CN104267216A - 具有高电磁干扰抑制的伪差分加速度计 - Google Patents

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Abstract

公开了一种抵抗EMI的伪差分加速度计，其包括具有连接至集成电路的传感器芯的装置，所述装置包括斩波器、差分放大器、以及虚拟芯。斩波器在不同状态期间交换输入端与输出端的连接。虚拟芯耦合至虚拟斩波器输入端。将传感器输出端耦合至传感器斩波器输入端、将第一斩波器输出端耦合至第一传感器输入端、以及将第二斩波器输出端耦合至第二传感器输入端的三条接合线可以连接传感器和集成电路。所述装置可以包括虚拟焊盘和将虚拟焊盘连接至虚拟斩波器输入端的虚拟接合线。这种配置需要连接传感器和集成电路的四条接合线。中和芯可以连接至传感器斩波器输入端。斩波器可以改变状态以在宽范围上消除噪声，或者使其远离感兴趣的频段。

Description

具有高电磁干扰抑制的伪差分加速度计
技术领域
本专利涉及电容换能器，并且更具体地涉及用于克服电容传感器中的电磁干扰的技术。
背景技术
在惯性传感器中，电磁扰动或者干扰(EMI)的出现主要是由于接合线与附近电缆、极板、电路等之间的电容耦合所造成的。图1示出了一种EMI的示例性方案。在图1中，微机电结构(MEMS)装置102通过多条接合线106耦合至专用集成电路(ASIC)104。位于接合线106附近的EMI源110在EMI源110和接合线106之间产生了电容耦合112。为了说明电容耦合112，图1中示出了电容器符号，但是这仅用于说明在电磁扰动源110与接合线106之间的寄生电容，而不存在实际的电气元件。相对于由电压源或者放大器驱动的节点，耦合电容节点的接合线对于EMI是最敏感的。
在具有高密度的电子器件的环境中，可能存在多个EMI源，并且这些EMI源可能是显著的。电磁扰动也可能基本以单频出现，其根据采样，可以折入到DC部件中。这些电磁扰动可能位于所期望的传感器信号上方，并消去所期望的信号。例如，如果所期望的信号以100kHz的时钟频率采样，并且扰动处于100kHz，则当以该时钟频率对扰动采样时，其可以基本表现为DC信号。因此，保护所期望的传感器信号，尤其是沿电容路径的传感器信号免受EMI是重要的。对于解决处于严酷环境中的安全重要应用，例如对于车辆中用于电子稳定性的传感器而言，EMI问题尤其重要。
EMI的两种常用解决方案是利用金属来屏蔽传感器以及利用差分方法。利用金属屏蔽传感器包括建造法拉第箱，以阻挡可能引起EMI的外部电场。然而，屏蔽体可能体积巨大，且价格昂贵，尤其是存在多个传感器需要被屏蔽时。
差分方法取得并联线上的信号之间的差，这基本能够减去作为共模信号的电磁扰动。图2示出了利用示例性差分传感器和放大器系统200的差分方法，该放大器系统200包括通过接合线260、262耦合至ASIC240的MEMS装置220。接合线260、262中的每个都会受到来自外部EMI源210的EMI。EMI源210与第一接合线260之间的电容耦合250产生第一扰动电容C1，而EMI源210与第二接合线262之间的电容耦合252产成第二扰动电容C2。如果EMI源210与接合线260、262之间的扰动电容C1和C2是相同的，则由于ASIC240的差分放大器对共模的抑制，从而也可以抑制电磁扰动。然而，为了获得期望的消除，EMI源210与接合线260、262之间的扰动电容C1和C2应该近似匹配，例如，差小于0.5％。实际上，难以获得这种匹配。即使最初获得了该匹配，例如车辆事故也可能使接合线扰乱或者弯曲。接合线的这种移动可能会造成接合线之间的不对称，这可能会在扰动电容中造成不希望的错配，并降低差分方法的效果。因此，可以采用其它技术来去除在宽频率范围上的EMI能量。
加速度计通常被应用于严重振动的环境中，例如车辆或工业环境中。在这些环境中，期望加速度计具有良好的线性、低偏移性能以及大的全刻度范围。自平衡加速度计通常被选择用于这些应用。在自平衡加速度计中，电容C与1/d成比例，其中d是电容板之间的距离；而所测量的输出电压V0与(C1-C2)/(C1+C2)成比例。组合这两种关系，得到：
Vo ∝ C 1 + C 2 C 1 + C 2 = 1 / d 1 - 1 / d 2 1 / d 1 + 1 / d 2 = d 2 - d 1 d 2 + d 1 = x d 0 - - - ( 1 )
其中，x是位移值，d0是零位移值，d1＝d0-x是电容器C1的极板之间的距离，且d2＝d0+x是电容器C2的极板之间的距离。等式(1)示出了在理想情况下，自平衡加速度计的输出电压V0是位移x的线性函数。不幸的是，在实际应用中，存在一些在等式(1)中未考虑的非线性源。
虽然存在多种建立自平衡加速度计的方法，以获得与质量块的位移成比例的读数，进而获得高线性加速度计，然而希望具有这样的拓扑结构：即，在施加传感器激励电压时，残余力为零。在自平衡加速度计中具有两个主要的非线性源：馈通电容(feed-through capacitance)，以及两个传感器芯之间的错配。主要源为馈通电容，并且其在单端(仅采用一个芯)和差分(采用两个芯)拓扑中均存在。馈通电容(Cft)是质量块与传感电极之间的任意固定电容。馈通电容Cft随着传感器元件的寄生现象以及接合线之间的电容而增大。
为了实现对EMI的鲁棒性以及假性振动，典型地，全差分加速度计被用于车辆应用中。如下面参照图3所述的，用于降低第一阶EMI的全差分自平衡加速度计典型地具有两个电容芯。然而，MEMS装置上通过接合线与集成电路耦合的两个电容芯需要大量的接合焊盘和接合线，这样仅用于连接就需要相对较大的面积。为了减小连接所需的面积，期望减少接合焊盘和接合线的数量。
期望利用减少接线来减少连接所需的面积，以获得一种鲁棒技术，来用于降低电磁干扰，并也克服屏蔽和差分电路的一些缺点。还期望能降低或消除由于馈通电容而带来的非线性。
发明内容
披露了一种抵抗电磁干扰的伪差分加速度计。伪差分加速度计包括通过接合线连接至集成电路的微机电装置。微机电装置包括具有第一传感器芯输入端、第二传感器芯输入端以及传感器芯输出端的电容传感器芯。集成电路包括斩波器系统、差分放大器、虚拟芯、以及参考电压。差分放大器具有反相输入端、非反相输入端，并产生放大器输出电压。斩波器系统具有多个斩波器输入端和多个斩波器输出端，其中在斩波状态0期间，斩波器系统将多个斩波器输入端中的第一组连接至多个斩波器输出端中的第一组，并且在斩波状态1期间，斩波器系统将多个斩波器输入端中的第二组连接至多个斩波器输出端中的第二组。虚拟芯耦合至斩波器系统的虚拟芯斩波器输入端。传感器芯接合线将电容传感器芯的传感器芯输出端耦合至斩波器系统的传感器芯斩波器输入端。第一反馈接合线将第一反馈信号耦合至电容传感器芯的第一传感器芯输入端，并且第一反馈接合线耦合至第一斩波器反馈输出端。第二反馈接合线将第二反馈信号耦合至电容传感器芯的第二传感器芯输入端，并且第二反馈接合线耦合至第二斩波器反馈输出端。当斩波器系统处于斩波状态0时，斩波器系统将传感器芯斩波器输入端连接至差分放大器的反相输入端，将虚拟芯斩波器输入端连接至差分放大器的非反相输入端，将第一斩波器反馈输出端连接至放大器输出电压与参考电压的差，并将第二斩波器反馈输出端连接至放大器输出电压与参考电压的和。当斩波器系统处于斩波状态1时，斩波器系统将传感器芯的斩波器输入端连接至差分放大器的非反相输入端，将虚拟芯的斩波器输入端连接至差分放大器的反相输入端，将第一斩波器的反馈输出端连接至放大器输出电压与参考电压的差的逆，并将第二斩波器反馈输出连接至放大器输出电压与参考电压的和的逆。放大器输出电压和参考电压的差的逆与放大器输出电压和参考电压的差大小相同，而极性相反，并且放大器输出电压和参考电压的和的逆与放大器输出电压和参考电压的和大小相同，而极性相反。
斩波器系统可以以将噪声从感兴趣的频段去除的频率在斩波状态0和斩波状态1之间变化。可选地，斩波器系统可以以在宽频范围上基本均匀地去除噪声的频率在斩波状态0和斩波状态1之间变化。
虚拟芯包括第一虚拟芯输入端、第二虚拟芯输入端以及虚拟芯输出端，其中虚拟芯输出端耦合于斩波器系统的虚拟芯斩波器输入端。当斩波器系统处于斩波状态0时，斩波器系统将参考电压连接至第一虚拟芯输入端，并将反相参考电压连接至第二虚拟芯输入端。当斩波器系统处于斩波状态1时，斩波器系统将反相参考电压连接至第一虚拟芯输入端，并将参考电压连接至第二虚拟芯输入端。反相参考电压与参考电压大小相同，而极性相反。虚拟芯可包括具有第一虚拟电容器输入端和第一虚拟电容器输出端的第一虚拟电容器、以及具有第二虚拟电容器输入端和第二虚拟电容器输出端的第二虚拟电容器，其中第一虚拟电容器输入端是第一虚拟芯输入端，第二虚拟电容器输入端是第二虚拟芯输入端，并且公共节点接收第一和第二虚拟电容器输出，并且作为虚拟芯输出端。虚拟芯还包括将虚拟芯输出端连接至地的虚拟寄生电容器。在这种配置中，伪差分加速度计仅需要传感器芯接合线以及第一和第二反馈接合线，以将微机电装置的电容传感器芯充分地连接至集成电路。
微机电装置还可以包括虚拟焊盘和将虚拟焊盘连接至虚拟芯斩波器输入端的虚拟接合线。在这种配置中，伪差分加速度计仅需要传感器芯接合线、虚拟接合线、以及第一和第二反馈接合线，以将微机电装置的电容传感器芯充分地连接至集成电路。
伪差分加速度计还可以包括连接至斩波器系统的传感器芯斩波器输入端的中和(neutralization)芯。中和芯是一组电容器，其用来抵消由于与MEMS元件并联的有害的寄生电容而造成的注入到放大器端子中的电荷。电荷的抵消是通过利用与用于激励传感器的电压极性相反的电压来完成的。中和芯可包括第一中和芯输入端、第二中和芯输入端以及中和芯输出端，其中中和芯输出端耦合于斩波器系统的传感器芯斩波器输入端。当斩波器系统处于斩波状态0时，斩波器系统将第一中和芯输入端连接至放大器输出电压与参考电压的差的逆，并将第二中和芯输入端连接至放大器输出电压与参考电压的和的逆。当斩波器系统处于斩波状态1时，斩波器系统将第一中和芯输入端连接至放大器输出电压与参考电压的差，并将第二中和芯输入端连接至放大器输出电压和参考电压的和。中和芯可以包括具有第一中和电容器输入端和第一中和电容器输出端的第一中和电容器，以及具有第二中和电容器输入端和第二中和电容器输出端的第二中和电容器，其中第一中和电容器输入端是第一中和芯输入端，第二中和电容器输入端是第二中和芯输入端，并且接收第一和第二中和电容器输出的公共节点是中和芯输出端。中和芯还可以包括将中和芯输出端接地的中和寄生电容器。
附图说明
通过参考结合附图对本发明实施例所做出的以下描述，本发明的上述以及其他特征和目的及其实现方式将会变得明显，并且本发明本身将会被更好地理解，其中：
图1示出由于接合线和附近电缆、极板、电路等之间的电容耦合而造成的电磁扰动或电磁干扰(EMI)；
图2示出克服电磁扰动的差分方法；
图3示出示例性单轴全对称差分加速度计，该单轴全对称差分加速度计包括通过六条接合线耦合至ASIC的MEMS装置；
图4示出用于三轴(X、Y、Z)全差分加速度计的MEMS装置和ASIC之间的接合线连接；
图5示出示例性单轴伪差分加速度计，该单轴伪差分加速度计包括通过四条接合线耦合至ASIC的MEMS装置，其中ASIC包括虚拟传感器芯；
图6示出用于三轴(X、Y、Z)伪差分加速度计的MEMS装置和ASIC之间的接合线连接；
图7A示出在示例性斩波状态0期间图5中的示例性伪差分加速度计的斩波器系统所构成的连接；
图7B示出在示例性斩波状态1期间图5中的示例性伪差分加速度计的斩波器系统所构成的连接；
图8示出可如何使用斩波图案通过在宽频范围上去除电磁扰动而降低电磁扰动；
图9示出如何利用成形的斩波图案以去除由于两个斩波状态中的偏移差而造成的误差而远离作为成形噪声的DC；
图10示出在成形的斩波图案和未成形的随机图案之间潜在的权衡；
图11A示出在示例性斩波状态0期间图5中的具有中和芯的示例性伪差分加速度计的斩波器系统所构成的连接；以及
图11B示出在示例性斩波状态1期间图5中的具有中和芯的示例性伪差分加速度计的斩波器系统所构成的连接。
在所有的多幅视图中，对应的附图标记表示对应的部件。虽然本文中阐述的示例以数种方式说明了本发明的实施例，但是下面披露的实施例并不旨在排它的或被理解为将本发明的范围限制于所披露的具体形式。
具体实施方式
图3示出示例性的全对称差分加速度计300，其包括通过六条接合线321-326耦合至ASIC340的MEMS装置310。MEMS装置310包括两个电容芯CA和CB。每个电容芯CA和CB包括两个具有输入侧和输出侧的可变电容器，两个可变电容器的输入侧形成电容芯的两个输入端，并且两个可变电容器的输出侧耦合至形成电容芯的单输出的公共节点。
ASIC340包括差分放大器342、第一斩波器系统344和第二斩波器系统346。差分放大器342具有反相输入端和非反相输入端、以及一个或多个输出端。第一斩波器系统344的输入端耦合至接合线321、322，该接合线321、322耦合至两个电容芯CA和CB的输出端，并且第一斩波器系统344的输出端耦合至差分放大器342的反相和非反相输入端。第二斩波器系统346的输入端耦合ASIC反馈信号，并且第二斩波器系统346的输出端耦合至接合线323-326，该接合线323-326耦合至两个电容芯CA和CB的输入端。如图3的示例性实施例所示，ASIC反馈信号可以是差分放大器342的输出VO与参考电压VS的组合。
第一斩波器系统344反复交换其输入端和输出端上的连接，使得在一段时间期间，接合线321上的信号耦合至差分放大器342的反相输入端，接合线322上的信号耦合至差分放大器342的非反相输入端，并在下一段时间期间，接合线321上的信号耦合至差分放大器342的非反相输入端，而接合线322上的信号耦合至差分放大器342的反相输入端。第二斩波器系统346反复交换其输入端和输出端上的连接，使得在一段时间期间，具有反相的放大器输出VS-VO和-VS-VO的反馈信号耦合至接合线323和324，该接合线323和324耦合至电容芯CB的输入端，而具有非反相的放大器输出-VS+VO和VS+VO的反馈信号耦合至接合线325和326，该接合线325和326耦合至电容芯CA的输入端；并在下一段时间期间，具有非反相放大器输出-VS+VO和VS+VO的反馈信号耦合至接合线323和324，该接合线323和324耦合至电容芯CB的输入端，并且具有反相的放大器输出VS-VO和-VS-VO的反馈信号耦合至接合线325和326，该接合线325和326耦合至电容芯CA的输入端。斩波器系统344和346可以根据图案来交换接合线信号，从而消除来自外部源的电磁干扰，并在传感器电容器的芯CA和CB上的两端保持基本为零的平均电压。
如示例性实施例300的全对称差分加速度计通过共模抑制可以显著地减少电磁干扰，但仍然可能存在一些残余干扰能量。利用斩波器系统344、346的随机斩波方案可以用来将对频率的任何残余干扰能量推到系统的感兴趣的频率之外。全对称差分加速度计300的每个加速度计还需要两个传感器芯。两个传感器芯提供两倍的信号(从而信噪比也是两倍)，但是同时也需要许多接合焊盘和接合线。图4示出用于三轴(X，Y，Z)全差分加速度计的在MEMS装置410和ASIC440之间的接合线连接。所示的三轴全差分加速度计需要二十(20)个接合焊盘，其显著增加了所需芯片的尺寸。
如图5所示，通过采用虚拟接合焊盘代替电容芯之一，可以减少差分加速度计所需的接合焊盘的数量。图5示出示例性伪差分加速度计500，其包括通过四条接合线521-524耦合至ASIC540的MEMS装置510。MEMS装置510包括单个电容芯CA和虚拟接合焊盘512，该虚拟接合焊盘512未耦合至MEMS装置510上的电容芯或有源信号产生器。
ASIC540包括差分放大器542、第一斩波器系统544、第二斩波器系统546、第三斩波器系统548、以及虚拟ASIC传感器550。虚拟ASIC传感器550包括用于模拟MEMS传感器的电容器552、554、以及用于模拟MEMS传感器上的寄生电容的电容器556。差分放大器542具有反相和非反相输入端、以及一个或多个输出端。第一斩波器系统544具有虚拟芯输入端543和MEMS芯输入端545。MEMS芯输入端545耦合至接合线521，该接合线521耦合至MEMS装置510的电容芯CA的输出端。虚拟芯输入端543耦合至接合线522，该接合线522耦合至MEMS装置510的虚拟接合焊盘512。虚拟芯输入端543还耦合至虚拟ASIC传感器550的输出端。第一斩波器系统544的输出端耦合至差分放大器542的反相和非反相输入端。第二斩波器系统546的输入端耦合至ASIC反馈信号，并且第二斩波器系统546的输出端耦合至接合线523、524，该接合线523、524耦合至电容芯CA的输入端。第三斩波器系统548的输入端耦合至非反相参考电压VS和反相参考电压-VS，这两个参考电压的大小基本相同，而极性相反。第三斩波器系统548的输出端耦合至虚拟ASIC传感器550的输入端。如图5的示例性实施例所示，ASIC反馈信号可以是差分放大器542的输出电压VO与参考电压VS的组合。
在图5的实施例中，连接MEMS装置510和ASIC540的芯及虚拟接合线521和522均与第一斩波器系统544的输入端543、545相耦合。虚拟接合线522暴露于与芯接合线521相似的电磁干扰，并且虚拟接合线522上的信号被用来帮助抑制芯接合线521上的EMI。第一斩波器系统544的虚拟输入端543还与没加束缚地模拟MEMS装置510上的传感器芯的虚拟ASIC芯550的输出端相连接。第一斩波器系统544交换在虚拟芯输入端543和MEMS芯输入端545上的信号之间的连接，并将其输出信号输出至差分放大器542输入端。在一段时间期间，第一斩波器系统544将在MEMS芯输入端545上的信号连接至放大器542的反相输入端，并将在虚拟芯输入端543上信号连接至放大器542的非反相输入端，并随后在下一段时间期间，第一斩波器系统544交换连接，以将在MEMS芯输入端545上的信号连接至放大器542的非反相输入端，并将虚拟芯输入543上的信号连接至放大器542的反相输入端。
第二斩波器系统546将在反馈接合线523、524上所反馈的ASIC反馈信号切换到电容芯CA的输入端。反馈信号可以是差分放大器542的输出电压VO与参考电压VS的组合。在图5的实施例中，在一段时间期间，第二斩波器系统546将具有反相的放大器输出VS-VO和-VS-VO的反馈信号连接至反馈接合线523、524，并随后在下一段时间期间，第二斩波器系统546交换连接，以将具有非反相的放大器输出-VS+VO和VS+VO的反馈信号连接至反馈接合线523、524。
第三斩波器系统548将反馈的虚拟反馈信号切换到虚拟ASIC传感器550的输入端。在图5的实施例中，在一段时间期间，第三斩波器系统548将非反相参考电压VS连接至虚拟传感器电容器552，将反相参考电压-VS连接至虚拟传感器电容器554，并随后在下一段时间期间，第三斩波器系统548交换连接，以将反相参考电压-VS连接至虚拟传感器电容器552，并将非反相参考电压VS连接至虚拟传感器电容器554。
利用ASIC540上的虚拟ASIC电容器550代替MEMS装置510上的电容芯能够显著减少所需接合焊盘的数量。图6示出用于三轴(X、Y、Z)伪差分加速度计的MEMS装置610和ASIC640之间的接合线连接。所示的三轴伪差分加速度计需要十四(14)个接合焊盘，其比图4所示的全差分加速度计所需的接合焊盘的数量少30％。如果对电磁抑制的需求没有限制，则可以去掉虚拟焊盘512和虚拟接合线522，从而将三轴(X、Y、Z)伪差分加速度计所需的接合焊盘的数量减至11个。
斩波器系统544、546、548可以根据固定和随机图案来交换信号，从而显著地降低来自外部源的电磁干扰，并且在传感器电容器两端保持基本为0的平均电压。斩波器系统544、546、548可以基于特定形状的伪随机图案在两个状态之间进行切换。图7A和7B示出用于示例性伪差分加速度计500的示例性斩波状态。
图7A示出示例性伪差分加速度计500的斩波器系统544、546、548在示例性斩波状态0期间所构成的连接。在斩波状态0时，第一斩波器系统544将来自芯接合线521上的MEMS电容芯CA的信号连接至放大器542的反相输入端，并将来自虚拟ASIC芯550与来自虚拟接合线522上的虚拟焊盘512的组合信号连接至放大器542的非反相输入端。在斩波状态0时，第二斩波器系统546将具有反相放大器输出VS-VO和-VS-VO的反馈信号连接至反馈接合线523、524，从而反馈至MEMS的电容芯CA。在斩波状态0时，第三斩波器系统548将非反相参考电压VS连接至虚拟传感器电容器552，并将反相参考电压-VS连接至虚拟传感器电容器554。
图7B示出示例性伪差分加速度计500的斩波器系统544、546、548在示例性斩波状态1期间所构成的连接。在斩波状态1时，第一斩波器系统544将来自芯接合线521上的MEMS电容芯CA的信号连接至放大器542的非反相输入端，并将来自虚拟ASIC芯550与来自虚拟接合线522上的虚拟焊盘512的组合信号连接至放大器542的反相输入端。在斩波状态1时，第二斩波器系统546将具有非反相放大器输出-VS+VO和VS+VO的反馈信号连接至反馈接合线523、524，从而反馈至MEMS的电容芯CA。在斩波状态1时，第三斩波器系统548将反相参考电压-VS连接至虚拟传感器电容器552，并将非反相参考电压VS连接至虚拟传感器电容器554。
在示例性斩波方法中，系统可以基于特定形状的伪随机图案在斩波状态0(图7A)和斩波状态1(图7B)之间进行交替。用于激励传感器芯CA和虚拟传感器550的电压在两个斩波阶段中具有相反极性。通过将传感器芯CA在差分放大器542的反相输入端和非反相输入端之间移动，来获得伪差分效应。
随机斩波图案被用来在宽频范围上去除电磁扰动。图8示出在宽频范围上去除电磁扰动。在图8中，上部的图是时域图，而下部的图是频域图。图8A1示出对于时域中的斩波信号的随机图案，而图8A2示出在频域中在宽范围上传播的随机斩波信号。随机斩波图案的能量在整个频率上的分布基本相等。图8B1示出在时域中的示例性正弦电磁分布(ΔVemc)，而图8B2示出在频域中的示例性电磁分布。示例性的电磁分布的能量集中在单频上。图8C1示出在时域中随机斩波信号与示例性电磁扰动相组合的结果，而图8C2示出在频域中组合两个信号的结果。所产生的扰动信号的能量在宽频范围上被基本相等地去除。
这种技术在解决电磁扰动方法取得了重大改善。如图8所示，可以将单频处的大量电磁扰动分布在宽频范围上。例如，通过采用1MHz的时钟频率和所期望的50Hz带宽，这种技术在电磁鲁棒性上可以提高10log(1MHz/(50Hz*2))＝40dB，这是非常有益的。
可以对斩波图案的形状进行选择，以在EMI鲁棒性和对于MEMS非理想性的耐受性之间达到合适的妥协。在一些情况下，如图8A1和8A2中所示的那种平谱斩波序列可能不是最好的选择。例如，如果由于传感器的非理想性(例如寄生电容)而导致斩波信号的低相位和高相位上的偏移不同，则最好采用成形的斩波序列。平的随机斩波将偏移差作为白噪声进行消除，该白噪声将一些噪声置于DC附近并提高了本底噪声。可以采用成形的斩波序列来消除远离特定频段的噪声。例如，如果感兴趣的频段位于DC或是低频，可以采用成形的斩波序列，其将该噪声消除至较高的频率。
图9示出如何利用成形的斩波图案以去除由于两个斩波状态中的偏移差而造成的误差而远离作为成形噪声的DC。图9A示出频域中的斩波图案。该斩波图案基本上没有DC或低频成分，并在较高频率开始上升。图9B示出由于斩波状态之间的偏移差而导致的示例性DC误差。图9C示出将图9A中的成形的斩波图案与由于图9B中的偏移差而引起的示例性DC误差进行组合而得到的频域结果。由于偏移差而导致的输出误差被成形为远离DC和低频、感兴趣的频段的噪声，并被移至较高的频率中。
然而，采用成形的图案可能在某些EMI频率上带来略多的EMI引起的扰动。图10示出成形的斩波图案和未成形的随机图案之间潜在的权衡。图10示出未成形的随机斩波图案1002和示例性成形的斩波图案1004的频谱。如果混叠(aliased)EMI频率低于频率fa，例如为频率femi1，则成形的图案1004叠加在DC上的噪声将比未成形图案1002的少。然而，如果混叠EMI频率大于频率fa，例如为频率femi2，则未成形图案1002叠加在DC上的噪声将比成形图案1004的少。可以利用系统层面考虑来决定所期望的斩波图案。
馈通电容(feedthrough capacitance)可能是加速度计中非线性的主要源。馈通电容可能造成振动引起的失调漂移。可以在ASIC上实现中和芯，例如图5所示的示例性伪差分加速度计500的ASIC540。图11A和11B示出在斩波状态0和1期间中和芯800的示例性实施方式。中和芯800包括虚拟传感器电容器802、804以及虚拟寄生电容器806。中和芯800优选为实现在ASIC540上，并如图11A和11B所示，接收来自第二斩波器系统546的输出，该输出未置在接合线523、524上，而发送给传感器芯CA。因此，中和芯800接收与传感器和CA相反的电压。
图11A示出具有中和芯800的示例性伪差分加速度计500的斩波器系统544、546、548在示例性斩波状态0期间所构成的连接。在斩波状态0时，第一斩波器系统544将来自芯接合线521上MEMS电容芯CA与来自中和芯800的组合信号连接至放大器542的反相输入端，并将来自虚拟ASIC芯550与来自虚拟接合线522上的虚拟焊盘512的组合信号连接至放大器542的非反相输入端。在斩波状态0时，第二斩波器系统546将具有反相放大器输出VS-VO和-VS-VO的反馈信号连接至反馈接合线523、524，以被反馈至MEMS电容芯CA。在斩波状态0时，第二斩波器系统546还将具有非反相放大器输出-VS+VO和VS+VO的反馈信号连接至中和芯800的传感器电容器802、804。在斩波状态0时，第三斩波器系统548将非反相参考电压VS连接至虚拟传感器电容器552，并将反相参考电压-VS连接至虚拟传感器电容器554。
图11B示出具有中和芯800的示例性伪差分加速度计500的斩波器系统544、546、548在示例性斩波状态1期间所构成的连接。在斩波状态1时，第一斩波器系统544将来自芯接合线521上的MEMS电容芯CA与来自中和芯800的组合信号连接至放大器542的非反相输入端，并将来自虚拟ASIC芯550与来自虚拟接合线522上的虚拟焊盘512的组合信号连接至放大器542的反相输入端。在斩波状态1时，第二斩波器系统546将具有非反相放大器输出-VS+VO和VS+VO的反馈信号连接至反馈接合线523、524，以被反馈至MEMS电容芯CA。在斩波状态1时，第二斩波器系统546还将具有反相放大器输出VS-VO和-VS-VO的反馈信号连接至中和芯800的传感器电容器802、804。在斩波状态1时，第三斩波器系统548将反相参考电压-VS连接至虚拟传感器电容器552，并将非反相参考电压VS连接至虚拟传感器电容器554。
虽然本发明已描述为具有示例性设计，然而本发明可以在本公开的精神和范围内进行进一步修改。因此，本申请旨在覆盖利用其通常原理对本发明执行的任意变形、使用或适应性改变。

Claims (20)

1.一种用于抵抗电磁干扰的伪差分加速度计，所述伪差分加速度计包括：
微机电装置，其包括具有第一传感器芯输入端、第二传感器芯输入端和传感器芯输出端的电容传感器芯；
集成电路，其包括斩波器系统、差分放大器、虚拟芯、以及参考电压，所述集成电路通过接合线耦合至所述微机电装置；
所述差分放大器包括反相输入端、非反相输入端，并产生放大器输出电压；
所述斩波器系统具有多个斩波器输入端和多个斩波器输出端，其中在斩波状态0期间，所述斩波器系统将所述多个斩波器输入端中的第一组连接至所述多个斩波器输出端中的第一组；并且在斩波状态1期间，所述斩波器系统将所述多个斩波器输入端中的第二组连接至所述多个斩波器输出端中的第二组；
所述虚拟芯耦合至所述斩波器系统的虚拟芯斩波器输入端；
传感器芯接合线，其将所述电容传感器芯的所述传感器芯输出端耦合至所述斩波器系统的传感器芯斩波器输入端；
第一反馈接合线，其将第一反馈信号耦合至所述电容传感器芯的第一传感器芯输入端，所述第一反馈接合线耦合至第一斩波器反馈输出端；以及
第二反馈接合线，其将第二反馈信号耦合至所述电容传感器芯的所述第二传感器芯输入端，所述第二反馈接合线耦合至第二斩波器反馈输出端；
其中，当所述斩波器系统处于所述斩波状态0时，所述斩波器系统将所述传感器芯斩波器输入端连接至所述差分放大器的反相输入端，将所述虚拟芯斩波器输入端连接至所述差分放大器的非反相输入端，将所述第一斩波器反馈输出端连接至所述放大器输出电压与所述参考电压的差，将所述第二斩波器反馈输出端连接至所述放大器输出电压与所述参考电压的和；并且
当所述斩波器系统处于所述斩波状态1时，所述斩波器系统将所述传感器芯斩波器输入端连接至所述差分放大器的非反相输入端，将所述虚拟芯斩波器输入端连接至所述差分放大器的反相输入端，将所述第一斩波器反馈输出端连接至所述放大器输出电压与所述参考电压的所述差的逆，将所述第二斩波器反馈输出端连接至所述放大器输出电压与所述参考电压的所述和的逆，所述放大器输出电压和所述参考电压的所述差的逆与所述放大器输出电压和所述参考电压的所述差的大小相同，而极性相反；并且所述放大器输出电压和所述参考电压的所述和的逆与所述放大器输出电压和所述参考电压的所述和的大小相同，而极性相反。
2.如权利要求1所述的伪差分加速度计，其中所述虚拟芯包括第一虚拟芯输入端、第二虚拟芯输入端和虚拟芯输出端，所述虚拟芯输出端耦合至所述斩波器系统的所述虚拟芯斩波器输入端；
其中当所述斩波器系统处于所述斩波状态0时，所述斩波器系统将所述参考电压连接至所述第一虚拟芯输入端，并将反相参考电压连接至所述第二虚拟芯输入端，所述反相参考电压与所述参考电压的大小相同，而极性相反，并且
当所述斩波器系统处于所述斩波状态1时，所述斩波器系统将所述反相参考电压连接至所述第一虚拟芯输入端，并将所述参考电压连接至所述第二虚拟芯输入端。
3.如权利要求2所述的伪差分加速度计，其中所述虚拟芯包括：具有第一虚拟电容器输入端和第一虚拟电容器输出端的第一虚拟电容器、以及具有第二虚拟电容器输入端和第二虚拟电容器输出端的第二虚拟电容器，所述第一虚拟电容器输入端是所述第一虚拟芯输入端，所述第二虚拟电容器输入端是所述第二虚拟芯输入端，并且公共节点作为所述虚拟芯输出端接收所述第一虚拟电容器输出端和所述第二虚拟电容器输出端。
4.如权利要求2所述的电容传感器系统，其中所述斩波器系统以将噪声从感兴趣的频段去除的频率在所述斩波状态0和所述斩波状态1之间变化。
5.如权利要求2所述的电容传感器系统，其中所述斩波器系统以在宽频范围上基本均匀地去除噪声的频率在所述斩波状态0和所述斩波状态1之间变化。
6.如权利要求2所述的伪差分加速度计，其中只需要所述传感器芯接合线和所述第一反馈接合线以及所述第二反馈接合线来将所述微机电装置的所述电容传感器芯充分地连接至所述集成电路。
7.如权利要求1所述的伪差分加速度计，进一步包括虚拟接合线，并且其中所述微机电装置进一步包括虚拟焊盘，所述虚拟接合线将所述虚拟焊盘连接至所述虚拟芯斩波器输入端。
8.如权利要求7所述的伪差分加速度计，其中所述虚拟芯包括第一虚拟芯输入端、第二虚拟芯输入端和虚拟芯输出端，所述虚拟芯输出端耦合至所述斩波器系统的所述虚拟芯斩波器输入端；
其中当所述斩波器系统处于所述斩波状态0时，所述斩波器系统将所述参考电压连接至所述第一虚拟芯输入端，并将反相参考电压连接至所述第二虚拟芯输入端，所述反相参考电压与所述参考电压的大小相同，而极性相反，并且
当所述斩波器系统处于所述斩波状态1时，所述斩波器系统将所述反相参考电压连接至所述第一虚拟芯输入端，并将所述参考电压连接至所述第二虚拟芯输入端。
9.如权利要求8所述的伪差分加速度计，其中所述虚拟芯包括：具有第一虚拟电容器输入端和第一虚拟电容器输出端的第一虚拟电容器、以及具有第二虚拟电容器输入端和第二虚拟电容器输出端的第二虚拟电容器，所述第一虚拟电容器输入端是所述第一虚拟芯输入端，所述第二虚拟电容器输入端是所述第二虚拟芯输入端，并且公共节点作为所述虚拟芯输出端接收所述第一虚拟电容器输出端和所述第二虚拟电容器输出端。
10.如权利要求8所述的电容传感器系统，其中所述斩波器系统以将噪声从感兴趣的频段去除的频率在所述斩波状态0和所述斩波状态1之间变化。
11.如权利要求8所述的电容传感器系统，其中所述斩波器系统以在宽频范围上基本均匀地去除噪声的频率在所述斩波状态0和所述斩波状态1之间变化。
12.如权利要求8所述的伪差分加速度计，其中只需要所述传感器芯接合线、所述虚拟接合线和所述第一反馈接合线及所述第二反馈接合线来将所述微机电装置的所述电容传感器芯充分地连接至所述集成电路。
13.如权利要求8所述的伪差分加速度计，进一步包括连接至所述斩波器系统的所述传感器芯斩波器输入端的中和芯。
14.如权利要求13所述的伪差分加速度计，其中所述中和芯包括第一中和芯输入端、第二中和芯输入端以及中和芯输出端，所述中和芯输出端耦合至所述斩波器系统的所述传感器芯斩波器输入端；
其中，当所述斩波器系统处于所述斩波状态0时，所述斩波器系统将所述第一中和芯输入端连接至所述放大器输出电压与所述参考电压的所述差的逆，并将所述第二中和芯输入端连接至所述放大器输出电压与所述参考电压的所述和的逆，并且
当所述斩波器系统处于所述斩波状态1时，所述斩波器系统将所述第一中和芯输入端连接至所述放大器输出电压与所述参考电压的差，并将所述第二中和芯输入端连接至所述放大器输出电压与所述参考电压的和。
15.如权利要求14所述的伪差分加速度计，其中所述中和芯包括：具有第一中和电容器输入端和第一中和电容器输出端的第一中和电容器、以及具有第二中和电容器输入端和第二中和电容器输出端的第二中和电容器，所述第一中和电容器输入端是所述第一中和芯输入端，所述第二中和电容器输入端是所述第二中和芯输入端，并且公共节点作为所述中和芯输出端接收所述第一中和电容器输出端和所述第二中和电容器输出端。
16.如权利要求14所述的伪差分加速度计，其中只需要所述传感器芯接合线、所述虚拟接合线、以及所述第一反馈接合线和所述第二反馈接合线来将所述微机电装置的所述电容传感器芯充分地连接至所述集成电路。
17.如权利要求2所述的伪差分加速度计，进一步包括连接至所述斩波器系统的所述传感器芯斩波器输入端的中和芯。
18.如权利要求17所述的伪差分加速度计，其中所述中和芯包括第一中和芯输入端、第二中和芯输入端、以及中和芯输出端，所述中和芯输出端耦合至所述斩波器系统的所述传感器芯斩波器输入端；
其中当所述斩波器系统处于所述斩波状态0时，所述斩波器系统将所述第一中和芯输入端连接至所述放大器输出电压与所述参考电压的所述差的逆，将所述第二中和芯输入端连接至所述放大器输出电压与所述参考电压的所述和的逆；并且
当所述斩波器系统处于所述斩波状态1时，所述斩波器系统将所述第一中和芯输入端连接至所述放大器输出电压与所述参考电压的差，将所述第二中和芯输入端连接至所述放大器输出电压与所述参考电压的和。
19.如权利要求18所述的伪差分加速度计，其中所述中和芯包括：具有第一中和电容器输入端和第一中和电容器输出端的第一中和电容器、以及具有第二中和电容器输入端和第二中和电容器输出端的第二中和电容器，所述第一中和电容器输入端是所述第一中和芯输入端，所述第二中和电容器输入端是所述第二中和芯输入端，并且公共节点作为所述中和芯输出端接收所述第一中和电容器输出端和所述第二中和电容器输出端。
20.如权利要求18所述的伪差分加速度计，其中只需要所述传感器芯接合线以及所述第一反馈接合线和所述第二反馈接合线来将所述微机电装置的所述电容传感器芯充分地连接至所述集成电路。
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