CN105116232A - 一种电容检测电路及电容传感电路 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种电容检测电路及电容传感电路，所述电容检测电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路；所述低噪声模拟电容检测电路用以检测MEMS结构的电容；所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；所述共模信号补偿电容在MEMS检查电路启动时，通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化。本发明提出的电容检测电路，具有更高的信号增益以及更高的信噪比。

Description

一种电容检测电路及电容传感电路

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种检测电路，尤其涉及一种电容检测电路；同时，本发明还涉及一种电容传感电路。

背景技术

传统的电容检测前端电路中，一般如图1所示，使用宽带放大器和电容C_L组成反馈放大环路以获得很短的响应时间以及高增益，以保证整个检测电路对于环境变化不敏感。在此种检测电路中，通过分别控制开关SW₁和SW₂，把从MEMS电容传递过来的电荷转换为电压信号，并使得输出信号的幅度V₀正比于从MEMS中检测到的位移。但是，由于采样操作的存在，宽带的高频分量会被折叠到了基带，因此宽带放大器本身带入了较大的热噪声，并最终导致相应信噪比的衰减。

如图2所示，Boxcar电容检测电路潜在的减少了噪声折叠效应，这是因为它的放大器本身和C_L一起在采样之前形成了一个低通滤波器。相位Φ₁为复位相位，在积分相位Φ₂开始的时候，开关SW₂/SW₃断开，同时开关SW₁闭合，此操作使得放大器输入端的电压发生了相应的变化。一个与电容检测板位移成正比的电压会出现在放大器输入端，并随后被放大器结构放大。但是在这个结构当中，放大器输入端的共模变化会在很大程度上衰减最终放大器的输出电压V₀，这一点可以用以下公式描述：

$V_o=\frac{G_m\·T_{\mathrm{int}}}{C_L}\·\frac{C_p}{C_{s0}+C_p}\·\frac{\mathrm{\Δ}C}{C_{s0}+C_p}\·V_{ref}$

其中

C_s0-传感器静态电容

ΔC–传感器变化电容

C_p-对地寄生电容

G_m-放大器跨阻

V_ref–参考电压

T_int–放大/积分时间

并且这个大的共模变化还会引入寄生电容C_p的失调，使得最终的等效输入电容失调同时包含了传感器电容失调ΔC_s0和寄生电容ΔC_p0两个部分，可以用以下公式描述

$C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_p}{C_p}$

这会对后面的信号调理电路产生巨大的负荷，例如需要更大的电路动态范围。因此限制了Boxcar电容检测电路在传感器中的应用。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的电容检测电路，以便克服现有电容检测电路的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电容检测电路，具有更高的信号增益，更高的信噪比以及更小的等效输入失调电容。

此外，本发明还揭示一种电容传感电路，具有更高的信号增益，更高的信噪比以及更小的等效输入失调电容。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种电容检测电路，所述电容检测电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路，电容检测电路与sigmadelta调制器连接；

所述低噪声模拟电容检测电路用以检测MEMS结构的电容，包括一个由共模补偿电容C_m，传感器电容C_s0和ΔC以及开关SW₀～SW₅组成的开关电容电路，一个由第一放大器、第二放大器、放大电容C_L和开关SW₀组成的跨导式电容放大器；最终形成一个低噪声模拟电容检测电路的放大器模式，其低频增益为：

$G_0=\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·\frac{1}{C_p+2\·C_{s0}}\·V_{ref};$

等效输入信噪比为： $SNR=\frac{\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·V_{ref}\·\mathrm{\Δ}C}{\sqrt{S_0\·2}\·(C_p+2\·C_{s0})};$

等效输入失调电容为： $C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{C_m};$

其中，G₀为低频增益，C_s0为传感器静态电容，ΔC_s0为传感器静态电容失调，C_m为共模补偿电容阵列，ΔC_m为共模补偿电容失调，C_p为对地寄生电容，G_m为第一放大器跨阻，C_L为第二放大器反馈电容，ΔC为传感器电容变化信号，V_ref为参考电压，T_int为放大/积分时间，S₀为放大器等效输入噪声，C_os为等效输入失调电容，SNR为信噪比；

所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；通过在所述低噪声模拟电容检测电路上加入比较器和数字控制逻辑算法形成自校准电路以实现自动补偿；在MEMS检查电路启动时，通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化；其中数字控制逻辑算法，通过逐次比较算法或者增量算法，用实现自校准控制算法，所述自校准控制算法会在共模电容C_m到达和C_s0相同的时候自动终止计算；这个过程本身在检测电容的启动相位是被调用，或者在做功率循环的时候周期性的调用；最终运算决定的电容阵列大小会被存贮在数字逻辑中的存储器单元；通过加入共模补偿电容C_m，第一放大器输入端的共模变化会减小到：

其中，ΔV_cm为共模电压变化，C_s0为传感器静态电容，C_m为共模补偿电容阵列，C_p为寄生电容，V_ref为参考电压；

所述sigmadelta调制器用以把电容的变化转换成为数字量；这种电容检测电路作为sigmadelta调制器的第一级前馈积分器直接把电容的变化转换成为数字量；

所述低噪声模拟电容检测电路通过去除开关SW₀，由放大器模式转换为积分器模式；积分器被用来当作sigmadelta调制器的第一级积分器；同随后的环路滤波器、模数转换器、数模转换器形成了一个紧致的、面积功耗优化的sigmadelta调制器，并被用来将MEMS检测平板的位移信号转换成数字信号。

一种电容检测电路，所述电容检测电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路；

所述低噪声模拟电容检测电路用以检测电容；

所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；所述共模信号补偿电容；在检查电路启动时，或者在做功率循环时,通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化。

作为本发明的一种优选方案，通过加入共模补偿电容，第一放大器输入端的共模变化会减小到： ${\mathrm{\ΔV}}_{cm}=V_{ref}\·\frac{C_{s0}-C_m}{C_p+C_{s0}+C_m};$ 低频增益会增高为： $G_0=\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·\frac{1}{C_p+2\·C_{s0}}\·V_{ref};$ 信噪比会增高为： $SNR=\frac{\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·V_{ref}\·\mathrm{\Δ}C}{\sqrt{S_0\·2}\·(C_p+2\·C_{s0})};$ 等效输入失调电容减少为： $C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{C_m};$

其中，G₀为低频增益，C_s0为传感器静态电容，ΔC_s0为传感器静态电容失调，C_m为共模补偿电容阵列，ΔC_m为共模补偿电容失调，C_p为对地寄生电容，G_m为第一放大器跨阻，C_L为第二放大器反馈电容，ΔC为传感器电容变化信号，V_ref为参考电压，T_int为放大/积分时间，S₀为放大器等效输入噪声，C_os为等效输入失调电容，SNR为信噪比。

作为本发明的一种优选方案，在所述低噪声模拟电容检测电路基础上，加入比较器与数字控制算法，在自校准的时候用于检测和补偿共模电容变化。所述电容检测电路还包括数字控制逻辑算法，通过逐次比较算法或者增量算法，用来实现自校准控制算法，此算法会在共模补偿电容阵列C_m到达和C_s0相同的时候自动终止计算；这个过程本身在检测电容的启动相位时被调用，或者在做功率循环的时候周期性的调用；最终运算决定的电容阵列大小会被存贮在数字逻辑中的存储器单元。

一种电容传感电路，所述电容传感电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路和sigmadelta调制器；

所述低噪声模拟电容检测电路用以检测MEMS结构的电容,通过加入共模补偿电容C_m，低频增益会增高为： $G_0=\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·\frac{1}{C_p+2\·C_{s0}}\·V_{ref},$ 信噪比会增高为： $SNR=\frac{\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·V_{ref}\·\mathrm{\Δ}C}{\sqrt{S_0\·2}\·(C_p+2\·C_{s0})};$ 等效输入失调电容减少为： $C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{C_m};$

所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；所述在MEMS检查电路启动时，通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化；通过加入共模补偿电容，第一放大器输入端的共模变化会减小到： ${\mathrm{\ΔV}}_{cm}=V_{ref}\·\frac{C_{s0}-C_m}{C_p+C_{s0}+C_m};$

其中，G₀为低频增益，C_s0为传感器静态电容，ΔC_s0为传感器静态电容失调，C_m为共模补偿电容阵列，ΔC_m为共模补偿电容失调，C_p为对地寄生电容，G_m为第一放大器跨阻，C_L为第二放大器反馈电容，ΔC为传感器电容变化信号，V_ref为参考电压，T_int为放大/积分时间，S₀为放大器等效输入噪声，C_os为等效输入失调电容，SNR为信噪比；

所述sigmadelta调制器用以把电容的变化转换成为数字量；这种电容检测电路作为sigmadelta调制器的第一级前馈积分器直接把电容的变化转换成为数字量；

通过去除所述低噪声模拟电容检测电路复位开关SW₀，所述低噪声模拟电容检测电路由放大器模式转换为积分器模式，随后被用来作为sigmadelta调制器的第一级积分器；同随后的环路滤波器，模数转换器以及数模转换器形成了一个紧致的、面积功耗优化的sigmadelta调制器，并被用来将MEMS检测平板的位移信号转换成数字信号；

通过加入复位开关SW₀，低噪声模拟电容检测电路由积分器模式被转换为低噪声模拟电容检测放大器模式，在自校准的时候被用于检测共模电容的变化；

所述电容检测电路还包括数字控制逻辑，通过逐次比较算法或者增量算法，用来实现自校准控制算法，此算法会在共模补偿电容C_m到达和C_s0相同的时候自动终止计算；这个过程本身在此电容传感电路的启动相位是被调用，或者在做功率循环的时候周期性的调用；最终运算决定的电容阵列大小会被存贮在数字逻辑中的存储器单元。

一种电容传感电路，所述电容传感电路包括电容检测电路、sigmadelta调制器；电容检测电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路；

所述低噪声模拟电容检测电路用以检测电容；

所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；所述共模信号补偿电容在检查电路启动时，或者在周期性功率循环时，通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化；

所述sigmadelta调制器用以把电容的变化转换成为数字量。

作为本发明的一种优选方案，通过加入共模补偿电容，第一放大器输入端的共模变化会减小到： ${\mathrm{\ΔV}}_{cm}=V_{ref}\·\frac{C_{s0}-C_m}{C_p+C_{s0}+C_m};$ 低频增益增高为： $G_0=\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·\frac{1}{C_p+2\·C_{s0}}\·V_{ref};$ 信噪比会增高为： $SNR=\frac{\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·V_{ref}\·\mathrm{\Δ}C}{\sqrt{S_0\·2}\·(C_p+2\·C_{s0})};$ 等效输入失调电容减少为： $C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{C_m};$

其中，G₀为低频增益，C_s0为传感器静态电容，ΔC_s0为传感器静态电容失调，C_m为共模补偿电容阵列，ΔC_m为共模补偿电容失调，C_p为对地寄生电容，G_m为第一放大器跨阻，C_L为第二放大器反馈电容，ΔC为传感器电容变化信号，V_ref为参考电压，T_int为放大/积分时间，S₀为放大器等效输入噪声，C_os为等效输入失调电容，SNR为信噪比。

作为本发明的一种优选方案，这种电容检测电路作为sigmadelta调制器的前馈积分器直接把电容的变化转换成为数字量。

作为本发明的一种优选方案，所述自校准电路与共模信号补偿电容形成低噪声模拟电容检测积分器，被用来当作sigmadelta调制器的第一级积分器；同随后的环路滤波器、模数转换器、数模转换器形成了一个紧致的、面积功耗优化的sigmadelta调制器，并被用来将检测平板的位移信号转换成数字信号。

作为本发明的一种优选方案，通过加入复位开关SW₀,电容检测电路由积分器模式转换为放大器模式，在自校准的时候被用于检测共模电容的变化；

所述电容检测电路还包括数字控制逻辑，用以逐次比较算法或者增量算法，用来自校准控制，会在共模电容C_m到达和C_s0相同的时候自动终止计算；这个过程本身在检测电容的启动相位时被调用，或者在做功率循环的时候周期性的调用；最终运算决定的电容阵列大小会被存贮在数字逻辑中的存储器单元。

本发明的有益效果在于：本发明提出的电容检测电路及电容传感电路，具有更高的信号增益，更高的信噪比以及更小的等效输入失调电容。

附图说明

图1为传统电容检测电路图。

图2为传统Boxcar电容检测电路。

图3为本发明电容检测电路图。

图4为低噪声模拟电容检测电路图。

图5为共模信号补偿/自校准电路图。

图6为SigmaDelta调制器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图3至图6，本发明揭示了一种电容检测电路，所述电容检测电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路，电容检测电路与sigmadelta调制器连接。

所述低噪声模拟电容检测电路用以检测MEMS结构的电容(当然也可以是其他电容式传感器，低噪声模拟电容检测电路用以可以用来检测其他电容式传感器)。

低噪声模拟电容检测电路包括一个由共模补偿电容C_m，传感器电容C_s0和ΔC以及开关SW₀～SW₅组成的开关电容电路，一个由第一放大器、第二放大器、放大电容C_L和开关SW₀组成的跨导式电容放大器；最终形成一个低噪声模拟电容检测电路的放大器模式，其低频增益为：

$G_0=\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·\frac{1}{C_p+2\·C_{s0}}\·V_{ref};$

等效输入信噪比为： $SNR=\frac{\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·V_{ref}\·\mathrm{\Δ}C}{\sqrt{S_0\·2}\·(C_p+2\·C_{s0})};$

等效输入失调电容为： $C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{C_m};$

其中，G₀为低频增益，C_s0为传感器静态电容，ΔC_s0为传感器静态电容失调，C_m为共模补偿电容阵列，ΔC_m为共模补偿电容失调，C_p为对地寄生电容，G_m为第一放大器跨阻，C_L为第二放大器反馈电容，ΔC为传感器电容变化信号，V_ref为参考电压，T_int为放大/积分时间，S₀为放大器等效输入噪声，C_os为等效输入失调电容，SNR为信噪比。

所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；通过在所述低噪声模拟电容检测电路上加入比较器和数字控制逻辑算法形成自校准电路以实现自动补偿；所述在MEMS检查电路启动时，通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化；其中数字控制逻辑算法，通过逐次比较算法或者增量算法，用实现自校准控制算法，所述自校准控制算法会在共模电容C_m到达和C_s0相同的时候自动终止计算；这个过程本身在检测电容的启动相位是被调用，或者在做功率循环的时候周期性的调用；最终运算决定的电容阵列大小会被存贮在数字逻辑中的存储器单元；通过加入共模补偿电容C_m，第一放大器输入端的共模变化会减小到：

其中，ΔV_cm为共模电压变化，C_s0为传感器静态电容，C_m为共模补偿电容阵列，C_p为寄生电容，V_ref为参考电压。

所述sigmadelta调制器用以把电容的变化转换成为数字量；这种电容检测电路作为sigmadelta调制器的第一级前馈积分器直接把电容的变化转换成为数字量，如图6所示。

所述自校准电路与共模信号补偿电容形成低噪声模拟电容检测积分器，被用来当作sigmadelta调制器的第一级积分器；同随后的环路滤波器，模数转换器，数模转换器形成了一个紧致的、面积功耗优化的sigmadelta调制器，并被用来将MEMS检测平板的位移信号转换成数字信号如图5所示。

通过加入复位开关SW₀,电容检测电路由积分器模式转换为放大器模式，在自校准的时候被用于检测共模电容的变化，如图5所示。

所述电容检测电路还包括数字控制逻辑，用以逐次比较算法或者增量算法，用来自校准控制，会在共模电容C_m到达和C_s0相同的时候自动终止计算；这个过程本身在检测电容的启动相位时被调用，或者在做功率循环的时候周期性的调用；最终运算决定的电容阵列大小会被存贮在数字逻辑中的存储器单元，如图5所示。

实施例二

一种电容检测电路，所述电容检测电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路。

所述低噪声模拟电容检测电路用以检测电容(如MEMS结构的电容)，如图4所示。

所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；所述共模信号补偿电容在MEMS检查电路启动时，通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化，如图5所示。

通过加入共模补偿电容，第一放大器输入端的共模变化会减小到：低频增益会增高为： $G_0=\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·\frac{1}{C_p+2\·C_{s0}}\·V_{ref};$ 等效输入失调电容减少为： $C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{C_m}$

同传统Boxcar结构的低频增益相比，它们的差值为：

${\mathrm{\ΔG}}_0=\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·\left(\frac{1}{C_p+2\·C_{s0}}-\frac{C_p}{{\left(C_p+C_{s0}\right)}^2}\right)\·V_{ref}$

此差值总是正值，因而此电容检测电路可以获得更高的信号增益。

而对于等效输入失调电容，它会变成以下形式：

$C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{C_m}$

而传统Boxcar电容检测电路的等效输入失调电容为：

$C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_p}{C_p}$

寄生电容与工艺制程和封装打线相关，所以对于电路来说是一个无法控制的因素。通过加入共模补偿电容，传统Boxcar电容检测电路中寄生电容失调ΔC_p转换为共模补偿电容本身的失调ΔC_m，由于这个C_m电容失调在现代的IC工艺当中得到了很好的控制，因此输入等效失调电容可以减小并得到很好的控制。

通过加入复位开关SW₀,电容检测电路由积分器模式转换为放大器模式，在自校准的时候被用于检测共模电容的变化，如图5所示。

所述电容检测电路还包括数字控制逻辑，用以逐次比较算法或者增量算法，用来自校准控制，会在共模电容C_m到达和C_s0相同的时候自动终止计算；这个过程本身在检测电容的启动相位时被调用，或者在做功率循环的时候周期性的调用；最终运算决定的电容阵列大小会被存贮在数字逻辑中的存储器单元，如图5所示。

实施例三

一种电容传感电路，所述电容传感电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路和sigmadelta调制器。

所述低噪声模拟电容检测电路用以检测MEMS结构的电容(也可以用于检测其他电容传感器)，如图4所示。

所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；所述在MEMS检查电路启动时，通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化；第一放大器输入端的共模变化会减小到：低频增益会增高为： $G_0=\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·\frac{1}{C_p+2\·C_{s0}}\·V_{ref};$ 信噪比会增高为： $SNR=\frac{\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·V_{ref}\·\mathrm{\Δ}C}{\sqrt{S_0\·2}\·(C_p+2\·C_{s0})};$ 等效输入失调电容减少为： $C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{C_m},$ 如图5所示。

所述sigmadelta调制器用以把电容的变化转换成为数字量；这种电容检测电路作为sigmadelta调制器的前馈积分器直接把电容的变化转换成为数字量。

所述低噪声模拟电容检测电路的放大器模式可以通过去除开关SW₀来转换为积分器模式。此积分器被用来当作sigmadelta调制器的第一级积分器；同随后的环路滤波器，模数转换器，数模转换器形成了一个紧致的、面积功耗优化的sigmadelta调制器，并被用来将MEMS检测平板的位移信号转换成数字信号，如图6所示。

通过加入复位开关SW₀，低噪声模拟电容检测电路由积分器模式被转换为低噪声模拟电容检测放大器模式，在自校准的时候被用于检测共模电容的变化，如图5所示。

所述电容检测电路还包括数字控制逻辑，通过逐次比较算法或者增量算法，用来实现自校准控制算法，此算法会在共模补偿电容C_m到达和C_s0相同的时候自动终止计算；这个过程本身在此电容传感电路的启动相位是被调用，或者在做功率循环的时候周期性的调用；最终运算决定的电容阵列大小会被存贮在数字逻辑中的存储器单元，如图5所示。

实施例四

一种电容传感电路，所述电容传感电路包括电容检测电路、sigmadelta调制器；电容检测电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路。

所述低噪声模拟电容检测电路用以检测电容，如图4所示。

所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；所述共模信号补偿电容在检查电路启动时，通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化，如图5所示。

所述sigmadelta调制器用以把电容的变化转换成为数字量，如图6所示。

综上所述，本发明提出的电容检测电路及电容传感电路，具有更高的信号增益，更高的信噪比以及更小的等效输入失调电容。。这种电容检测电路随后作为sigmadelta调制器的前馈积分器直接把电容的变化转换成为数字量。通过这种方式，不再需要一个独立的前馈积分器，由此实现了低功耗的同时也实现了高面积利用率的电路形式。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路，电容检测电路与sigmadelta调制器连接；

所述低噪声模拟电容检测电路用以检测MEMS结构的电容，包括一个由共模补偿电容C_m，传感器电容C_s0和ΔC以及开关SW₀～SW₅组成的开关电容电路，一个由第一放大器、第二放大器、放大电容C_L和开关SW₀组成的跨导式电容放大器；最终形成一个低噪声模拟电容检测电路的放大器模式，其低频增益为：

$G_0=\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·\frac{1}{C_p+2\·C_{s0}}\·V_{ref};$

等效输入信噪比为： $SNR=\frac{\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·V_{ref}\·\mathrm{\Δ}C}{\sqrt{S_0\·2}\·(C_p+2\·C_{s0})};$

等效输入失调电容为： $C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{C_m};$

其中，G₀为低频增益，C_s0为传感器静态电容，ΔC_s0为传感器静态电容失调，C_m为共模补偿电容阵列，ΔC_m为共模补偿电容失调，C_p为对地寄生电容，G_m为第一放大器跨阻，C_L为第二放大器反馈电容，ΔC为传感器电容变化信号，V_ref为参考电压，T_int为放大/积分时间，S₀为放大器等效输入噪声，C_os为等效输入失调电容，SNR为信噪比；

所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；通过在所述低噪声模拟电容检测电路上加入比较器和数字控制逻辑算法形成自校准电路以实现自动补偿；在MEMS检查电路启动时，通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化；其中数字控制逻辑算法，通过逐次比较算法或者增量算法，用实现自校准控制算法，所述自校准控制算法会在共模电容C_m到达和C_s0相同的时候自动终止计算；这个过程本身在检测电容的启动相位是被调用，或者在做功率循环的时候周期性的调用；最终运算决定的电容阵列大小会被存贮在数字逻辑中的存储器单元；通过加入共模补偿电容C_m，第一放大器输入端的共模变化会减小到：

其中，ΔV_cm为共模电压变化，C_s0为传感器静态电容，C_m为共模补偿电容阵列，C_p为寄生电容，V_ref为参考电压；

所述sigmadelta调制器用以把电容的变化转换成为数字量；这种电容检测电路作为sigmadelta调制器的第一级前馈积分器直接把电容的变化转换成为数字量；

所述低噪声模拟电容检测电路通过去除开关SW₀，由放大器模式转换为积分器模式；积分器被用来当作sigmadelta调制器的第一级积分器；同随后的环路滤波器、模数转换器、数模转换器形成了一个紧致的、面积功耗优化的sigmadelta调制器，并被用来将MEMS检测平板的位移信号转换成数字信号。

2.一种电容检测电路，其特征在于，所述电容检测电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路；

所述低噪声模拟电容检测电路用以检测电容；

所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；所述共模信号补偿电容；在检查电路启动时，或者在做功率循环时,通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化。

3.根据权利要求2所述的电容检测电路，其特征在于：

通过加入共模补偿电容，第一放大器输入端的共模变化会减小到：

${\mathrm{\ΔV}}_{cm}=V_{ref}\·\frac{C_{s0}-C_m}{C_p+C_{s0}+C_m};$ 低频增益会增高为： $G_0=\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·\frac{1}{C_p+2\·C_{s0}}\·V_{ref};$ 信噪比会增高为：

$SNR=\frac{\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·V_{ref}\·\mathrm{\Δ}C}{\sqrt{S_0\·2}\·(C_p+2\·C_{s0})};$ 等效输入失调电容减少为： $C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{C_m};$

其中，G₀为低频增益，C_s0为传感器静态电容，ΔC_s0为传感器静态电容失调，C_m为共模补偿电容阵列，ΔC_m为共模补偿电容失调，C_p为对地寄生电容，G_m为第一放大器跨阻，C_L为第二放大器反馈电容，ΔC为传感器电容变化信号，V_ref为参考电压，T_int为放大/积分时间，S₀为放大器等效输入噪声，C_os为等效输入失调电容，SNR为信噪比。

4.根据权利要求3所述的电容检测电路，其特征在于：

在所述低噪声模拟电容检测电路基础上，加入比较器与数字控制算法，在自校准的时候用于检测和补偿共模电容变化。所述电容检测电路还包括数字控制逻辑算法，通过逐次比较算法或者增量算法，用来实现自校准控制算法，此算法会在共模补偿电容阵列C_m到达和C_s0相同的时候自动终止计算；这个过程本身在检测电容的启动相位时被调用，或者在做功率循环的时候周期性的调用；最终运算决定的电容阵列大小会被存贮在数字逻辑中的存储器单元。

5.一种电容传感电路，其特征在于，所述电容传感电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路和sigmadelta调制器；

所述低噪声模拟电容检测电路用以检测MEMS结构的电容,通过加入共模补偿电容C_m，低频增益会增高为： $G_0=\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·\frac{1}{C_p+2\·C_{s0}}\·V_{ref},$ 信噪比会增高为： $SNR=\frac{\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·V_{ref}\·\mathrm{\Δ}C}{\sqrt{S_0\·2}\·(C_p+2\·C_{s0})};$ 等效输入失调电容减少为：

所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；所述在MEMS检查电路启动时，通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化；通过加入共模补偿电容，第一放大器输入端的共模变化会减小到： ${\mathrm{\ΔV}}_{cm}=V_{ref}\·\frac{C_{s0}-C_m}{C_p+C_{s0}+C_m};$

其中，G₀为低频增益，C_s0为传感器静态电容，ΔC_s0为传感器静态电容失调，C_m为共模补偿电容阵列，ΔC_m为共模补偿电容失调，C_p为对地寄生电容，G_m为第一放大器跨阻，C_L为第二放大器反馈电容，ΔC为传感器电容变化信号，V_ref为参考电压，T_int为放大/积分时间，S₀为放大器等效输入噪声，C_os为等效输入失调电容，SNR为信噪比；

所述sigmadelta调制器用以把电容的变化转换成为数字量；这种电容检测电路作为sigmadelta调制器的第一级前馈积分器直接把电容的变化转换成为数字量；

通过去除所述低噪声模拟电容检测电路复位开关SW₀，所述低噪声模拟电容检测电路由放大器模式转换为积分器模式，随后被用来作为sigmadelta调制器的第一级积分器；同随后的环路滤波器，模数转换器以及数模转换器形成了一个紧致的、面积功耗优化的sigmadelta调制器，并被用来将MEMS检测平板的位移信号转换成数字信号；

通过加入复位开关SW₀，低噪声模拟电容检测电路由积分器模式被转换为低噪声模拟电容检测放大器模式，在自校准的时候被用于检测共模电容的变化；

所述电容检测电路还包括数字控制逻辑，通过逐次比较算法或者增量算法，用来实现自校准控制算法，此算法会在共模补偿电容C_m到达和C_s0相同的时候自动终止计算；这个过程本身在此电容传感电路的启动相位是被调用，或者在做功率循环的时候周期性的调用；最终运算决定的电容阵列大小会被存贮在数字逻辑中的存储器单元。

6.一种电容传感电路，其特征在于，所述电容传感电路包括电容检测电路、sigmadelta调制器；电容检测电路包括低噪声模拟电容检测电路、共模信号补偿电容、自校准电路；

所述低噪声模拟电容检测电路用以检测电容；

所述自校准电路与共模信号补偿电容连接，用以补偿所述低噪声模拟电容检测电路本身共模电压的变化；所述共模信号补偿电容在检查电路启动时，或者在周期性功率循环时，通过自校准电路自动寻找电容平衡点，补偿共模电压的变化；

所述sigmadelta调制器用以把电容的变化转换成为数字量。

7.根据权利要求6所述的电容传感电路，其特征在于：

通过加入共模补偿电容，第一放大器输入端的共模变化会减小到：

${\mathrm{\ΔV}}_{cm}=V_{ref}\·\frac{C_{s0}-C_m}{C_p+C_{s0}+C_m};$ 低频增益增高为： $G_0=\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·\frac{1}{C_p+2\·C_{s0}}\·V_{ref};$ 信噪比会增高为：

$SNR=\frac{\frac{G_m}{C_L}\·T_{\mathrm{int}}\·V_{ref}\·\mathrm{\Δ}C}{\sqrt{S_0\·2}\·(C_p+2\·C_{S0})};$ 等效输入失调电容减少为： $C_{os}={\mathrm{\ΔC}}_{s0}+C_{s0}\·\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{C_m};$

其中，G₀为低频增益，C_s0为传感器静态电容，ΔC_s0为传感器静态电容失调，C_m为共模补偿电容阵列，ΔC_m为共模补偿电容失调，C_p为对地寄生电容，G_m为第一放大器跨阻，C_L为第二放大器反馈电容，ΔC为传感器电容变化信号，V_ref为参考电压，T_int为放大/积分时间，S₀为放大器等效输入噪声，C_os为等效输入失调电容，SNR为信噪比。

8.根据权利要求6所述的电容传感电路，其特征在于：

这种电容检测电路作为sigmadelta调制器的前馈积分器直接把电容的变化转换成为数字量。

9.根据权利要求6所述的电容传感电路，其特征在于：

所述自校准电路与共模信号补偿电容形成低噪声模拟电容检测积分器，被用来当作sigmadelta调制器的第一级积分器；同随后的环路滤波器、模数转换器、数模转换器形成了一个紧致的、面积功耗优化的sigmadelta调制器，并被用来将检测平板的位移信号转换成数字信号。

10.根据权利要求6所述的电容传感电路，其特征在于：

通过加入复位开关SW₀,电容检测电路由积分器模式转换为放大器模式，在自校准的时候被用于检测共模电容的变化；

所述电容检测电路还包括数字控制逻辑，用以逐次比较算法或者增量算法，用来自校准控制，会在共模电容C_m到达和C_s0相同的时候自动终止计算；这个过程本身在检测电容的启动相位时被调用，或者在做功率循环的时候周期性的调用；最终运算决定的电容阵列大小会被存贮在数字逻辑中的存储器单元。