CN105651452B - 一种可调节零偏的压力传感器信号读出电路 - Google Patents

一种可调节零偏的压力传感器信号读出电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调节零偏的压力传感器信号读出电路，包括斩波稳定仪表放大器、模数转换器和连接在斩波稳定仪表放大器的输出端与模数转换器的输入端之间的开关电容放大器。开关电容放大器包括运算放大器G、第一采样电容C1A、第二采样电容C1B、第一放大电容C2A、第二放大电容C2B、第一斩波器CH1、第一开关K1A、第二开关K1B、第三采样电容C3A、第四采样电容C3B和第二斩波器CH2；第三采样电容C3A的一端连接至所述运算放大器G的正相输入端，第四采样电容C3B的一端连接至运算放大器G的反相输入端，第三采样电容C3A的另一端和第四采样电容C3B的另一端通过第二斩波器CH2与参考电压VREF连接。通过适当的电路配置可以达到调节零偏的目的。

Description

一种可调节零偏的压力传感器信号读出电路
技术领域
本发明属于集成电路领域，更具体地，涉及一种可调节零偏的压力传感器信号读出电路。
背景技术
压力传感器在消费、工业、汽车等领域有广泛应用。一个压力传感器一般由一个压力敏感器件和信号读出电路组成。该压力敏感器件产生一个和所测压强相关的一个微小电压，信号读出电路把这个微小电压转换成数字信号输出。图1所示为经典的压力传感器信号读出电路的一种实现方式，主要包括斩波稳定仪表放大器、开关电容放大器和模数转换器。斩波稳定仪表放大器放大压力敏感器件产生微小电压，其输出的高频分量被开关电容放大器滤除。模数转换器把开关电容放大器的输出电压转换成数字信号输出。
在一些特定应用中(比如气压高度计)，待测信号为30kPa-110kPa，典型的MEMS压力敏感器件产生几毫伏到几十毫伏的微小电压。该微小电压经过前级放大器的若干倍放大后产生一个几十毫伏到几百毫伏的电压，放大倍数由后级模数转换器所能接受的最大输入信号幅度决定。因为输入到模数转换器的只是一个正的差分电压，本可以接受负的差分电压输入的模数转换器的动态范围相当于损失了一半。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高精度、低噪声、可调节增益和零偏的压力传感器信号读出电路。
本发明提供了一种可调节零偏的压力传感器信号读出电路，包括斩波稳定仪表放大器、模数转换器和连接在斩波稳定仪表放大器的输出端与模数转换器的输入端之间的开关电容放大器。所述开关电容放大器包括运算放大器G、第一采样电容C1A、第二采样电容C1B、第一放大电容C2A、第二放大电容C2B、所述第一开关K1A、所述第二开关K1B、第三采样电容C3A、第四采样电容C3B和第二斩波器CH2；所述运算放大器G的正相输入端通过所述第一采样电容C1A与所述斩波稳定仪表放大器的输出负端连接，所述运算放大器G的反相输入端通过所述第二采样电容C1B与所述斩波稳定仪表放大器的输出正端连接；所述第一放大电容C2A连接在所述运算放大器G的正相输入端与所述运算放大器G的输出负端之间，所述第一开关K1A与所述第一放大电容C2A并联连接；所述第二放大电容C2B连接在所述运算放大器G的反相输入端与所述运算放大器G的输出正端之间，所述第二开关K1B与所述第二放大电容C2B并联连接；所述第三采样电容C3A的一端连接至所述运算放大器G的正相输入端，所述第四采样电容C3B的一端连接至所述运算放大器G的反相输入端，所述第三采样电容C3A的另一端和所述第四采样电容C3B的另一端通过所述第三开关K4与参考电压VREF连接。
更进一步地，所述第一开关K1A、所述第二开关K1B和所述第二斩波器CH2均采用同一个斩波时钟fCH控制。出于具体电路实现方式上的考虑，控制所述第一斩波器CH1、所述第二斩波器CH2、所述第一开关K1A、所述第二开关K1B的时钟的确切上升和下降沿可能会有些许相位差别，但本质它们上依然是同一种时钟。
更进一步地，在所述斩波时钟fCH的相位PH0，所述开关电容放大器对前级放大器的输出电压VO1,PH0＝A1*(VIN+VOS1)进行采样后的输出电压VO2,PH0＝A2*(A1*(VIN+VOS1)-VOS2)+A2,REF*(VREF-VOS2)；在所述斩波时钟fCH的相位PH1，所述斩波稳定仪表放大器的输出电压VO1,PH1＝A1*(-VIN+VOS1)，所述开关电容放大器工作在放大模式，且所述开关电容放大器的输出电压VO2,PH1＝A2*(VO1,PH1-VO1,PH0)+A2,REF*(VREF+VREF)＝-2*A2*A1*VIN+2*A2,REF*VREF；其中，VIN为压力传感器中的压力敏感器件的输出电压，VREF为辅助输入参考电压，A1为斩波稳定仪表放大器IA的增益，VOS1为斩波稳定仪表放大器IA的失调电压，A2为开关电容放大器对仪表放大器输入端的增益，A2,REF为开关电容放大器对辅助输入端的增益，VOS2为开关电容放大器中的运算放大器G的失调电压。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于适当地配置开关电容放大器的辅助输入把前述几十毫伏到几百毫伏的电压映射到从负几百毫伏到正几百毫伏的范围，模数转换器的动态范围得到充分使用，进而使得则斩波稳定仪表放大器的放大倍数可以配置得更大。通过适当配置A1、A2、A2,REF、VREF等参数实现前述的电压范围映射，可以达到调节零偏的目的，进而使得本发明提供的压力传感器信号读出电路具有高精度、低噪声和可调节增益和零偏的特点。
附图说明
图1为现有技术提供的压力传感器信号读出电路的原理图；
图2为本发明实施例提供的压力传感器信号读出电路的原理图；
图3为本发明实施例提供的压力传感器信号读出电路的工作时序示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出了一种高精度、低噪声、可调节增益和零偏的压力传感器信号读出电路。本发明电路主要包括一个斩波稳定仪表放大器，一个带辅助输入的开关电容放大器和一个模数转换器。
斩波稳定仪表放大器通过把其自身的低频噪声和失调电压调制到斩波频率来实现高精度、低噪声信号放大，其输出的调制到斩波频率的高频分量被开关电容放大器滤除。通过适当地配置开关电容放大器的辅助输入把前述几十毫伏到几百毫伏的电压映射到从负几百毫伏到正几百毫伏的范围，模数转换器的动态范围得到充分使用，进而使得则斩波稳定仪表放大器的放大倍数可以配置得更大。从模数转换的角度看，前级放大器的放大倍数越大，待测信号和模数转换器自身的噪声相比就越大，进而信号读出电路的信噪比就越大。
模数转换器的一种常见实现方式是Σ△模数转换器。相关辅助功能电路模块为电路的正常工作提供所需的偏置、校正和控制功能。
图2所示为本发明所提出的压力传感器信号读出电路的系统架构，本发明电路主要包括一个斩波稳定仪表放大器，一个带辅助输入的开关电容放大器、一个模数转换器。带辅助输入的开关电容放大器由运算放大器G、第一采样电容C1A、第二采样电容C1B、第一放大电容C2A、第二放大电容C2B、第一开关K1A、第二开关K1B、第三采样电容C3A、第四采样电容C3B和第二斩波器CH2组成。本发明所提出的压力传感器信号读出电路的输入为电压VIN，输出为数字信号DOUT。
图3通过工作时序来说明本发明所提出的压力传感器信号读出电路的工作原理。为叙述方便计，假设压力敏感器件的输出电压为VIN，辅助输入参考电压为VREF，斩波稳定仪表放大器IA的增益为A1，其失调电压为VOS1，开关电容放大器对仪表放大器输入端的增益为A2，对辅助输入端的增益为A2,REF，其运算放大器G的失调电压为VOS2。斩波时钟为fCH。在斩波时钟fCH的相位PH0，开关电容放大器对前级放大器的输出电压VO1,PH0＝A1*(VIN+VOS1)采样，其输出电压为：VO2,PH0＝A2*(A1*(VIN+VOS1)-VOS2)+A2,REF*(VREF-VOS2)。在斩波时钟fCH的相位PH1，斩波稳定仪表放大器的输出电压为：VO1,PH1＝A1*(-VIN+VOS1)，开关电容放大器工作在放大模式，其输出电压为：VO2,PH1＝A2*(VO1,PH1-VO1,PH0)+A2,REF*(VREF+VREF)＝-2*A2*A1*VIN+2*A2,REF*VREF。通过适当配置A1、A2、A2,REF、VREF等参数实现前述的电压范围映射，可以达到调节零偏的目的：比如，假设A1＝5，A2＝2，A2,REF＝1，VREF＝1V，则VO2,PH1＝-20*VIN+2(V)。模数转换器在fCH的相位PH1对VO2,PH1采样并进行模数转换。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可调节零偏的压力传感器信号读出电路，包括斩波稳定仪表放大器和模数转换器，其特征在于，还包括连接在所述斩波稳定仪表放大器的输出端与所述模数转换器的输入端之间的开关电容放大器；
所述开关电容放大器包括运算放大器G、第一采样电容C1A、第二采样电容C1B、第一放大电容C2A、第二放大电容C2B、第一开关K1A、第二开关K1B、第三采样电容C3A、第四采样电容C3B和第二斩波器CH2；
所述运算放大器G的正相输入端通过所述第一采样电容C1A与所述斩波稳定仪表放大器的输出负端连接，所述运算放大器G的反相输入端通过所述第二采样电容C1B与所述斩波稳定仪表放大器的输出正端连接；
所述第一放大电容C2A连接在所述运算放大器G的正相输入端与所述运算放大器G的输出负端之间，所述第一开关K1A与所述第一放大电容C2A并联连接；
所述第二放大电容C2B连接在所述运算放大器G的反相输入端与所述运算放大器G的输出正端之间，所述第二开关K1B与所述第二放大电容C2B并联连接；
所述第三采样电容C3A的一端连接至所述运算放大器G的正相输入端，所述第四采样电容C3B的一端连接至所述运算放大器G的反相输入端，所述第三采样电容C3A的另一端和所述第四采样电容C3B的另一端通过所述第二斩波器CH2与参考电压VREF连接。
2.如权利要求1所述的压力传感器信号读出电路，其特征在于，连接在斩波稳定仪表放大器的输出端与模数转换器的输入端之间的开关电容放大器具有一个参考电压VREF，开关电容放大器中的第二斩波器CH2对所述参考电压VREF进行斩波调制。
3.如权利要求2所述的压力传感器信号读出电路，其特征在于，所述第二斩波器CH2、所述第一开关K1A、所述第二开关K1B均由同一个斩波时钟fCH控制，在所述斩波时钟fCH的相位PH0，所述开关电容放大器对前级放大器的输出电压VO1,PH0＝A1*(VIN+VOS1)进行采样后的输出电压VO2,PH0＝A2*(A1*(VIN+VOS1)-VOS2)+A2,REF*(VREF-VOS2)；
在所述斩波时钟fCH的相位PH1，所述斩波稳定仪表放大器的输出电压VO1,PH1＝A1*(-VIN+VOS1)，所述开关电容放大器工作在放大模式，且所述开关电容放大器的输出电压VO2,PH1＝A2*(VO1,PH1-VO1,PH0)+A2,REF*(VREF+VREF)＝-2*A2*A1*VIN+2*A2,REF*VREF；
其中，VIN为压力传感器中的压力敏感器件的输出电压，VREF为辅助输入参考电压，A1为斩波稳定仪表放大器的增益，VOS1为斩波稳定仪表放大器的失调电压，A2为开关电容放大器对斩波稳定仪表放大器输入端的增益，A2,REF为开关电容放大器对辅助输入端的增益，VOS2为开关电容放大器中的运算放大器G的失调电压。
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