CN108153359A - 传感装置 - Google Patents

Abstract

一种传感装置具有电荷泵、微机电传感器、源极跟随器与可程序化增益放大器；微机电传感器电性连接电荷泵；源极跟随器电性连接微机电传感器；可程序化增益放大器的输入端电性连接源极跟随器；电荷泵用以提供泵浦电压；微机电传感器用以依据环境变化产生输入电压；源极跟随器用以依据泵浦电压产生跟随参考电压，源极跟随器用以依据输入电压产生跟随输入电压；可程序化增益放大器依据跟随参考电压与跟随输入电压产生双端差动输出电压。本发明的传感装置，源极跟随器与可程序化增益放大器分别具有双端输出，且源极跟随器的其中一路输出依据泵浦电压而产生，使相关电路具有更佳的电源电压抑制比。

Description

传感装置

技术领域

本发明涉及一种传感装置，尤其涉及一种源极跟随器为双端输出的传感装置。

背景技术

微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是一种将微电子技术与机械工程融合的一种工业技术。微机电系统的大小一般在微米(micrometer，μm)到毫米(micrometer，mm)之间。微机电统一般是由类似于生产半导体的技术制造而成。其中，包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻与电火花加工等等。

目前常见的微机电系统通常会具有源极跟随器(source follower)与可程序化增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)以调整信号增益与传输阻抗。但以往所使用的源极跟随器都为单端输出，使得可程序增益放大器的电源电压抑制比(power supplyrejection ratio，PSRR)无法提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种源极跟随器为双端差动输出的传感装置，以进一步提高可程序化增益放大器的电源电压抑制比。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种传感装置，所述的传感装置具有电荷泵、微机电传感器、源极跟随器与可程序化增益放大器；电荷泵用以提供泵浦电压；微机电传感器电性连接电荷泵；源极跟随器电性连接微机电传感器；可程序化增益放大器的输入端电性连接源极跟随器；微机电传感器用以依据环境变化产生输入电压；源极跟随器用以依据泵浦电压产生跟随参考电压，源极跟随器用以依据输入电压产生跟随输入电压；可程序化增益放大器依据跟随参考电压与跟随输入电压产生双端差动输出电压。

更好地，该源极跟随器包括：一第一晶体管，该第一晶体管的第一端用以接收一第一基准电压，该第一晶体管的第二端电性连接一第一输出端，该第一晶体管的控制端用以接收一控制电压；一第二晶体管，该第二晶体管的第一端电性连接该第一晶体管的第二端，该第二晶体管的第二端用以接收一第二基准电压，该第二晶体管的控制端用以接收该输入电压；一第三晶体管，该第三晶体管的第一端用以接收该第一基准电压，该第三晶体管的第二端电性连接一第二输出端，该第三晶体管的控制端用以接收该控制电压；以及一第四晶体管，该第四晶体管的第一端电性连接该第三晶体管的第二端，该第四晶体管的第二端用以接收该第二基准电压，该第四晶体管的控制端用以接收一模拟电压；其中，该模拟电压关联于该微机电传感器依据该泵浦电压所产生的输出电压，该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管与该第四晶体管同为N型晶体管或同为P型晶体管。

更好地，该第四晶体管的控制端电性连接一电容的一端，该电容的另一端用以接收该泵浦电压；其中，该微机电传感器具有一自然状态与一侦测状态，当该微机电传感器处于该自然状态时，该微机电传感器具有一等效电容，该电容的电容值等于该等效电容。

更好地，该源极跟随器包括一第一偏压单元与一第二偏压单元，该第一偏压单元的一端电性连接该第二晶体管的控制端，该第一偏压单元的另一端用以接收该第二基准电压，该第二偏压单元的一端电性连接该第四晶体管的控制端，该第二偏压单元的另一端用以接收该第二基准电压。

更好地，该第一偏压单元包括一第一二极管与一第二二极管，该第二偏压单元包括一第三二极管与一第四二极管，该第一二极管的阳极与该第二二极管的阴极电性连接该第二晶体管的控制端，该第一二极管的阴极与该第二二极管的阳极用以接收该第二基准电压，该第三二极管的阳极与该第四二极管的阴极电性连接该第四晶体管的控制端，该第三二极管的阴极与该第四二极管的阳极用以接收该第二基准电压。

更好地，该第一二极管、该第二二极管、该第三二极管与该第四二极管为多晶硅二极管。

更好地，该源极跟随器包含一第五晶体管与一第六晶体管，该第五晶体管的第一端用以接收该第一基准电压，该第五晶体管的第二端用以接收一参考电压，该第五晶体管的控制端用以接收该控制电压，该第六晶体管的第一端用以接收该参考电压，该第六晶体管的第二端用以接收该第二基准电压，该第六晶体管的控制端用以接收该第二基准电压。

更好地，该第一晶体管的通道宽长比大于该第五晶体管的通道宽长比，且该第三晶体管的通道宽长比大于该第五晶体管的通道宽长比，该第一晶体管的通道宽长比等于该第三晶体管的通道宽长比。

更好地，该第一晶体管的通道宽长比为该第五晶体管的通道宽长比的整数倍，且该第三晶体管的通道宽长比为该第五晶体管的通道宽长比的整数倍。

更好地，该源极跟随器包含一运算放大器，该运算放大器的第一输入端用以接收该参考电压，该运算放大器的第二输入端电性连接该第五晶体管的第二端与该第六晶体管的第一端，该运算放大器的输出端电性连接该第五晶体管的控制端、该第一晶体管的控制端与该第三晶体管的控制端。

综合以上所述，本发明提供了一种传感装置，传感装置至少包含有源极跟随器与可程序化增益放大器。其中，源极跟随器与可程序化增益放大器分别具有双端输出，且源极跟随器的其中一路输出依据泵浦电压而产生。由此，得以使相关电路具有更佳的电源电压抑制比。

以上记载内容说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明权利要求保护范围更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明一实施例的传感装置的功能方块图；

图2为本发明一实施例源极跟随器的电路示意图；

图3为本发明一实施例可程序化增益放大器的电路示意图。

【附图标记说明】

1 传感装置

12 电荷泵

13 电平参考电路

14 微机电传感器

15 偏压产生电路

16 源极跟随器

162、164 偏压单元

18 可程序化增益放大器

C 电容

D1～D4 二极管

GND 第二基准电压

NI1、NI2、NO、NOI1、NOI2、NSI1、NSI2、NSO1、NSO2、NI3、NI4、NO3、NO4 端点

OP1、OP2 运算放大器

R1～R4 电阻

T1～T6 晶体管

VIN 输入电压

VIN_SF 跟随输入电压

VCM 跟随参考电压

VC 控制电压

VCP 泵浦电压

VDD 第一基准电压

VREF 参考电压

VSIM 模拟电压

VON、VOP 输出电压

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域普通技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所记载的内容、权利要求保护范围及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

图1为本发明一实施例的传感装置的功能方块图。如图1所示，传感装置1具有电荷泵12(charge pump)、微机电传感器14、源极跟随器16与可程序化增益放大器18。微机电传感器14电性连接电荷泵12。源极跟随器16电性连接微机电传感器14。可程序化增益放大器18的输入端电性连接源极跟随器16。

电荷泵12用以提供泵浦电压VCP。微机电传感器14用以依据环境变化与泵浦电压VCP产生输入电压VIN。于一实施例中，微机电传感器14具有自然状态与侦测状态，而当微机电传感器14处于自然状态时，微机电传感器14具有一等效电容值。在一个实际的例子当中，微机电传感器14例如用以侦测音频。当微机电传感器14未用以收音时，微机电传感器14处于自然状态，且微机电传感器14具有所述的等效电容值。而当微机电传感器14用以收音时，微机电传感器14处于侦测状态，微机电传感器14的等效电容值随着收到的音频变动。后续以微机电传感器14用以侦测音频的实施例进行说明，然实际上并不以此为限。

源极跟随器16具有第一输入端NSI1、第二输入端NSI2、第一输出端NOI1与第二输出端NOI2。第一输入端NSI1用以接收输入电压VIN。第二输入端NSI2用以接收泵浦电压VCP。源极跟随器16用以依据输入电压VIN产生跟随输入电压VIN_SF于第一输出端NOI1。且源极跟随器16用以依据泵浦电压VCP产生跟随参考电压VCM于第二输出端NOI2。

可程序化增益放大器18具有双端输入端与双端输出端。可程序化增益放大器18的双端输入端分别电性连接源极跟随器16的输出端NO1、NO2。可程序化增益放大器18依据跟随输入电压VIN_SF与跟随参考电压VCM产生输出电压VON、VOP。

于实务上，传感装置1例如具有电平参考电路13(bandgap，或称为带隙基准电路)与偏压产生电路15。电平参考电路13分别电性连接电荷泵12与偏压产生电路15。偏压产生电路15电性连接源极跟随器16与放大器18。电平参考电路13用以提供一相对精准的系统参考电压给电荷泵12与偏压产生电路15。电荷泵12用以依据此系统参考电压产生泵浦电压VCP，偏压产生电路15用以依据此系统参考电压提供电压给源极跟随器16与可程序化增益放大器18。电平参考电路13与偏压产生电路15的相关细节为本领域普通技术人员经详阅本说明书后可以依实际所需自由设计，于此并不多加赘述。

请参照图2以对源极跟随器16进行更具体的说明，图2为本发明一实施例源极跟随器的电路示意图。如图2所示，源极跟随器16至少具有第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3与第四晶体管T4。第一晶体管T1的第一端用以接收第一基准电压VDD。第一晶体管T1的第二端电性连接第一输出端NOI1。第一晶体管的控制端用以接收控制电压VC。第二晶体管T2的第一端电性连接第一晶体管T1的第二端。第二晶体管T2的第二端用以接收第二基准电压GND。第二晶体管T2的控制端用以接收输入电压VIN。第三晶体管T3的第一端用以接收第一基准电压VDD。第三晶体管T3的第二端电性连接第二输出端NOI2。第三晶体管T3的控制端用以接收控制电压VC。第四晶体管T4的第一端电性连接第三晶体管T3的第二端。第四晶体管T4的第二端用以接收第二基准电压GND。第四晶体管T4的控制端用以接收模拟电压VSIM。

其中，模拟电压VSIM关联于微机电传感器14依据泵浦电压VCP所产生的输出电压。第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3与第四晶体管T4同为N型晶体管或同为P型晶体管。在此实施例中，第一基准电压VDD例如为系统中一个相对高的电压电平，第二基准电压GND例如为系统中一个相对低的电压电平，且第一基准电压VDD高于第二基准电压GND。

于图2所示的实施例中，源极跟随器16具有电容C。电容C的第一端电性连接第四晶体管T4的控制端。电容C的第二端用以接收泵浦电压VCP。依据泵浦电压VCP以及电容耦合效应，模拟电压VSIM产生于电容C的第一端。如前述的，微机电传感器14例如具有自然状态与侦测状态。电容C的电容值实质上等于微机电传感器14于自然状态时所具有的等效电容。从另一个角度来说，经由电容C的电容耦合效应，模拟电压VSIM可等效于微机电传感器14于自然状态下依据泵浦电压VCP所提供的输出电压。

另一方面，于图2所示的实施例中，源极跟随器16具有第五晶体管T5与第六晶体管T6。第五晶体管T5的第一端用以接收第一基准电压VDD。第五晶体管T5的第二端用以接收参考电压VREF。第五晶体管T5的控制端用以接收控制电压VC。第六晶体管T6的第一端用以接收参考电压VREF。第六晶体管T6的第二端用以接收第二基准电压GND。第六晶体管T6的控制端用以接收第二基准电压GND。其中，第六晶体管T6例如用以做为电流源，以依据参考电压VREF与第二基准电压GND产生相应的电流。第五晶体管T5用以与第一晶体管T1及第三晶体管T3分别组成电流镜，以将流经第六晶体管T6的电流以适当的倍率映射至第一晶体管T1与第三晶体管T3。

在一实施例中，第一晶体管T1的通道宽长比大于第五晶体管T5的通道宽长比，且第三晶体管T3的通道宽长比大于第五晶体管T5的通道宽长比。第一晶体管T1的通道宽长比须相等于第三晶体管T3的通道宽长比。于一更具体的例子中，第一晶体管T1的通道宽长比为第五晶体管T5的通道宽长比的整数倍，且第三晶体管T3的通道宽长比为第五晶体管T5的通道宽长比的整数倍。第一晶体管T1、第三晶体管T3与第五晶体管T5的通道宽长比相对大小为本领域普通技术人员经详阅本说明书后得依实际所需自由径行设计，在此并不加以限制。

此外，于图2所示的实施例中，源极跟随器16具有运算放大器OP1。运算放大器OP1具有第一输入端NI1、第二输入端NI2与输出端NO。运算放大器OP1的第一输入端NI1用以接收参考电压VREF。运算放大器OP1的第二输入端NI2电性连接第五晶体管T5的第二端与第六晶体管T6的第一端。运算放大器OP1的输出端NO电性连接第五晶体管T5的控制端、第一晶体管T1的控制端与第三晶体管T3的控制端。由于运算放大器OP1的虚短路特性，参考电压VREF被提供至第五晶体管T5的第二端与第六晶体管T6的第一端。

此外，源极跟随器16具有第一偏压单元162与第二偏压单元164。第一偏压单元162的一端电性连接第二晶体管T2的控制端。第一偏压单元162的另一端用以接收第二基准电压GND。第二偏压单元164的一端电性连接第四晶体管T4的控制端。第二偏压单元164的另一端用以接收第二基准电压GND。需注意的是，第一偏压单元162与第二偏压单元164为一选择性的设计，源极跟随器16并不一定需要设置有第一偏压单元162与第二偏压单元164。当源极跟随器16以如图2的方式设置第一偏压单元162与第二偏压单元164时，可防止第二晶体管T2的控制端接收到超过默认范围的电压，或可防止第四晶体管T4的控制端接收到超过默认范围的电压。

在此实施例中，第一偏压单元162具有第一二极管D1与第二二极管D2。第二偏压单元164具有第三二极管D3与第四二极管D4。第一二极管D1的阳极与第二二极管D2的阴极电性连接第二晶体管D2的控制端。第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极用以接收第二基准电压GND。第三二极管D3的阳极与第四二极管D4的阴极电性连接第四晶体管D4的控制端。第三二极管D3的阴极与第四二极管D4的阳极用以接收第二基准电压GND。其中，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3与第四二极管D4为多晶硅二极管(poly-silicondiode)。

图3为本发明一实施例可程序化增益放大器的电路示意图。如图3所示，可程序化增益放大器18具有运算放大器OP2、电阻R1～R4。运算放大器OP2具有第一输入端NI3、第二输入端NI4、第一输出端NO3与第二输出端NO4。电阻R1的两端分别电性连接第一输入端NI3与第一输出端NO3。电阻R3的两端分别电性连接第二输入端NI4与第二输出端NO4。电阻R2的一端电性连接第一输入端NI3，电阻R2的另一端用以接收跟随输入电压VIN_SF。电阻R4的一端电性连接第二输入端NI4，电阻R4的另一端用以接收跟随参考电压VIN_SF。可程序增益放大器18依据跟随输入电压VIN_SF与跟随参考电压VIN_SF产生第一输出电压VON于第一输出端NO3，且可程序增益放大器18依据跟随输入电压VIN_SF与跟随参考电压VIN_SF产生第二输出电压VOP于第二输出端NO4。在此实施例中，电阻R1的电阻值相同于电阻R3的电阻值，电阻R2的电阻值相同于电阻R4的电阻值，但不以此为限。

综合以上所述，本发明提供了一种传感装置，传感装置至少包含有源极跟随器与可程序化增益放大器。其中，源极跟随器与可程序化增益放大器分别具有双端输出，源极跟随器的其中一路输出依据泵浦电压而产生。在一实施例中，泵浦电压为电荷泵所提供的电压，并同时借助于一电容值相等于微机电传感器的等效电容值的电容模拟出共模电压。由此，得以使相关电路具有更佳的电源电压抑制比。

Claims (10)

1.一种传感装置，其特征在于，包括：

一电荷泵，用以提供一泵浦电压；

一微机电传感器，电性连接该电荷泵，该微机电传感器用以依据环境变化产生一输入电压；

一源极跟随器，电性连接该微机电传感器，该源极跟随器用以依据该泵浦电压产生一跟随参考电压，该源极跟随器用以依据该输入电压产生一跟随输入电压；以及

一可程序化增益放大器，该可程序化增益放大器的输入端电性连接该源极跟随器，该可程序化增益放大器依据该跟随参考电压与该跟随输入电压的差值产生双端差动输出电压。

2.如权利要求1所述的传感装置，其特征在于，该源极跟随器包括：

一第一晶体管，该第一晶体管的第一端用以接收一第一基准电压，该第一晶体管的第二端电性连接一第一输出端，该第一晶体管的控制端用以接收一控制电压；

一第二晶体管，该第二晶体管的第一端电性连接该第一晶体管的第二端，该第二晶体管的第二端用以接收一第二基准电压，该第二晶体管的控制端用以接收该输入电压；

一第三晶体管，该第三晶体管的第一端用以接收该第一基准电压，该第三晶体管的第二端电性连接一第二输出端，该第三晶体管的控制端用以接收该控制电压；以及

一第四晶体管，该第四晶体管的第一端电性连接该第三晶体管的第二端，该第四晶体管的第二端用以接收该第二基准电压，该第四晶体管的控制端用以接收一模拟电压；

其中，该模拟电压关联于该微机电传感器依据该泵浦电压所产生的输出电压，该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管与该第四晶体管同为N型晶体管或同为P型晶体管。

3.如权利要求2所述的传感装置，其特征在于，该第四晶体管的控制端电性连接一电容的一端，该电容的另一端用以接收该泵浦电压；

其中，该微机电传感器具有一自然状态与一侦测状态，当该微机电传感器处于该自然状态时，该微机电传感器具有一等效电容，该电容的电容值等于该等效电容。

4.如权利要求2所述的传感装置，其特征在于，该源极跟随器包括一第一偏压单元与一第二偏压单元，该第一偏压单元的一端电性连接该第二晶体管的控制端，该第一偏压单元的另一端用以接收该第二基准电压，该第二偏压单元的一端电性连接该第四晶体管的控制端，该第二偏压单元的另一端用以接收该第二基准电压。

5.如权利要求4所述的传感装置，其特征在于，该第一偏压单元包括一第一二极管与一第二二极管，该第二偏压单元包括一第三二极管与一第四二极管，该第一二极管的阳极与该第二二极管的阴极电性连接该第二晶体管的控制端，该第一二极管的阴极与该第二二极管的阳极用以接收该第二基准电压，该第三二极管的阳极与该第四二极管的阴极电性连接该第四晶体管的控制端，该第三二极管的阴极与该第四二极管的阳极用以接收该第二基准电压。

6.如权利要求5所述的传感装置，其特征在于，该第一二极管、该第二二极管、该第三二极管与该第四二极管为多晶硅二极管。

7.如权利要求2所述的传感装置，其特征在于，该源极跟随器包含一第五晶体管与一第六晶体管，该第五晶体管的第一端用以接收该第一基准电压，该第五晶体管的第二端用以接收一参考电压，该第五晶体管的控制端用以接收该控制电压，该第六晶体管的第一端用以接收该参考电压，该第六晶体管的第二端用以接收该第二基准电压，该第六晶体管的控制端用以接收该第二基准电压。

8.如权利要求7所述的传感装置，其特征在于，该第一晶体管的通道宽长比大于该第五晶体管的通道宽长比，且该第三晶体管的通道宽长比大于该第五晶体管的通道宽长比，该第一晶体管的通道宽长比等于该第三晶体管的通道宽长比。

9.如权利要求8所述的传感装置，其特征在于，该第一晶体管的通道宽长比为该第五晶体管的通道宽长比的整数倍，且该第三晶体管的通道宽长比为该第五晶体管的通道宽长比的整数倍。

10.如权利要求7所述的传感装置，其特征在于，该源极跟随器包含一运算放大器，该运算放大器的第一输入端用以接收该参考电压，该运算放大器的第二输入端电性连接该第五晶体管的第二端与该第六晶体管的第一端，该运算放大器的输出端电性连接该第五晶体管的控制端、该第一晶体管的控制端与该第三晶体管的控制端。