CN107246890A - 电容式传感器检测电路及双采样斩波级联结构 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种电容式传感器检测电路及双采样斩波级联结构，所述传感器检测电路包括：电容式传感器、电荷‑电压转换器、双采样‑斩波级联结构、模数转换器ADC、数字滤波器；所述电荷‑电压转换器用于将电容的电荷变化转换成电压变化，双采样‑斩波级联结构包括斩波结构CHS，斩波结构CHS用于将非线性中的偶次项调制到斩波频率处，模数转换器ADC用于将模拟信号转换成数字信号，数字滤波器用于滤除高频调制偶次非线性项，从而获得高线性度。本发明提出的电容式传感器检测电路，可提供与闭环式电荷‑电压转换器相近的线性度，并且比传统的开环式电荷‑电压转换器更好的噪声特性以及更低的零漂失调，实现高线性度、低噪声、低零漂失调。

Description

电容式传感器检测电路及双采样斩波级联结构
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及一种电容式传感器检测电路，尤其涉及一种高线性度低噪声低零漂失调电容式传感器检测电路；同时，本发明还设计一种双采样斩波级联结构。
背景技术
传统的闭环式电荷-电压转换器，具有较好的线性度，但是由于其使用的宽带放大器缺乏足够的抗混叠滤波，因而噪声较差。传统的开环式电荷-电压转换器，由于内建抗混叠滤波具有较好的噪声特性，但是由于放大器输入变化较大，因而线性度较差，并且由于不同相位间跨导存在失配，会引入额外的失调电压以及相应的零漂。
传统的电容式传感器检测电路，一般包括一个用于将电容电荷变化转换成电压信号的电荷-电压转换器，一个ADC用于将模拟信号转换成数字信号，一个数字滤波器用于对信号做进一步处理。
传统的闭环式电荷-电压转换器来将电容变化转换为电压变化。传统的闭环式电荷-电压转换器使用一个宽带放大器(OPA)构成一个电荷-电容反馈电路，此宽带放大器一般具有很短的相应时间以及高直流增益，并由此获得整个电荷-电压转换器对环境影响的低敏感度。如图2所示，一个电压方波施加于传感器节点PM上，把从由传感器电容传递过来的电荷转换为电压信号，并使得差分输出信号的幅度正比于传感器的电容变化。
宽带放大器(OPA)在电路内部被配置成闭环的形式，因而此种转换器可以获得很高的线性度。但由于此种转换器缺乏必要的抗混叠滤波，宽带噪声被采样操作积分到信号所处的基带，会带入了较大的等效输入噪声，以及相应的信噪比衰减。
传统的开环式电荷-电压转换器内建抗混叠滤波，减少了宽带噪声折叠效应，因此比闭环式电荷-电压转换器具有更好的噪声特性。一般来说这种转换器还会加入一组相关双采样开关用于滤除低频噪声，如图3所示，电路在Φ1相位对电容进行复位(RST)，在CDS的第一个周期Φ2对放大器(OPA)的低频噪声和失调电压进行积分，在CDS的第二个周期同时对信号和放大器低频噪声/失调电压进行积分，最后对这次积分值相减去除放大器的低频噪声和失调电压。
如图3所示，此种类型的电荷-电压转换器，由于放大器(OPA)被配置为开环结构，特别是在传感器输入信号较大的时候，其输入差分对M1和M2的输入端电压会发生比较大的电压变化，因此影响此种转换器的线性度。此种电荷-电压转换器的输出电压可以用以下公式表述：
其中的非线性部分为：
其中α1为放大器等效输入跨导，α3为输入差分对(M1/M2)跨导的三阶非线性项，vin为差分对输入电压，vos为差分对失调电压，当前CMOS工艺的失调电压vos一般在5～10mV量级，所以这种结构会存在较大的二阶失调项。
这种类型的电荷-电压转换器，其输入共模电压在CDS的两个相邻周期Φ2和Φ3之间会发生比较大的变化，此共模输入电压变化值可以用公式表示为：
其中Cs0是传感器静态电容，Cp是传感器输出对地寄生电容，Vpm是传感器电容公共节点(PM)上的电压变化。由于这种共模电压的变化，会噪声输入差分对(M1/M2)的跨导(gm)在CDS的两个相邻周期发生较大的变化，而泄露出一部分失调电压和低频噪声。这两种非理想的泄露都可以用下面公式表述。
其中，vos_leak为转换器的等效输入失调泄露，是转换器的等效输入低频噪声泄露。gm1是相关双采样(CDS)第一个相位Φ2输入差分对的等效跨导，gm1是相关双采样(CDS)第二个相位Φ3输入差分对的等效跨导。vos为差分对输入失调电压，是差分对等效输入低频噪声。在共模输入不变的情况下，gm1＝gm2，因此不会有泄露，但当输入共模电压发生变化时，失调电压和低频噪声都有一部分泄露。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种电容式传感器检测电路，可提供与闭环式电荷-电压转换器相近的线性度，并且比传统的开环式电荷-电压转换器更好的噪声特性以及更低的零漂失调，实现了高线性度、低噪声、低零漂失调。
此外，本发明还提供一种双采样斩波级联结构，可提供与闭环式电荷-电压转换器相近的线性度，并且比传统的开环式电荷-电压转换器更好的噪声特性以及更低的零漂失调，实现了高线性度、低噪声、低零漂失调。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种电容式传感器检测电路，所述传感器检测电路包括：电容式传感器、电荷-电压转换器、双采样-斩波级联结构、模数转换器ADC、数字滤波器；
所述电荷-电压转换器用于将电容的电荷变化转换成电压变化，双采样-斩波级联结构包括斩波结构CHS，斩波结构CHS用于将非线性中的偶次项调制到斩波频率处，模数转换器ADC用于将模拟信号转换成数字信号，数字滤波器用于滤除高频调制偶次非线性项，从而获得高线性度。
作为本发明的一种优选方案，所述双采样-斩波级联结构还包括双采样结构CDS，双采样结构CDS用于消除部分低频电路噪声；所述斩波结构CHS还用于进一步将残留的低频电路噪声调制到斩波频率处；数字滤波器还用于滤除被调制到斩波频率出的低频噪声，从而获得低噪声。
作为本发明的一种优选方案，所述双采样-斩波级联结构还包括双采样结构CDS，双采样结构CDS用于消除部分电路失调电压；所述斩波结构CHS还用于进一步将残留的低频电路噪声调制到斩波频率处；数字滤波器还用于滤除被调制到斩波频率处的失调电压，从而获得更小的零漂失调。
作为本发明的一种优选方案，所述电荷-电压转换器通过双采样-斩波级联结构分别连接电容式传感器、模数转换器ADC，模数转换器ADC连接数字滤波器；
所述双采样-斩波级联结构包括双采样结构、斩波结构；双采样结构包括第一组双采样开关，斩波结构包括第一组斩波开关、第二组斩波开关，电荷-电压转换器包括运算放大器OPA，复位开关SW1，复位开关SW2，积分电容Ci；第一组斩波开关、第二组斩波开关分别连接运算放大器OPA的输入端、输出端；第二组斩波开关的输出连接第一组双采样开关的输入，第一组双采样开关的输出连接模数转换器ADC的输入。
作为本发明的一种优选方案，所述电荷-电压转换器通过双采样-斩波级联结构分别连接电容式传感器、模数转换器ADC，模数转换器ADC连接数字滤波器；
所述双采样-斩波级联结构包括双采样结构、斩波结构；双采样结构包括第一组双采样开关，斩波结构包括第一组斩波开关、第二组斩波开关，电荷-电压转换器包括运算放大器OPA，复位开关SW1，复位开关SW2，积分电容Ci；
所述第一组双采样开关、第二组斩波开关通过一组开关实现，通过开关切换电路切换开关控制信号实现各自的功能；
所述第一组斩波开关、第二组斩波开关分别连接运算放大器OPA的输入端、输出端；第二组斩波开关的输出连接模数转换器ADC的输入。
一种双采样斩波级联结构，所述双采样斩波级联结构包括斩波结构CHS、双采样结构CDS：
所述斩波结构CHS用于将非线性中的偶次项调制到斩波频率处；所述双采样结构CDS用于消除部分电路失调电压；所述斩波结构CHS还用于进一步将残留的低频电路噪声调制到斩波频率处。
作为本发明的一种优选方案，所述双采样斩波级联结构包括双采样结构、斩波结构；双采样结构包括第一组双采样开关，斩波结构包括第一组斩波开关、第二组斩波开关；第一组斩波开关、第二组斩波开关分别连接电荷-电压转换器的运算放大器OPA的输入端、输出端；第二组斩波开关的输出连接第一组双采样开关的输入，第一组双采样开关的输出连接模数转换器ADC的输入。
作为本发明的一种优选方案，所述双采样斩波级联结构包括双采样结构、斩波结构；双采样结构包括第一组双采样开关，斩波结构包括第一组斩波开关、第二组斩波开关；
所述第一组双采样开关、第二组斩波开关通过一组开关实现，通过开关切换电路切换开关控制信号实现各自的功能；
所述第一组斩波开关、第二组斩波开关分别连接电荷-电压转换器的运算放大器OPA的输入端、输出端；第二组斩波开关的输出连接模数转换器ADC的输入。
本发明的有益效果在于：本发明提出的电容式传感器检测电路，可提供与闭环式电荷-电压转换器相近的线性度，并且比传统的开环式电荷-电压转换器更好的噪声特性以及更低的零漂失调，实现高线性度、低噪声、低零漂失调。
附图说明
图1为电容式传感器检测电路的电路示意图。
图2为传统闭环式电荷-电压转换器的电路示意图。
图3为开环式电荷-电压转换器的电路示意图。
图4为相关双采样-斩波级联电荷-电压转换器的电路示意图。
图5为另外一种相关双采样-斩波级联结构的电路示意图。
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4，本发明揭示了一种电容式传感器检测电路，包括电容式传感器、电路部分；电路部分包括电荷-电压转换器，相关双采样-斩波级联结构，模数转换器(ADC)和数字滤波器。其中电荷-电压转换器用于将电容的电荷变化转换成电压变化，双采样-斩波级联结构中的斩波结构(CHS)用于将非线性中的偶次项调制到斩波频率处，ADC用于将模拟信号转换成数字信号，而数字滤波器用于滤除高频调制偶次非线性项，从而获得高线性度。
所述电荷-电压转换器通过双采样-斩波级联结构分别连接电容式传感器、模数转换器ADC，模数转换器ADC连接数字滤波器。
所述双采样-斩波级联结构包括双采样结构、斩波结构；双采样结构包括第一组双采样开关，斩波结构包括第一组斩波开关、第二组斩波开关，电荷-电压转换器包括运算放大器OPA；第一组斩波开关、第二组斩波开关分别连接运算放大器OPA的输入端、输出端；第二组斩波开关的输出连接第一组双采样开关的输入，第一组双采样开关的输出连接模数转换器ADC的输入。
如图4所示，在相关双采样开关之前，放大器的输入和输出端分别加入了一对斩波开关，斩波频率fch一般可设置为n倍(n≥2)的相关双采样频率(fch＝n·fcds)。在一般电路中的斩波开关是用于消除电路低频噪声和输入失调电压，而此发明中的斩波开关主要用于提高电路线性度，减少由于共模变化引起的失调泄露和低频噪声泄露。以(fch＝2·fcds)为例，其原理表述如下:
一、提高电荷-电压转换器线性度
连续相邻两次转换器等效输出电压可以表述为
其中α1为放大器等效输入跨导，α3为输入差分对(M1/M2)跨导的三阶非线性项，vin为差分对输入电压，vos为差分对失调电压，τ为积分周期，Ci为积分电容。当这两次信号通过后续的平均滤波器后，输出电压可以表述为：
其中的非线性部分可以表述为：
可以看到相比传统开环式电荷-电压转换器，输出电压中的二阶非线性因子被消除，此发明提供的电荷-电压转换器具有更好的线性度。
二、减少等效输入失调电压泄露
连续相邻两次转换器等效输入失调电压可以表述为
gm1是相关双采样(CDS)第一个相位Φ2输入差分对的等效跨导，gm2是相关双采样(CDS)第二个相位Φ3输入差分对的等效跨导。vos为差分对输入失调电压。当这两次信号通过后续的平均滤波器后，输入失调电压泄露可以表述为：
可以看到相比传统开环式电荷-电压转换器，等效输入失调电压的泄露部分被完全消除，此发明提供的电荷-电压转换器具有更低的输入失调电压，以及相应更好的零漂失调。
三、减少等效输入低频噪声泄露
连续相邻两次转换器等效输入低频噪声可以表述为
gm1是相关双采样(CDS)第一个相位Φ2输入差分对的等效跨导，gm2是相关双采样(CDS)第二个相位Φ3输入差分对的等效跨导。为差分对等效输入低频噪声。当这两次信号通过后续的平均滤波器后，等效输入低频噪声泄露可以表述为：
可以看到相比传统开环式电荷-电压转换器，等效输入低频噪声的泄露部分被完全消除，此发明提供的电荷-电压转换器具有更低的噪声。
实施例二
请参阅图5，本发明揭示了一种电容式传感器检测电路，包括一个电容式传感器、电路部分；电路部分包括一个电荷-电压转换器，一个相关双采样-斩波级联结构，一个模数转换器(ADC)和一个数字滤波器。其中电荷-电压转换器用将电容的电荷变化转换成电压变化，双采样-斩波级联结构中的相关双采样结构(CDS)用于消除部分低频电路噪声，双采样-斩波级联结构中的斩波结构(CHS)用于进一步将残留的低频电路噪声调制到斩波频率处，ADC用于将模拟信号转换成数字信号，而数字滤波器用于滤除被调制到斩波频率出的低频噪声，从而获得低噪声。
实施例三
本发明揭示了一种电容式传感器检测电路，包括一个电容式传感器、电路部分；电路部分包括一个电荷-电压转换器，一个相关双采样-斩波级联结构，一个模数转换器(ADC)和一个数字滤波器。其中电荷-电压转换器用将电容的电荷变化转换成电压变化，双采样-斩波级联结构中的相关双采样结构(CDS)用于消除部分电路失调电压，双采样-斩波级联结构中的斩波结构(CHS)用于进一步将残留的低频电路噪声调制到斩波频率处，ADC用于将模拟信号转换成数字信号，而数字滤波器用于滤除被调制到斩波频率处的失调电压，从而获得更小的零漂失调。
实施例四
一种双采样斩波级联结构，所述双采样斩波级联结构包括斩波结构CHS、双采样结构CDS：
所述斩波结构CHS用于将非线性中的偶次项调制到斩波频率处；所述双采样结构CDS用于消除部分电路失调电压；所述斩波结构CHS还用于进一步将残留的低频电路噪声调制到斩波频率处。
综上所述，本发明提出的电容式传感器检测电路，可提供与闭环式电荷-电压转换器相近的线性度，并且比传统的开环式电荷-电压转换器更好的噪声特性以及更低的零漂失调，实现了高线性度、低噪声、低零漂失调。
本发明用于提高电容式传感器的线性度；将偶次非线性项调制到斩波频率处，然后由后级滤波器将此高频非线性项滤除，最终获得高线性度。
本发明同时用于提高电容式传感器的零漂失调；将泄露出的零漂失调调制到斩波频率处，然后由后级滤波器将此零漂失调滤除，最终获得低零漂失调。
此外，本发明用于提高电容式传感器的零漂失调；将泄露出的低频噪声调制到斩波频率处，然后由后级滤波器将此低频噪声滤除，最终获得低噪声以及低零漂失调。
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 (8)

1.一种电容式传感器检测电路，其特征在于，所述传感器检测电路包括：电容式传感器、电荷-电压转换器、双采样-斩波级联结构、模数转换器ADC、数字滤波器；
所述电荷-电压转换器用于将电容的电荷变化转换成电压变化，双采样-斩波级联结构包括斩波结构CHS，斩波结构CHS用于将非线性中的偶次项调制到斩波频率处，模数转换器ADC用于将模拟信号转换成数字信号，数字滤波器用于滤除高频调制偶次非线性项，从而获得高线性度。
2.根据权利要求1所述的电容式传感器检测电路，其特征在于：
所述双采样-斩波级联结构还包括双采样结构CDS，双采样结构CDS用于消除部分低频电路噪声；所述斩波结构CHS还用于进一步将残留的低频电路噪声调制到斩波频率处；数字滤波器还用于滤除被调制到斩波频率出的低频噪声，从而获得低噪声。
3.根据权利要求1所述的电容式传感器检测电路，其特征在于：
所述双采样-斩波级联结构还包括双采样结构CDS，双采样结构CDS用于消除部分电路失调电压；所述斩波结构CHS还用于进一步将残留的低频电路噪声调制到斩波频率处；数字滤波器还用于滤除被调制到斩波频率处的失调电压，从而获得更小的零漂失调。
4.根据权利要求1所述的电容式传感器检测电路，其特征在于：
所述电荷-电压转换器通过双采样-斩波级联结构分别连接电容式传感器、模数转换器ADC，模数转换器ADC连接数字滤波器；
所述双采样-斩波级联结构包括双采样结构、斩波结构；双采样结构包括第一组双采样开关，斩波结构包括第一组斩波开关、第二组斩波开关，电荷-电压转换器包括运算放大器OPA，复位开关SW1，复位开关SW2，积分电容Ci,；第一组斩波开关、第二组斩波开关分别连接运算放大器OPA的输入端、输出端；第二组斩波开关的输出连接第一组双采样开关的输入，第一组双采样开关的输出连接模数转换器ADC的输入。
5.根据权利要求1所述的电容式传感器检测电路，其特征在于：
所述电荷-电压转换器通过双采样-斩波级联结构分别连接电容式传感器、模数转换器ADC，模数转换器ADC连接数字滤波器；
所述双采样-斩波级联结构包括双采样结构、斩波结构；双采样结构包括第一组双采样开关，斩波结构包括第一组斩波开关、第二组斩波开关，电荷-电压转换器包括运算放大器OPA，复位开关SW1，复位开关SW2，积分电容Ci；
所述第一组双采样开关、第二组斩波开关通过一组开关实现，通过开关切换电路切换开关控制信号实现各自的功能；
所述第一组斩波开关、第二组斩波开关分别连接运算放大器OPA的输入端、输出端；第二组斩波开关的输出连接模数转换器ADC的输入。
6.一种双采样斩波级联结构，其特征在于，所述双采样斩波级联结构包括斩波结构CHS、双采样结构CDS：
所述斩波结构CHS用于将非线性中的偶次项调制到斩波频率处；所述双采样结构CDS用于消除部分电路失调电压；所述斩波结构CHS还用于进一步将残留的低频电路噪声调制到斩波频率处。
7.根据权利要求6所述的双采样斩波级联结构，其特征在于：
所述双采样斩波级联结构包括双采样结构、斩波结构；双采样结构包括第一组双采样开关，斩波结构包括第一组斩波开关、第二组斩波开关；第一组斩波开关、第二组斩波开关分别连接电荷-电压转换器的运算放大器OPA的输入端、输出端；第二组斩波开关的输出连接第一组双采样开关的输入，第一组双采样开关的输出连接模数转换器ADC的输入。
8.根据权利要求6所述的双采样斩波级联结构，其特征在于：
所述双采样斩波级联结构包括双采样结构、斩波结构；双采样结构包括第一组双采样开关，斩波结构包括第一组斩波开关、第二组斩波开关；
所述第一组双采样开关、第二组斩波开关通过一组开关实现，通过开关切换电路切换开关控制信号实现各自的功能；
所述第一组斩波开关、第二组斩波开关分别连接电荷-电压转换器的运算放大器OPA的输入端、输出端；第二组斩波开关的输出连接模数转换器ADC的输入。
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