CA和CB的公共端PM加载一个方波；重置阶段被分成四小步，由控制信号clk_r1,clk_r2,clk_r3控制实现，第一步将PM连接到VREFP，同时将反馈电容Cs11、Cs12、Cs21、Cs22、Cs31、Cs32各端全部重置到共模电压Vcm上；第二步第一级中的开关被全部关闭，第一级被释放；第三步第二级中的开关被全部关闭，第二级被释放；第四步第三级中的开关被关闭，第三级电路被释放，整个电路重置完成；放大阶段，将PM端的电压变为VREFN。
根据本发明的一实施方式，还包括输入共模反馈电路，所述输入共模反馈电路中设有一个输入共模反馈运算放大器，输入共模反馈运算放大器的第一输入端和第二输入端分别连接传感器差分电容CA和CB的非公共端，其第三输入端连接共模电压Vcm，其第一输入端与其输出端之间跨接反馈电容Cicmfb1，其第二输入端与其输出端之间跨接反馈电容Cicmfb1，其输出端还通过由控制信号clk_r1控制的开关连接共模反馈电压VICMFB。
电容式传感器接口电路将基于相关双采样的三级放大结构用于将传感器的差分电容信号读出，同时消除第一级以及第二级放大电路在采样阶段产生的kT/C热噪声，也抵消了第一级和第二级的闪烁噪声和失调误差。通过前两级的放大，第三级的kT/C噪声等效到输入变得很小。第一级中第一全差分运算放大器A1的热噪声会在clk_r3置零时被采样到第三全差分运算放大器A3的输入端，但是这可以通过限制第二级的带宽来有效抑制这部分噪声，从而大大改善了接口电路的输出噪声性能。由于该接口电路采用了全差分结构，对于电源噪声，外部干扰的敏感程度也大大降低。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
附图说明
图1为传统电容式传感器接口电路原理图；
图2为传统电容式传感器接口电路工作时序图；
图3为本发明电容式传感器接口电路一种实施方式的原理图；
图4为本发明电容式传感器接口电路工作时序图；
图5为本发明电容式传感器接口电路另一种实施方式的原理图。
具体实施方式
本发明电容式传感器接口电路，参见图3和图4，采用基于相关双采样的三级放大结构，将传感器的差分电容信号读出，其中： 
第一级包括第一全差分运算放大器A1、反馈电容Cs11、反馈电容Cs12和开关， 第一全差分运算放大器A1的两个输入端分别连接传感器差分电容CA和CB的非公共端，第一全差分运算放大器A1的正向输入端与反向输出端之间并联反馈电容Cs11，反馈电容Cs11两端均通过开关与共模电压Vcm连接，第一全差分运算放大器A1的反向输入端与正向输出端之间并联反馈电容Cs12，反馈电容Cs12两端均通过开关与共模电压Vcm连接，第一全差分运算放大器A1的正向输出端通过电容与第二全差分运算放大器A2的反向输入端连接，第一全差分运算放大器A1的反向输出端通过电容与第二全差分运算放大器A2的正向输入端连接；
第二级包括第二全差分运算放大器A2、反馈电容Cs21、反馈电容Cs22和开关，第二全差分运算放大器A2的正向输入端与反向输出端之间并联反馈电容Cs21，反馈电容Cs21两端均通过开关与共模电压Vcm连接，第二全差分运算放大器A2的反向输入端与正向输出端之间并联反馈电容Cs22，反馈电容Cs22两端均通过开关与共模电压Vcm连接，第二全差分运算放大器A2的正向输出端通过电容与第三全差分运算放大器A3的反向输入端连接，第二全差分运算放大器A2的反向输出端通过电容与第三全差分运算放大器A3的正向输入端连接；
第三级包括第三全差分运算放大器A3、反馈电容Cs31、反馈电容Cs32和开关，第三全差分运算放大器A3的正向输入端与反向输出端之间并联反馈电容Cs31，反馈电容Cs31两端均通过开关与共模电压Vcm连接，第三全差分运算放大器A2的反向输入端与正向输出端之间并联反馈电容Cs32，反馈电容Cs32两端均通过开关与共模电压Vcm连接；
第一级中的开关均由控制信号clk_r1控制，第二级中的开关均由控制信号clk_r2控制，第三级中的开关均由控制信号clk_r3控制；传感器差分电容CA和CB的公共端PM加载一个方波；重置阶段被分成四小步，由控制信号clk_r1,clk_r2,clk_r3控制实现，第一步将PM连接到VREFP，同时将反馈电容Cs11、Cs12、Cs21、Cs22、Cs31、Cs32各端全部重置到共模电压Vcm上；第二步第一级中的开关被全部关闭，第一级被释放，第一全差分运算放大器A1输入端的kT/C噪声以及运算放大器失调电压将体现在第一全差分运算放大器A1的输出端上；第三步第二级中的开关被全部关闭，第二级被释放，并将第二级引入的噪声及误差体现在第二全差分运算放大器A2的输出上；第四步第三级中的开关被关闭，第三级电路被释放，整个电路重置完成；放大阶段，将PM端的电压变为VREFN，CA和CB上的电荷由于电压变化进入电路并被逐级放大，从而得到反映CA和CB差值的电压输出信号。
本发明的一实施方式中，参见图5，还包括输入共模反馈电路，输入共模反馈电路中设有一个输入共模反馈运算放大器，输入共模反馈运算放大器的第一输入端和第二输入端分别连接传感器差分电容CA和CB的非公共端，其第三输入端连接共模电压Vcm，其第一输入端与其输出端之间跨接反馈电容Cicmfb1，其第二输入端与其输出端之间跨接反馈电容Cicmfb2，其输出端还通过由控制信号clk_r1控制的开关连接共模反馈电压VICMFB。在放大阶段，CA和CB注入的共模电荷被反馈电容Cicmfb1和Cicmfb2吸收，由于运算放大器的虚地特性，可以将第一全差分运算放大器A1的输入共模电压稳定在Vcm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.电容式传感器接口电路，其特征在于：所述电容式传感器接口电路采用基于相关双采样的三级放大结构，将传感器的差分电容信号读出，其中： 
第一级包括第一全差分运算放大器A1、反馈电容Cs11、反馈电容Cs12和开关， 所述第一全差分运算放大器A1的两个输入端分别连接传感器差分电容CA和CB的非公共端，所述第一全差分运算放大器A1的正向输入端与反向输出端之间并联反馈电容Cs11，反馈电容Cs11两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第一全差分运算放大器A1的反向输入端与正向输出端之间并联反馈电容Cs12，反馈电容Cs12两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第一全差分运算放大器A1的正向输出端通过电容与第二全差分运算放大器A2的反向输入端连接，第一全差分运算放大器A1的反向输出端通过电容与第二全差分运算放大器A2的正向输入端连接；
第二级包括第二全差分运算放大器A2、反馈电容Cs21、反馈电容Cs22和开关，所述第二全差分运算放大器A2的正向输入端与反向输出端之间并联反馈电容Cs21，反馈电容Cs21两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第二全差分运算放大器A2的反向输入端与正向输出端之间并联反馈电容Cs22，反馈电容Cs22两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第二全差分运算放大器A2的正向输出端通过电容与第三全差分运算放大器A3的反向输入端连接，第二全差分运算放大器A2的反向输出端通过电容与第三全差分运算放大器A3的正向输入端连接；
第三级包括第三全差分运算放大器A3、反馈电容Cs31、反馈电容Cs32和开关，所述第三全差分运算放大器A3的正向输入端与反向输出端之间并联反馈电容Cs31，反馈电容Cs31两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第三全差分运算放大器A2的反向输入端与正向输出端之间并联反馈电容Cs32，反馈电容Cs32两端均通过开关与共模电压Vcm连接；
第一级中的开关均由控制信号clk_r1控制，第二级中的开关均由控制信号clk_r2控制，第三级中的开关均由控制信号clk_r3控制；传感器差分电容CA和CB的公共端PM加载一个方波；重置阶段被分成四小步，由控制信号clk_r1,clk_r2,clk_r3控制实现，第一步将PM连接到VREFP，同时将反馈电容Cs11、Cs12、Cs21、Cs22、Cs31、Cs32各端全部重置到共模电压Vcm上；第二步第一级中的开关被全部关闭，第一级被释放；第三步第二级中的开关被全部关闭，第二级被释放；第四步第三级中的开关被全部关闭，第三级电路被释放，整个电路重置完成；放大阶段，将PM端的电压变为VREFN。
2.根据权利要求1所述的电容式传感器接口电路，其特征在于：还包括输入共模反馈电路，所述输入共模反馈电路中设有一个输入共模反馈运算放大器，输入共模反馈运算放大器的第一输入端和第二输入端分别连接传感器差分电容CA和CB的非公共端，其第三输入端连接共模电压Vcm，其第一输入端与输出端之间跨接反馈电容Cicmfb1，其第二输入端与输出端之间跨接反馈电容Cicmfb1，输出端还通过由控制信号clk_r1控制的开关连接共模反馈电压VICMFB。
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