CN105043435A - 用于高电压桥偏置生成和低电压读出电路的系统和方法 - Google Patents

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CN105043435A CN201510212897.9A CN201510212897A CN105043435A CN 105043435 A CN105043435 A CN 105043435A CN 201510212897 A CN201510212897 A CN 201510212897A CN 105043435 A CN105043435 A CN 105043435A
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Abstract

本公开涉及用于高电压桥偏置生成和低电压读出电路的系统和方法。提供一种包括一个或多个充电泵、传感器桥以及读出电路的多电压传感器系统。所述一个或多个充电泵被配置为提供高电压。所述传感器桥由所述高电压进行偏置并且被配置为提供传感器值。所述读出电路仅包括低电压组件。所述读出电路被配置为接收传感器值。

Description

用于高电压桥偏置生成和低电压读出电路的系统和方法
技术领域
本公开涉及传感器领域，更具体地涉及用于高电压桥偏置生成和低电压读出电路的系统和方法。
背景技术
经常使用在汽车系统中的一类传感器是压力传感器。这种传感器包括可偏转组件并且基于偏转生成输出。输出的信号指示偏转的量并且通过测量组件对输出的信号进行测量。
典型地，传感器在汽车板网电压(7V…18V)进行操作或通过调节器由ECU提供稳定的电源(例如，4.5V…5.5V)。为了允许膜片由于静电力而相应地偏转，经常需要在高于电源或其最低值的较高电压(例如10V…16V)上操作传感器。然而，在高电压上进行操作对于测量组件的电路来说消耗大量的功率、增加组件的成本并且降低操作速度。
发明内容
本公开的目的就在于克服上述现有技术中的缺陷。
根据本公开的一个方面，提供一种多电压传感器系统，包括：一个或多个充电泵，被配置为提供高电压；传感器桥，由所述高电压进行偏置并且被配置为提供传感器值；以及低电压读出电路，仅具有低电压组件并且被配置为接收所述传感器值。
根据一个实施例，该系统进一步包括：低电压调节器，被配置为生成低电压并且将所述低电压提供给所述读出电路。
根据一个实施例，该系统进一步包括：中间电压调节器，被配置为生成中间电压并且将所述中间电压提供给所述一个或多个充电泵。
根据一个实施例，其中所述一个或多个充电泵包括正充电泵和负充电泵。
根据一个实施例，其中所述传感器桥包括极性反转开关，其中所述正充电泵将正的高电压供给到所述传感器桥，并且所述负充电泵将负的高电压供给到所述传感器桥，并且其中所述极性反转开关在所述正的高电压和所述负的高电压之间交替。
根据一个实施例，其中所述传感器桥在力反馈回路中进行操作。
根据一个实施例，其中所述传感器桥包括被配置为根据偏转量提供电容的可偏转膜片。
根据一个实施例，其中所述传感器桥包括被配置为桥的一对可偏转膜片和一对参考电容器。
根据一个实施例，其中所述高电压被调整一定量从而改进所述传感器桥的操作。
根据一个实施例，该系统进一步包括被配置为降低所述传感器值的电压电平的电平移位器。
根据一个实施例，该系统进一步包括：泵控制电路，被配置为根据每一时钟周期的充电相位、受控制的放电相位以及测量相位来激活和去激活所述一个或多个充电泵。
根据一个实施例，其中所述低电压读出电路包括具有交叉耦接开关的开关式电容器电平移位器。
根据本公开的另一方面，提供一种用于控制充电泵的系统，所述系统包括：充电比较器，被配置为在测量传感器具有超过充电阈值的电压时去激活充电泵；放电比较器，被配置为在所述测量传感器具有位于放电阈值的电压时停止对所述测量传感器的放电；以及电流控制器件，被配置为控制针对所述测量传感器的放电电流。
根据一个实施例，该系统进一步包括：开关，被配置为根据所述放电比较器产生的信号来断开所述电流控制器件和所述测量传感器的连接。
根据一个实施例，其中所述放电阈值被设置为中值点电压。
根据一个实施例，其中所述充电阈值被设置为所述中值点电压加增量。
根据一个实施例，其中利用参考电流和电阻器来分配所述中值点电压。
根据一个实施例，其中所述放电电流通过电阻器而引导并且对所述充电泵的电压进行移位。
根据一个实施例，其中所述系统包括充电相位、放电相位以及测量相位，其中所述充电相位在所述测量传感器具有超过所述充电阈值的电压时结束，并且所述放电相位在所述测量传感器具有位于所述放电阈值的电压时结束。
根据本公开的一个方面，提供一种用于利用低电压电路读取高电压传感器的方法，所述方法包括：提供传感器桥；利用一个或多个充电泵电压对所述传感器桥进行偏置；提供处于低电压电平的来自桥的传感器值；以及仅利用低电压读出电路对所述传感器值进行测量。
根据一个实施例，该方法进一步包括：生成约为中值点电压的所述一个或多个充电泵电压。
根据一个实施例，其中所述低电压读出电路以低于2v进行操作。
附图说明
图1为图示多电压传感器和读出系统的框图；
图2为图示利用正充电泵和负充电泵的多电压传感器和读出系统的框图；
图3A为图示具有可偏转膜片的传感器桥的图；
图3B为图示处于左半桥配置中的具有可偏转膜片的传感器桥的图；
图3C为图示处于右半桥配置中的具有可偏转膜片的传感器桥的图；
图3D为图示处于半桥配置中的具有可偏转膜片的传感器桥的图；
图4为图示仅使用正充电泵的多电压传感器和读出系统的框图；
图5为图示充电泵控制系统的图；
图6为图示系统的一个示例性操作的曲线图；
图7为图示用于负充电泵的充电泵控制系统的图；
图8A为图示可以与多电压传感器和读出系统共同使用的读出电路的图；
图8B为图示可以与多电压传感器和读出系统共同使用的读出电路的图；
图9为图示操作多电压传感器系统的方法的流程图；
图10为图示操作充电泵的方法的流程图。
具体实施方式
现在参照附图对本发明进行描述，其中通篇用相同的参考标号来指代相同的元件，并且其中所描述的结构和设备并非按照比例绘制。
这里所公开的系统和方法改进了基于传感器的系统，例如包括压力传感器的汽车传感器系统。这种系统包括高电压传感器，其为需要比调节后的电压或电源电压更高的电压以便正常工作的传感器。该系统和方法在缓解了功率消耗和高电压电路组件的同时有助于高电压传感器的正确/可靠操作。
图1为图示了多电压传感器和读出系统100的框图。该系统100将高电压用于高电压传感器，但是允许低电压用于读取传感器的输出。为了有助于理解，以简单的形式示出并描述系统100。
系统100包括中值或中间电压(MV)调节器102、低电压(LV)调节器104、一个或多个充电泵106、传感器108以及读出电路110。MV调节器102接收电源电压并且也连接到地，所述电源电压处于合适的电平，例如6v-18v。MV调节器102生成中间电压114，该中间电压114被调结到合适的电平，例如3v或5v。中间电压114低于电源电压。
LV调节器104从MV调节器102接收功率112并且也连接到地。功率112提供在合适的电平。在一个例子中，功率112为中间电压114。LV调节器104生成低电压120，该低电压120经过调节并且处于合适的电平，例如1.5v。
充电泵106接收中间电压114并且生成泵电压116，泵电压116与中间电压114相比处于更大的幅度，并且在一些例子中，大于电源电压。合适的泵电压116的一些例子包括12v、-12v、0.75+12v、0.75-12v、1/2*低电压+12v、1/2*(低电压-12v)等。充电泵106提供高于电源电压的电压，并且是可控的以便有选择地偏置传感器桥108。
传感器桥108为高电压传感器。传感器桥108接收泵电压116并且提供一个或多个传感器值118，适于较低电压，例如低于约3V的电压。泵电压116利用高电压而偏置传感器桥。在一个例子中，传感器桥108包括切换机制，该切换机制被配置用于在泵电压116和/或地之间交替。以下提供切换机制的一些示例。
如下所述，传感器值118指示属性。传感器值118的形式为对应于将被指示的属性的电容、差分电容、电压、电流等。
大体上，传感器桥108基于机械结构的改变而测量物理属性，例如压力，并且基于机械改变生成信号118。在一个例子中，传感器108基于隔膜的偏转而生成信号。
在一个例子中，传感器108为力反馈传感器并且包括可偏转膜片。力反馈传感器是如下这样一种类型的传感器，其包括膜片，测量膜片的偏转并且使膜片稳定到希望的操作位置。使膜片偏转的力生成信号，例如取决于偏转量的电压。传感器的电极被偏置从而对使膜片偏转的力进行正向或负向地补偿。可以选择该偏置从而增加传感器的敏感度、改善可靠性等。此外，可以选择该偏置从而补偿环境的效应，例如温度、压力等。针对基于加速度计的传感器可以使用相似的偏置。
读出电路110由低电压120进行供能并且被配置为基于传感器值118提供测量输出。在一个例子中，读出电路110利用从低电压获得的修改后的电压或中值电压。中值电压是小于低电压的合适电压。典型地，中值电压大约是低电压的一半。这样，如果低电压120约为1.5v，则中值电压则约为0.75v。
读出电路110利用低电压电路测量值118，低电压电路例如为可操作在小于3v的电压、低电压120、中值电压等的电路。通过使用低电压120并且不需要更高的电压，功耗得以缓解，电路组件成本得以降低，并且低电压电路以更快的速度运行。
其他基于高电压的传感器系统要求读出电路包括高电压电路。结果是，这种系统消耗更多的功率，增加了组件成本并且其运行速度低于系统100。
图2为图示利用正充电泵和负充电泵的多电压传感器和读出系统200的框图。系统200可以与上述的系统100一起使用或附加于上述的系统100而使用。具有相同参考标号的项可以参照上述用以附加描述。
系统200包括中间电压(MV)调节器102、低电压(LV)调节器104、正充电泵222、负充电泵224、传感器桥108、虚拟接地组件226以及读出电路110。MV调节器102接收电源电压并且也连接到地，所述电源电压处于合适的电平，例如6v-18v。MV调节器102生成中间电压114，其被调节到合适的电平，例如3v或5v。中间电压114低于电源电压。LV调节器104从MV调节器102接收功率112并且也连接到地。功率112提供在合适的电平。在一个例子中，功率112为中间电压114。LV调节器104生成低电压120，低电压120经过调节并且处于合适的电平，例如1.5v。
正充电泵222从电压调节器102接收中间电压114并且生成正充电泵电压228。充电泵电压228与中间电压114相比处于更大的幅度。合适的正充电泵电压的一些例子包括12v、Vmid+12v、0.75+12v等。Vmid典型地为低电压120的一半。
负充电泵224也从调节器102接收中间电压114并且生成负充电泵电压232。负充电泵电压232与中间电压114相比处于更大的幅度。合适的电压的一些例子包括-12v、Vmid-12v、0.75-12v等。
传感器桥108接收泵电压(228和232)并且提供一个或多个传感器值118，适于较低电压，例如低于约3v的电压。泵电压228和232以中值点电压为中心，如下所述。结果是，传感器桥差分输出也以这个中值电压为中心，这样所需要的仅有的高电压元件是接收泵电压的高电压晶体管。桥的另一侧上的电路可以利用低电压元件。
在一个例子中，传感器值118包括电容、差分电容等。传感器桥108基于机械结构的改变而测量物理属性，并且基于力生成信号118。在一个例子中，传感器108基于隔膜或膜片的偏转而生成信号。下面提供一些合适的传感器的例子。
虚拟接地组件226接收低电压120并且由此生成中值点电压(Vmid)230。典型地，中值点电压230大约是低电压120的一半。这样，如果低电压120为1.5V，中值点电压230则约为0.75V。然而可以理解的是，其他中值点电压的值也是可以的。
读出电路110由低电压120进行供能并且被配置为基于传感器值118提供测量输出。读出电路110还利用修改后的电压，中值点电压230。
读出电路110利用低电压电路测量值118，低电压电路为例如可操作在小于3v的电压、低电压120、中值电压等的电路。通过使用低电压电路允许使用快速组件，例如具有低电阻和低芯片面积占用的快速放大器和开关。此外，当与类似的高电压电路相比较时，低电压电路将晶体管的寄生电容降低到较低的值并且降低不希望的效应，例如来自开关的电荷注入。
图3A为图示具有可偏转膜片的传感器桥301的图。传感器301可以用于如上面所述的例如传感器桥108的系统中。传感器301一般在第一操作相位和第二操作相位中使用。对于每个相位，应用泵电压和/或接地电压。结果是，传感器301生成形式为电容或电容差的信号118。高电压开关，示出为302a以及302b，可用来在相位之间进行切换。高电压开关302a和302b在应用高电压之间交替并且也被称为极性反转开关。
传感器桥301示出为全桥并且包括提供传感器值118的端子118A和端子118B以及接收充电泵信号116的端子116A和端子116B。如果这个传感器半桥被用于如下所示的实施例或例子400中，端子116A在第一操作相位期间接收正充电泵电压并且端子116B切换到接地。在第二操作相位期间端子116B切换到充电泵电压而端子116A切换到接地。
如果这个传感器桥301用于上面所述的系统200中，在第一操作相位期间端子116A接收正充电泵电压并且在第二操作相位期间端子116B接收负充电泵电压。端子116A和端子116B在第二相位中与在第一相位中相比切换到相反的充电泵电压。
桥301包括在端子118B和端子116A之间的第一可偏转膜片和在端子118A和端子116B之间的第二可偏转膜片。在端子116A和端子118A之间存在第一固定电容器，并且在端子118B和端子116B之间存在第二固定电容器。第一电容器和第二电容器具有作为其电容的参考值。膜片具有根据由于压力或一些其它来源的膜片偏转而改变的电容。膜片和电容器形成惠斯登(whetstone)桥并且在端子118A和端子118B提供根据膜片偏转而改变的差分电容。例如，在零压力时，差分电容典型地也约为零。对于增加压力，差分电容增加。
在一个例子中，读出电路110测量118A和118B之间的差分电容。下面参照图8A和图8B提供合适的读出电路的例子，其包括被配置为在充电泵电压之间切换的高电压开关。
图3B为图示处于左半桥配置中的具有可偏转膜片的传感器桥302的图。传感器302可以用于如上面所述的例如传感器桥108的系统中。
传感器桥302为半桥并且包括提供传感器值118的端子118A和端子118B以及接收单一充电泵信号116的端子116A。当用于如下所述的系统400时，端子116A在一个时钟相位中接收正充电泵电压而在另一个相位期间切换到接地。
当用于上面所述的系统200中时，端子116在正充电泵电压和负充电泵电压之间切换或交替。
此处，桥302包括在端子118B和端子116A之间的可偏转膜片。在端子116A和端子118A之间存在固定电容器。该电容器具有作为其电容的参考值。所述膜片具有根据由于压力或一些其它来源的膜片偏转而改变的电容。传感器值118为膜片和固定电容器的电容差并且可以通过差分电路中适当的评估而测量出。例如，在零压力时，在带有可偏转膜片的电容器和固定电容之间的电容差典型地约为零。针对增加压力，电容差增加。
包括差分电路的读出电路测量来自端子118A和端子118B的电容差。
图3C为图示处于右半桥配置中的具有可偏转膜片的传感器桥303的图。传感器303可以用于如上面所述的例如传感器桥108的系统中。
传感器303基本上以与上述的传感器302类似的方式进行操作。然而，传感器303与传感器302对称，并且包括端子116B而不是端子116A。在一个例子中，端子116A在一个相位中接收负充电泵电压并且在接下来的相位或第二相位接地。
图3D为图示处于称为底半桥的另一个半桥配置中的具有可偏转膜片的传感器桥304的图。传感器304可以用于如上面所述的例如传感器桥108的系统中。
传感器桥304为半桥并且包括接收正充电泵信号和负充电泵信号的端子116A和端子116B以及提供形式为电容的传感器值的端子118B。当被用于如上所示的系统400中时，端子116A在第一操作相位期间接收正充电泵电压并且端子116B在第一操作相位中切换到接地。在第二操作相位期间，端子116B切换到负充电泵电压，而端子116A切换或连接到地。
当传感器桥304用于系统200中时，在第一操作相位期间，端子116A接收正充电泵电压并且端子116B接收负充电泵电压。在第二操作相位期间，端子116A和端子116B切换到与在第一相位中相比相反的充电泵电压，这样端子116A在第二操作相位期间接收负充电泵电压并且端子116B在第二操作相位期间接收正充电泵电压。
桥304包括在端子116A和端子118B之间的可偏转膜片。在端子116B和端子118B之间有一个固定电容器。该电容器具有作为其电容的参考值。膜片具有根据由于压力或一些其它来源的膜片偏转而改变的电容。传感器值118不是差分电容，但是允许通过对施加到116a和116b的激励的两个相位期间在端子118b处的测量值进行评估来测量膜片电容和固定电容器电容之间的差。例如，在零压力时，在具有可偏转膜片的电容器和具有不可偏转膜片的电容器之间的电容差典型地也约为零。针对增加压力，电容差增加。针对增加压力，电容增加。
在一个例子中，读出电路110测量118B处的电容。可以利用电平移位器将值118移位到较低的电压。
图4为图示仅使用正充电泵的多电压传感器和读出系统400的框图。系统400可以与上述的系统100一起使用或附加于上述的系统100而使用。具有相同参考标号的项可以参照上述用以附加描述。
系统400包括中间电压(MV)调节器102、低电压(LV)调节器104、正充电泵222、传感器桥108、虚拟接地组件226、电平移位器412以及读出电路110。MV调节器102接收电源电压，所述电源电压处于合适的电平，例如6v-18v，并且生成中间电压114，该中间电压114被调节到合适的电平，例如3v或5v。中间电压114低于电源电压。LV调节器104从MV调节器102接收功率112并且生成低电压120，该低电压120经过调节并且处于合适的电平，例如1.5v。
正充电泵222从电压调节器102接收中间电压114并且生成正充电泵电压228。充电泵电压228与中间电压114相比处于更大的幅度。合适的正充电泵电压的一些例子包括12v等。Vmid典型地为低电压120的一半。
如上所述，虚拟接地组件226从低电压120生成中值点电压230。
传感器桥108仅接收正充电泵电压228并且产生高电压传感器值414。传感器桥108也连接到地。桥输出或值414的电平与正充电泵电压228的大约一半对应，例如6v。
作为一个例子，如果使用图3A所示的传感器桥，充电泵电压228连接到116B并且116A连接到地，且在端子118A和118B处提供高电压差分传感器信号作为414。如果充电泵电压228为12v，则值414对应于约6v。
电平移位器412将高电压值414的电压降低或移位到低电压值118。通过读出电路110可以测量低电压值118。电平移位器412利用适合的技术来移位电压。在一个例子中，该技术包括利用在隔离型浮阱(isolatedfloatingwell)中的开关来移位电压。
读出电路110基本上类似于上述的另一个读出电路而进行操作。
图5为图示充电泵控制系统500的图。该系统500被用来控制例如上面所描述的充电泵并且与也在上面有所描述的传感器桥一起使用。
在例如上面的系统100的系统中使用的充电泵电压对传感器桥进行偏置。如果充电泵所提供的电压不精确或变化，则传感器桥所提供的测量值将改变。这样，具有精确的充电泵电压非常重要。然而，由传感器桥所提供的值或测量值在时钟相位或周期的结束处获取。因此，仅在时钟相位的结束处才需要精确的充电泵电压。对于剩余的部分，充电泵电压可以变化。
系统500为控制充电泵的充电和放电的适合电路的一个例子。系统500耦接到充电泵106和传感器桥108来展现其用途。应当注意到系统500不需要在高电压操作的电路。
系统500包括停止泵比较器504、停止放电比较器502、镜像电路506、第一电阻器524、第二电阻器508、第三电阻器520、开关518、电流控制器件516、第一电容器510、第二电容器514以及参考电流512。系统500利用多个相位，包括相位A、相位B以及相位C。相位A位于时钟周期的开始点并且包括由充电泵106进行充电一直到充电阈值，相位B在相位A之后并且包括一直到放电阈值的受控的放电，相位C在相位B之后并且位于时钟周期的结束处且将传感器电容器锁定在传感器108进行精确测量所需要的值。
电路506包括一对栅极连接的晶体管，该晶体管接收低电压电源120并且沿着所连接的路径提供电流。低电压电源120如上所述为相对较低的电压，例如3v。
来自电路506的第一路径为分压器电路，并且包括第一电阻器524和第二电阻器508。第一电阻器524的第一端子连接到停止泵比较器504的第一输入。其第二端子连接到第二电阻器的第一端子以及停止放电比较器502的第一输入。第二电阻器508的第二端子连接到地。此外，第一电阻器524的第一端子通过第一电容器510耦接到地。来自电路506的第二路径包括连接到地的参考电流源512。
第三电阻器520在第一端子处接收充电泵电压116。充电泵电压116减去由第三电阻器520引起的电压降(Vdrop)而被提供到第三电阻器520的第二端子处的比较器502和504的第二输入。电压降是受控电流(Idac)乘以第三电阻器520的电阻(Rdrop)的函数。Vdrop是受控电流(Idac)的函数，因此Vtar可以根据Idac而改变。
所提供的电压，Vtar，也称为反馈电压。在停止泵比较器504和停止放电比较器502处将Vtar和阈值进行比较。阈值被设置为比较器502和504的另一输入。停止放电阈值被设置为Vmid的值，其中Vmid为LV120的中值点电压，例如0.75v。停止充电泵阈值被设置为略高于Vmid的值，Vmid+ΔV。ΔV的量由第一电阻器524的电阻以及流经第一电阻器的电流来决定。流经第一电阻器524的电流量由参考电流源512经由电流镜506来确定。应当注意到，中值点电压并不必然等于上面例如在系统200中所描述的中值点电压。
停止泵比较器504的输出用来停止或去激活充电泵。停止放电比较器502的输出耦接到开关518并对开关518进行控制。当开关518打开时，Idac电流停止流经第三电阻器520。当开关518闭合时，Idac电流流经第三电阻器520。
在停止放电比较器502的第一输入处提供的电压为中值点电压，Vmid。中值点电压也称为放电阈值。在停止泵比较器504的第一输入处提供的电压为中值点电压(Vmid)加增量Δ。这样，停止泵比较器504对电平移位的反馈电压Vtar与也被称为充电阈值的略高于中值点电压Vmid的值进行比较。如果反馈超过这个值，充电泵被去激活。一旦被去激活，充电泵进行放电并且充电泵电压116降低，Vtar也降低。
开关518控制传感器桥108的传感器电容器的放电。当闭合时，电流控制电路516可以可控制地对传感器电容器进行放电。当开关518打开时，其不对传感器电容器进行放电。进一步，开关518可以是低泄漏开关，从而在开关518打开时可以进行缓和的放电。Idac通过信号522进行调整。
图6为图示系统500的一个示例性操作的曲线图600。曲线图600描绘了系统500在两个时钟相位期间的操作。可以理解的是，这里所提供的解释是帮助理解的例子并且所示出的值和持续时间仅用于说明性的目的。
相位1示出为具有3个相位或是子相位，表示为1A、1B和1C。充电泵为ON(接通)从而对传感器电容器进行再充电。当充电泵电压116超过作为充电阈值的目标值(Vtar)增量时充电停止。比较器504通过反馈感测到充电泵电压116并且停止充电泵。
在相位1B，传感器电容器处于比正确提供测量所需的电压/偏置略高的电压。开关518闭合从而在这个相位期间可控制地对传感器电容器进行放电。通过电流控制电路516利用信号522对放电的范围进行选择或调整。放电电流为恒定电流。一旦达到了目标电压，其同时也是放电阈值，则这个相位结束并且开关518打开从而进一步缓和地放电。
在相位1C，已经达到了目标值，并且在传感器电容器上保持该值，一直到获得了测量值118并且到达了时钟相位的结束处。应当注意的是，相位C的长度可以改变。
如所示地针对第二时钟周期/相位重复相位A、B以及C。
在一个变形中，省略相位B并且将充电阈值设置在传感器的精确测量所需的电压。可以理解的是，这避免了一些复杂度，但是可能会导致测量电压的较不精确。例如，如果不使用相位B，则可以省略停止放电比较器502和相关的组件。
图7为图示用于负充电泵的充电泵控制系统700的图。系统700控制对传感器桥施加适当的负偏置。系统500可用来对例如上述的传感器桥的传感器桥施加正偏置并且系统700可以用来施加负偏置。
系统700基本上类似于系统500并且对其相同组件的描述在此略过。然而，组件不同地进行了布置并且添加了另一个电流镜724。第二电流镜724对Idac进行镜像。
图8A为图示可以与如同在此所描述的多电压传感器和读出系统共同使用的读出电路800的图。图8A中所示的读出电路800作为适合的读出电路的一个例子而提供。电路800包括具有电容器桥的电容器积分器。读出电路800可以与如同读出电路110一样的上述系统一起使用。可以理解的是，可以使用如图8A所示的电路800的变形以及其他读出电路。
电路800耦接到传感器桥108，传感器桥108经由高电压开关802a和802b接收正(V+)和负(V-)充电泵电压。电路800在端子804处提供输出并且在其输入处耦接到端子118a和118b。
电路800包括积分器级806并且包括借助于反馈电容器CFB的偏移补偿。这个布置将反馈与传感器桥平行连接并且缓解了桥偏置的不精确的效应并且还缓解了对于示出为Cs1、Cs2、Cr1以及Cr2的桥电容器的放电的稳定需求。电路800的输出为测量属性或电容差的数字表示或数据。
开关S1和S2由具有不相重叠方案的时钟操作。这样，在操作期间，在S1断开后，S2接通并且在S2断开后S1接通。在此期间S1接通的相位被称为采样相位。在此期间S2导通的相位被称为积分/放大相位。开关S1和S2将桥108在采样相位和积分相位之间基本上进行翻转，从而将由桥108在端子802a和802b处提供的幅度翻倍。
开关G1和G2为静态的，因为其不响应于时钟信号而操作。开关G1和G2针对积分器级806施加时间常数。这样G1和G2根据所选择的时间常数而设置为接通或断开。此外，G1和G2彼此相反，因此当G2为OFF(断开)时G1为ON(连接)并且当G2为ON时G1为OFF。
上述的读出电路800为利用了低电压组件的用以对利用高电压进行了偏置的传感器桥进行读取的适合电路的例子。
图8B为图示可以与诸如上述的多电压传感器和读出系统共同使用的读出电路850的图。如图8B所示的读出电路850作为适合的读出电路的一个例子而提供。示例性的电路850包括具有电容桥的开关电容器放大器。读出电路850可与如同读出电路110一样的上述系统一起使用。可以理解的是，可以使用如图8B所示的电路850的变形以及其他读出电路。
电路850耦接到传感器桥108，该传感器桥108经由高电压开关802a和802b接收充电泵电压。电路850在端子804处提供输出并且在其输入处耦接到端子118a和118b。在这个例子中，在正充电泵电压(Vcp)和地之间交替的偏置电压经由开关802a和802b交替地施加到传感器桥108。
电路850包括积分器级806以及交叉耦接的开关852。交叉耦接的开关852缓和在其输出处的电压，该电压为高共模电压。利用采样电容器Csn和Csp降低这个共模电压。电路850的输出为测量属性或电容差的数字表示或数据。
与电路800类似，开关S1和S2由具有不相重叠机制的时钟操作。这样，在S1切断后，S2接通并且在S2切断后S1接通。在此期间S1接通的相位被称为采样相位。在此期间S2接通的相位被称为积分/放大相位。开关S1和S2将桥108基本在采样相位和积分相位之间进行翻转，从而将由桥108提供在端子802a和802b处的幅度翻倍。
没有针对积分器级806的增益设置，然而可以包括增益选择。在一个例子中，利用开关G1和G2的增益配置被添加到电路850中。
上述的读出电路850为利用了低电压组件的用以对利用高电压进行了偏置的传感器桥进行读取的适合电路的例子。
图9为图示操作多电压传感器系统的方法900的流程图。所述方法900包括通过适当地对传感器桥进行偏置而利用低电压读出电路读取传感器值。
在块902提供传感器桥。所述传感器桥被配置为响应于惯量例如环境状况、压力、运动等而提供传感器值。在一个例子中，所述传感器桥包括可偏转的膜片以及参考电容器，并且响应于压力的改变提供作为传感器值的差分电容。上面提供了其他传感器桥的例子。此外，提供了多电压传感器系统的其他组件。
在块904对传感器桥进行偏置。利用一个或多个作为电压偏置的高电压对传感器桥进行偏置。所述偏置典型地调整为约为中值点电压，所述中值点电压基本上为多电压传感器系统所使用的低电压的约一半。在一个例子中，使用正充电泵来提供正充电泵电压以及使用负充电泵来提供负充电泵电压，并且电压偏置约中值点电压。合适的充电泵的例子如上所述。在一个描述性的示例中，中值点电压为0.75v，低电压为1.5v，合适的充电泵电压包括针对正充电泵电压的12.75v以及针对负充电泵电压的-11.25v。
在块906处利用传感器桥提供传感器值。由于传感器桥的操作，所述传感器值提供在低电压电平处。
在块908处利用低电压读出电路对传感器值进行测量或读出。所述读出电路利用例如1.5v的低电压或电平进行操作。读出电路利用测量值来确定属性，例如压力、运动等。
图10为图示操作充电泵的方法1000的流程图。所述方法1000利用了时钟相位的非测量部分来改进功耗，而在测量部分期间提供恰好精确的高电压。
如上所述，在每个时钟周期或相位的一部分期间获得传感器值以及测量值。这样，充电泵电压无需在其他部分期间保持全功率以及精确度。在这个例子中，测量部分位于时钟周期/相位的结束处。然而，可以理解的是，其也可以发生在时钟/相位的其他部分。以上参照图5和图6给出了本方法1000可以使用的合适电路的附加细节和描述。
在块1002处，提供传感器桥、充电泵以及充电泵电路。上面提供并描述了这些组件的例子。通常地，充电泵对传感器桥提供偏置电压。电路控制偏置电压的提供。传感器桥包括经由偏置电压而偏置的传感器电容器。
在块1004处，充电泵在时钟周期的第一相位期间被激活，从而对传感器电容器进行充电。最初，由于之前传感器值的测量而在充电泵输出和传感器电容器上存在电压降。充电泵被激活并且将传感器电容器充电/泵送到更高的电压。
在块1006处，当传感器电容器获得了充电阈值时，传感器电容器以选择的电流可控制地泄流/放电。所选择的电流为恒定的并且被选择用以在一段时间内将传感器电容器降低到合适的阈值。
在块1008处，当传感器电容器降低到了放电阈值时，将传感器电容器锁定在测量阈值或电压处。通常，测量阈值也是放电阈值。然而，在一个变形中，充电阈值也是测量阈值并且放电块1008可以省略。测量阈值具有选择的以及/或合适的精确度。
在块1010处，利用传感器电容器处的测量阈值获得传感器值。由于传感器电容器具有在测量阈值处的电压，以选择的以及/或合适的精确度提供传感器值。接着对传感器值进行测量或者将其进行转换，从而指示惯量或环境属性，例如压力、运动等。
虽然上述的方法被描述并且解释为一系列的动作或事件，应当理解的是，所描述的这种动作或事件的顺序不应当被解释为限制性意义。例如，一些动作可以不同的顺序发生并且/或与这里所描述以及/或解释的不同的其他动作或事件共同发生。此外，并不是所有所描述的动作都是实施本公开的一个或多个方面或实施方式所必需的。同样，这里所描述的一个或多个动作可以以一个或多个分离的动作以及/或阶段来完成。
可以理解的是，所要求保护的主题可以实施为使用了标准编程以及/或工程技术的方法、装置或制造品从而产生软件、硬件、固件或其任意组合用以控制计算机来实施所公开的主题(例如，上面所示出的系统，其为可以用来实施方法的系统的非限制性例子)。术语“制造品”用在此处意在包括由任何计算机可读设备、载体或介质能够存取的计算机程序。当然，本领域的技术人员将会认识到，对于这个配置可以进行很多修改，而不会背离所要求的主题的范围或精神。
多电压传感器系统包括一个或多个充电泵、传感器桥和读出电路。一个或多个充电泵被配置为提供高电压。传感器桥被高电压偏置并且被配置为提供传感器值。读出电路仅包括低电压组件。读出电路被配置为接收传感器值。
特别地，关于由上述组件或结构(装配件、器件、电路、系统等)执行的各种功能，用于描述这种组件的术语(包括“装置”的提及)除非另有指出，否则意在对应于执行了所描述组件的特定功能的任何组件或结构(例如，其为功能性等同)，即使在结构上与执行了这里所描述的本发明的示例性实施中的功能的所公开的结构并不等同。此外，当对本发明的特定特征仅关于多个实施方式中的一个进行了描述时，这个特征可以与其他实施方式中的一个或多个其他的特征组合，只要对于任何给定或特定的应用来说有所需要并且具有优势。另外，对于术语“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“带有”或其变形在具体实施方式或权利要求中使用的程度而言，这种术语意在以与术语“包含”相似的方式而为包括性的。

Claims (22)

1.一种多电压传感器系统，包括：
一个或多个充电泵，被配置为提供高电压；
传感器桥，由所述高电压进行偏置并且被配置为提供传感器值；以及
低电压读出电路，仅具有低电压组件并且被配置为接收所述传感器值。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：低电压调节器，被配置为生成低电压并且将所述低电压提供给所述读出电路。
3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：中间电压调节器，被配置为生成中间电压并且将所述中间电压提供给所述一个或多个充电泵。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个充电泵包括正充电泵和负充电泵。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述传感器桥包括极性反转开关，其中所述正充电泵将正的高电压供给到所述传感器桥，并且所述负充电泵将负的高电压供给到所述传感器桥，并且其中所述极性反转开关在所述正的高电压和所述负的高电压之间交替。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器桥在力反馈回路中进行操作。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器桥包括被配置为根据偏转量提供电容的可偏转膜片。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器桥包括被配置为桥的一对可偏转膜片和一对参考电容器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述高电压被调整一定量从而改进所述传感器桥的操作。
10.根据权利要求1所述的系统，进一步包括被配置为降低所述传感器值的电压电平的电平移位器。
11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：泵控制电路，被配置为根据每一时钟周期的充电相位、受控制的放电相位以及测量相位来激活和去激活所述一个或多个充电泵。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述低电压读出电路包括具有交叉耦接开关的开关式电容器电平移位器。
13.一种用于控制充电泵的系统，所述系统包括：
充电比较器，被配置为在测量传感器具有超过充电阈值的电压时去激活充电泵；
放电比较器，被配置为在所述测量传感器具有位于放电阈值的电压时停止对所述测量传感器的放电；以及
电流控制器件，被配置为控制针对所述测量传感器的放电电流。
14.根据权利要求13所述的系统，进一步包括：开关，被配置为根据所述放电比较器产生的信号来断开所述电流控制器件和所述测量传感器的连接。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述放电阈值被设置为中值点电压。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述充电阈值被设置为所述中值点电压加增量。
17.根据权利要求15所述的系统，其中利用参考电流和电阻器来分配所述中值点电压。
18.根据权利要求15所述的系统，其中所述放电电流通过电阻器而引导并且对所述充电泵的电压进行移位。
19.根据权利要求13所述的系统，其中所述系统包括充电相位、放电相位以及测量相位，其中所述充电相位在所述测量传感器具有超过所述充电阈值的电压时结束，并且所述放电相位在所述测量传感器具有位于所述放电阈值的电压时结束。
20.一种用于利用低电压电路读取高电压传感器的方法，所述方法包括：
提供传感器桥；
利用一个或多个充电泵电压对所述传感器桥进行偏置；
提供处于低电压电平的来自桥的传感器值；以及
仅利用低电压读出电路对所述传感器值进行测量。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：生成约为中值点电压的所述一个或多个充电泵电压。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述低电压读出电路以低于2v进行操作。
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