CN108966099A - 激励电路、包括激励电路和电容性换能器的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括电容性换能器、激励电路和测量电路。所述激励电路被配置成激励所述电容性换能器，且所述测量电路响应于激励电压测量来自所述电容性换能器的输出信号。所述激励电路包括：电压源，所述电压源用于响应于接收到供电电压而提供第一电压；耦合到所述电压源的电压生成器，所述电压生成器用于接收所述第一电压且生成大于所述供电电压的第二电压；以及控制电路，所述控制电路耦合到所述电压源和所述电压生成器。所述控制电路被配置成将系统接地、所述第一电压和所述第二电压中的任一个提供到所述电容性换能器的第一和第二端，且具体地说，被配置成施加呈具有相反极性的两个连续刺激形式的所述系统接地和所述第二电压。

Description

激励电路、包括激励电路和电容性换能器的系统及方法
技术领域
本发明大体上涉及微机电系统(MEMS)换能器装置的领域。更具体地说，本发明涉及一种产生用于电容性换能器的双差分激励信号的高压激励电路。
背景技术
近年来，微机电系统(MEMS)技术已经实现广泛普及，因为它提供了一种制造极小的机械结构且使用常规分批半导体处理技术将这些结构与电气装置在单个基板上集成的方式。MEMS的一个常见应用是MEMS换能器的设计和制造。例如电容性传感器装置等微机电系统(MEMS)换能器用于广泛范围的应用中的消费型电子装置，所述应用例如游戏、增强现实、导航等等。由于这些消费型装置常常是由电池供电的，因此对于此类电容性换能器的开发者的挑战是找出此类装置的噪声与电力的最优平衡点。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于电容性换能器的激励电路，包括：
电压源，所述电压源被配置成响应于接收到供电电压而提供第一电压；
耦合到所述电压源的电压生成器，所述电压生成器被配置成接收所述第一电压且产生大于所述供电电压的第二电压；以及
耦合到所述电压源且耦合到所述电压生成器的控制电路，所述控制电路被配置成将系统接地、所述第一电压和所述第二电压中的任一个提供到所述电容性换能器的第一端和第二端，所述控制电路被配置成将呈具有相反极性的两个连续刺激形式的所述系统接地和所述第二电压施加到所述第一和第二端。
在一个或多个实施例中，所述电压源包括被配置成接收所述源电压且输出不大于所述供电电压的所述第一电压的电压调节器，和/或所述电压源包括被配置成接收所述源电压且输出所述第一电压的充电泵，所述第一电压的值大于所述供电电压。
在一个或多个实施例中，所述电压源包括被配置成接收所述源电压且输出所述第一电压的充电泵，所述第一电压的值大于所述供电电压。
在一个或多个实施例中，所述电压生成器包括被配置成通过使所述第一电压倍增而生成所述第二电压的倍压器，和/或所述电压生成器包括被配置成输出所述第二电压的充电泵。
在一个或多个实施例中，所述控制电路被配置成在第一时间瞬间处经由所述电容性换能器的所述第一端将所述第二电压作为所述两个连续刺激中的第一刺激施加到所述电容性换能器的第一电容器；且
所述控制电路被进一步配置成在第二时间瞬间处经由所述第二端将所述第二电压作为所述两个连续刺激中的第二刺激施加到所述电容性换能器的第二电容器，所述第二瞬间在所述第一瞬间之后。
在一个或多个实施例中，所述控制电路被进一步配置成经由所述第二端将所述系统接地施加到所述第二电容器，同时所述第二电压被施加到所述第一电容器，且被配置成经由所述第一端将所述系统接地施加到所述第一电容器，同时所述第二电压被施加到所述第二电容器。
在一个或多个实施例中，所述第二电压和所述系统接地布置在所述第一电压的相反侧上且与所述第一电压等距定位。
在一个或多个实施例中，所述电容性换能器包括加速度计。
在一个或多个实施例中，所述第二电压被配置成用于所述电容性换能器的电容器的电激励，其中所述第二电压包括随所述第二电压的量值增加而增加的第一噪声贡献；
所述电容性换能器耦合到测量电路的第一级，其中所述第一级将第二噪声贡献强加到来自所述电容性换能器的输出信号上，所述第二噪声贡献随所述第二电压的所述量值增加而减少；且
所述第二电压被配置成所述第一噪声贡献大致等于所述第二噪声贡献的值。
根据本发明的第二方面，提供一种系统，包括：
电容性换能器；
与所述电容性换能器电耦合的激励电路，其中所述激励电路是根据本文中所公开的任何所述的激励电路，所述激励电路被配置成激励所述电容性换能器；以及
测量电路，所述测量电路与所述电容性换能器电耦合以用于响应于所述第二电压测量来自所述电容性换能器的输出信号。
在一个或多个实施例中，所述测量电路被配置成在第一瞬间期间对所述输出信号的第一输出分量采样且在第二瞬间期间对所述输出信号的第二输出分量采样，所述第二输出分量的极性与所述第一输出分量相反。
在一个或多个实施例中，所述测量电路被配置成使所述第二输出分量的所述极性反转，且其中在使所述第二输出分量的所述极性反转之后，所述测量电路被进一步配置成对所述第一和第二输出分量求和，其中对所述输出信号的所述第一和第二输出分量的求和大体上消除了所述第一和第二输出分量中的每一个中的错误信号。
根据本发明的第三方面，提供一种使用包括电容性换能器的系统来测量加速度的方法，所述电容性换能器包括连接到第一端的第一电容器和连接到第二端的第二电容器，其中所述方法包括：
响应于接收到的供电电压实施电压源以提供第一电压；
生成大于所述供电电压的第二电压；
在第一时间瞬间处，经由所述第一端将所述第二电压作为第一刺激施加到所述第一电容器，且同时经由所述第二端将系统接地施加到所述第二电容器，其中所述第二电压和所述系统接地布置在所述第一电压的相反侧上且与所述第一电压等距；
在所述第一瞬间期间，响应于所述第二电压对所述电容性传感器装置的第一输出分量采样；
在所述第一时间瞬间之后的第二时间瞬间处，将所述第二电压作为第二刺激施加到所述第二电容器，且同时将所述系统接地施加到所述第一电容器；
在所述第二瞬间期间，响应于所述第二电压对所述电容性传感器装置的第二输出分量采样；
使所述第二输出分量的极性反转；以及
在所述反转之后，对所述第一和第二输出分量求和以产生指示所述加速度的输出信号，其中所述求和大体上消除了所述第一和第二输出分量中的每一个中的错误信号。
在一个或多个实施例中，所述第二电压包括随所述第二电压的量值增加而增加的第一噪声贡献，所述电容性换能器耦合到测量电路的第一级，所述第一级将第二噪声贡献强加到所述输出信号上，所述第二噪声贡献随所述第二电压的所述量值增加而减少，且其中所述方法进一步包括在所述生成之前将所述第二电压限定为所述第一噪声贡献大致等于所述第二噪声贡献的值。
在一个或多个实施例中，所述生成操作包括使所述第一电压倍增以产生所述第二电压。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
附图用来另外示出各种实施例且解释根据本发明的所有各种原理和优点，在附图中类似附图标记贯穿不同的视图指代相同的或功能类似的元件，各图未必按比例绘制，附图与下文的具体实施方式一起并入本说明书且形成本说明书的部分。
图1以简化和代表性形式示出微机电系统(MEMS)电容性换能器的俯视图；
图2示出可包括MEMS电容性换能器的系统的实施例的框图；
图3示出图2的系统的一部分的电路图；
图4示出例示关于来自图2的系统的输出信号的信噪比(SNR)的噪声贡献与激励电压的曲线；且
图5以简化和代表性形式示出图2的系统的激励电路的切换特征；
图6示出例示图2的系统的信号序列的图；且
图7示出根据另一实施例的加速度测量过程的流程图。
具体实施方式
本文中所描述的各种实施例可提供用于产生用于例如微机电系统(MEMS)电容性加速度计等电容性换能器的完全差分激励电压的设备、系统和方法。更具体地说，实施呈激励电路形式的设备，所述设备包括用于产生大于供电电压的激励信号的至少一个充电泵。呈具有相反极性的两个连续刺激(即，双差分激励信号)形式的激励电压被施加到电容性换能器。这种激励信号允许抵消来自模拟电路系统的偏移和闪烁噪声，与此同时增加电容感测系统的灵敏度。因此，可就管芯大小和电力而言在适中成本下大大提高系统的信噪比(SNR)性能。下文提供的描述涉及呈MEMS电容性加速度计形式的电容性换能器。然而，应了解，下文描述的各实施例可推广到其它电容性换能器、电路和组件，例如麦克风、陀螺仪等。
提供本公开以另外通过能够实现的方式对在应用时制造和使用根据本发明的各种实施例的最佳模式进行解释。另外提供本公开以加强对本发明的创造性原理及优点的理解和了解，而不是以任何方式限制本发明。本发明仅通过所附权利要求书限定，所述所附权利要求书包括在发布的本申请和那些权利要求的所有等效物的悬而未决期间进行的任何修正。
应理解，例如第一和第二、顶部和底部等等相关术语(如果存在的话)的使用仅用于区分实体或动作，而未必要求或意指在此类实体或动作之间的任何实际此种关系或次序。
现在参考图1，图1以简化和代表性形式示出微机电系统(MEMS)电容性换能器20的俯视图。在此例子中，电容性换能器20是MEMS电容性加速度计。由此，电容性换能器20可替换的是在本文中可被称为加速度计20。
加速度计20大体上包括与基板26隔开且通过弹簧元件28可移动地耦合到基板26的第一可移动质量22和第二可移动质量24。在此例子中，弹簧元件28实现第一可移动质量22和第二可移动质量24在大体上平行于三维坐标系中的Y轴30的方向上的平移运动。也就是说，弹簧元件28实现第一可移动质量22和第二可移动质量24响应于在大体上平行于Y轴30的方向上强加于加速度计的标记为AY的加速力32的平移运动。
可根据某些电极之间的电容变化检测第一可移动质量22和第二可移动质量24响应于加速力32的平移运动。借助于例子，加速度计20包括机械耦合到基板26但与基板26电隔离的固定电极34。可移动电极36耦合到第一可移动质量22和第二可移动质量24且与固定电极34成交替布置安放。在此类型的结构中，电荷通过在加速度计20的第一端40与第二端42之间施加的标记为VEX的差分激励电压38注入到加速度计20中。在此图示中，第一端40被标记为VFX_A且第二端被标记为VEX_B。激励电压38是电压的量值，即，连接到第一端40和第二端42的最小电压与最大电压之间的电压差。第一端40接收相对于共模电压的电压阶跃且第二端接收相对于共模电压的电压阶跃。在此类系统中，共模电压通常是将连接到第一端40和第二端42的最小电压与最大电压之间的电压的一半(即，激励电压的一半)。此外，第一可移动质量22和第二可移动质量24还连接到共模电压。因此，当不发生激励测量时，第一可移动质量22和第二可移动质量24可与第一端40和第二端42处于同一电压。
平行板电容器44、46、48、50有效地形成于固定电极34与可移动电极36之间。也就是说，固定电极34与可移动电极36表示平行板且电容器间隙52因此形成于其间。施加到加速度计20的激励电压38对电容器44、46、48、50充电且此电荷可收集在下游电路系统(下文论述)中。更具体地说，电压阶跃可经由第一端40施加以对电容器44、48充电且电压阶跃可经由第二端42施加以对电容器46、50充电。
当第一可移动质量22和第二可移动质量24响应于加速力32而移动时，电容器间隙52的宽度发生变化，这继而使电容器44、46、48、50的电容(分别标记为C1A、C1B、C2A、C2B)发生变化。第一可移动质量22和第二可移动质量24与加速力32的量值相称地移动，使得加速力32的量值越大，第一可移动质量22和第二可移动质量24将朝向极端位置移动地越多且来自加速度计20的差分电荷输出将越大。借助于例子，根据与第一可移动质量22相关联的电容器44、46的电容C1A、C1B之间的差产生加速度计20的第一输出节点56处的第一电容54。也就是说，第一输出节点56连接到电容C1A、C1B两者，且在激励电压38的激励下，电容C1A、C1B之间的差产生第一输出节点56处的差分电荷。类似地，根据与第二可移动质量24相关联的电容器48、50的电容C2A、C2B之间的差产生加速度计20的第二输出节点60处的第二电容58。也就是说，第二输出节点60连接到电容C2A、C2B两者，且在激励电压38的激励下，电容C2A、C2B之间的差产生第二输出节点60处的差分电荷。因此，加速度计20的净最大电容性变化或灵敏度可如下表示：
C1＝C1A-C1B (1)
C2＝C2A-C2B (2)
CS＝C1+C2 (3)
在以上等式中，CS表示加速度计20在满刻度下的总差分电容性变化。因此，CS表示加速度计20的灵敏度。在例子中，电容性加速度计20的满刻度差分电容性变化可大致为72fF(72x10-15法拉)。如下文将显著更详细地论述，加速度计20具有电子电路系统，所述电子电路系统将这些电容性变化(例如，C1和C2)转化成指示平行于Y轴30的加速力32的信号。
电容性加速度计20出于说明性目的而在本文中提供。应理解，电容性换能器的一个或多个可移动质量可包含能够单轴或多轴感测的大量形状和配置。此外，为简单说明起见示出很少固定和可移动电极。本领域的技术人员将认识到，固定和可移动电极的数量和/或配置可根据特定设计而改变。实际上，尽管固定和可移动电极为简单说明起见而表示为在可移动质量的外部，但大量固定和可移动电极在可移动质量的内部以便在包装应力和冲击震动方面更加鲁棒。再者，尽管本文中论述了电容性加速度计20，但下文描述的各实施例可推广到其它电容性换能器、电路和组件，例如麦克风、陀螺仪等。
图2示出包括MEMS电容性换能器的系统62的实施例的框图。在此实施例中，MEMS电容性换能器可以是图1的电容性加速度计20。然而，在替代实施例中，广泛多种电容性换能器可实施在系统62内。
在此例子中，系统62包括被配置成激励加速度计20的激励电路64和用于测量由激励产生的结果的测量电路66。激励电路64和加速度计20被电耦合以将充电泵电压67，VPUMP、参考电压68和系统接地70从激励电路64传达到加速度计20。如下文将显著更详细地论述，激励电压38是充电泵电压67与系统接地70之间的差分电压，如由图2中的表示充电泵电压67和系统接地70的互连件之间的双向箭头指示。另外，加速度计20和测量电路66被电耦合以将激励结果，例如，第一电容54(作为第一差分电荷分量)和第二电容58(作为第二差分电荷分量)从加速度计20传达到测量电路66。
测量电路66大体上包括信号链，所述信号链用于处理来自加速度计20的第一电容54和第二电容58以产生表示加速力32(图1)的信号。信号链的第一级包括电容-电压转换器级72，其在本文中简称为C2V，所述电容-电压转换器级72从加速度计20接收第一电容54和第二电容58且将其转化成第一级模拟输出电压73，VST1。信号链的第二级是连接到C2V 72的输出端的增益级74，GAIN。增益级74接收第一级模拟输出电压73且使其放大以产生第二级模拟输出电压75，VOUT。增益级74之后是斩波电路76，CHOPPER，所述斩波电路76产生模拟输出电压78，VO。斩波电路76之后是模/数转换器80，ADC。ADC 80将模拟输出电压78转化成指示加速力32的数字代码82，ADCOUT。
现在同时参考图2和3，图3示出系统62的一部分的电路图。图3的电路图包括换能器，例如，加速度计20、C2V级72、增益级74、斩波电路76和ADC 80。
如先前所提及，激励电压由激励电压源生成。激励电压将对加速度计20的各种电容器44、46、48、50充电且将使差分电荷收集在C2V 72的反馈电容器84，CFB的内部。将在C2V72的输出端处发现的最大电压值VST1可如下估计：
使用等式(4)，可见从VEX到VST1的传递函数是CS/CFB。在现有技术例子中，VEX是0.8V，Cs是大致72fF，且C2V 72的两个反馈电容器84CFB的组合最大电容性电荷是大致600Ff。使用等式(4)，VST1＝(72/600)0.8＝0.096V。此外，传递函数CS/CFB是大致72/600＝0.12。
对不包括激励电路64的现有技术例子的噪声传递函数的分析揭示出初始噪声源是C2V 72的运算放大器86以及接收外部源电压且生成激励电压的电压源调节器。可存在其它噪声源，例如由于捕获在加速度计的腔内的气体分子以及对抗移动质量的震动所致的布朗噪声(等效于电气热噪声)。然而，这些其它噪声源与由C2V 72的放大器86以及供电电压调节器的激励缓冲器生成的电气噪声相比可以是可忽略的。
参考来自供电电压调节器的激励缓冲器的噪声传递函数，由于激励缓冲器将激励电压注入到加速度计20中，因此其注入的噪声额外经过同一传递函数而到达C2V 72的输出端(即，CS/CFB，其在此现有技术例子中可以是大致0.12)。
现在分析来自C2V 72的运算放大器86的噪声，由运算放大器86生成的整体噪声表示为放置在运算放大器86的输入端处的噪声源88，所述噪声源88中的每一个由图3上的星号表示。每个噪声源88具有输入参考噪声的一半的幅度VN/2，同时具有相对标记。输入参考噪声(例如，噪声源88)在运算放大器86的输出端处被传递且被放大。也就是说，运算放大器86的输入端处的电压的变化将导致存储在输入电容器中的电荷的变化。输入电容器包括套系到运算放大器86的输入端的所有电容器，其中大部分是寄生电容器CPARA。由于运算放大器86的输入端具有极高阻抗，通常由金属氧化物半导体(MOS)栅极制成，因此由输入电容器的电荷的变化所致的所有电流流动将导致反馈电容器84的电荷的同一变化。因此，C2V 72的输出端处的噪声电压VNOISE_OUT可表示为以下等式：
在等式(5)中，CPARA_TOT是总寄生电容，CFB是反馈电容器84的反馈电容，且VN是运算放大器86的输入端处的噪声。在具有典型寄生电容器值的情况下，由C2V 72生成的噪声可被放大6倍，即，CPARA_OUT/CFB+1＝6。使用此同一例子，两个噪声因子的比率是6/0.12＝50。此比率指示来自C2V 72的噪声与来自激励缓冲器的噪声相比被放大五十倍。出于低电力设计起见考虑，激励缓冲器和C2V 72设计有同一范围的偏置电流，以上等式揭示出为了优化系统62的信噪比(SNR)，应使用最大可能的激励电压。
现在对于测量电路66的信号链中的剩余组件，第二增益级74实现对有待由ADC 80采样的满刻度电压电平的微调。通常，目标满刻度电压电平应等于1V，从而使得例如在16g加速度感测模式下，等于16g的加速力32(图1)将产生ADC 80的输入端处的1V dc电平。可使用增益控制总线设定增益级74的增益。如图3中所示出，增益级74的增益G由以下等式给出：
在等式(6)中，CIN表示从增益级74的输入端到放大器求和节点的输入电容，且COUT表示来自增益级74的放大器输出求和节点的反馈电容。增益控制总线允许选择输入和输出电容器组值，这会将增益级74处的增益设定成产生例如1V的满刻度值的值。增益级74处的此微调可在最终测试时针对每个电容性换能器执行。
现在考虑增益级74的输出端，以下等式可针对模拟输出信号VOUT且针对噪声VNOISE_OUT导出如下：
等式(7)和(8)提供关于当激励电压VEX增加时发生的情况的了解。当激励电压增加时，由加速度计20产生的信号增加且设定第二增益级74的CIN/COUT比率可减小以维持同一满刻度电压电平，例如，1V。此情况的直接序列在于来自C2V级72的噪声将被减小相等的量。来自电压源调节器的激励缓冲器的噪声应与激励电压VEX一起增加，从而使得激励电压的噪声贡献相同。鉴于以上呈现的等式，ADC 80的输入端处的SNR的完整等式如下：
如可从等式(9)看出，增加激励电压VEX会成比例地提高信噪比SNR。也就是说，激励电压的增加实现第二增益级74的增益的减小(CIN/COUT)，从而得到更高SNR。
图4示出例示关于来自图2的系统的输出信号的信噪比(SNR)的噪声贡献与激励电压的曲线90。图表90具有表示激励电压VEX的递增值的水平轴线和表示对信号的噪声的竖直轴线。因此，图表90提供激励电压的增加对C2V级72(图2)的噪声贡献和对来自激励电压源的噪声贡献的效应的视觉表示。
在曲线90中，点划线92表示增益级74的程序化增益。因此，当激励电压增加时，增益级74的程序化增益92可减少。来自C2V级72的对SNR的噪声贡献表示为实线94。由于增益级74的程序化增益92减小，因此来自C2V级72的对SNR的噪声贡献94同样减少。当激励电压的量值增加时，相关联的噪声贡献同样增加同一量。然而，增益级74的增益的相等减少将产生激励电压的恒定噪声贡献，如由水平实线96表示。根据实施例，当C2V级72的噪声贡献94与激励电压源的噪声贡献96相交时达到激励电压38的最优值VEX-OPTIMUM。也就是说，最优激励电压38被配置成一定值，在所述值下激励电压源的噪声贡献96大致等于来自C2V级的噪声贡献94。
现在返回参考图2和3，在包括C2V级72和增益级74的模拟信号链中，可生成被称为DC偏移和闪烁噪声(1/f噪声)的信号错误。在斩波电路76处，对对应于相反极性中的电容性加速度计20的两次激励的具有相对标记的两个输出信号脉冲采样且将第二样本的标记调换成与第一样本具有同一标记。DC偏移和闪烁噪声(即，标记为VERROR的信号错误)对于两个脉冲相同。因此，当第二样本的标记被调换时，信号错误将具有相对标记。在斩波器76处添加两个输出信号样本导致从测量电路66的精确读出，如由以下等式表示：
VO＝VOUT1+VERROR+VOUT2-VERROR＝VOUT1+VOUT2 (10)
在等式(10)中，VO表示来自斩波器76的模拟输出信号，VOUT1表示第一信号输出样本，VOUT2表示第二信号输出样本，其中其标记被调换，且VERROR表示低频DC偏移和闪烁噪声。等式(10)揭示出当两个样本一起添加在斩波器76处以产生VO时，信号错误(例如，DC偏移和闪烁噪声)大体上会消除。信号错误(DC偏移和闪烁噪声)的消除条件性地发生在调制信号的时间点与解调信号的时间点之间。加速度信号在激励信号38处调制且在斩波器76处解调。加速度信号被测量两次，两次均伴随着两次反转(在激励电压38和斩波器76处)。尽管信号错误同样被测量两次，但其仅进行单次反转。因此，两个样本的总和产生等式(10)中表达的结果。
继续参考图2和3且根据实施例，激励电路64被实施来提供与以上噪声分析相称的激励电压且斩波器76被实施来实现测量电路66的模拟电路系统强加于输出信号的信号错误的消除。
用于例如加速度计20等电容性换能器的激励电路64包括电压源100、耦合到电压源100的电压生成器102以及连接到电压源100和电压生成器102的控制电路104。根据以上提供的分析，最优激励电压38(图4)可显著高于系统62的供电电压，对于低压、低电力系统尤其如此。因此，提供激励电路64以生成处于给出最高可能信噪比的电平下的激励电压。
在实施例中，电压源100可以是电压调节器106，所述电压调节器106被配置成从例如电池等外部电源接收供电电压108，VS。电压调节器106被另外配置成根据供电电压108产生第一电压(即，参考电压68，VREF)的恒定输出电平，第一电压的值不大于供电电压108。在另一实施例中，电压源100可以是充电泵110，所述充电泵110被配置成接收供电电压108且产生参考电压68，所述参考电压68的值大于供电电压108。
电压生成器102被配置成接收参考电压68且输出第二电压。电压生成器102可以是被配置成根据充电泵时钟112生成第二电压的充电泵。充电泵是通常利用串联电容器以根据需要增大DC源电压的电路。因此，在实施例中，电压生成器102生成值大于供电电压108的第二电压(即，充电泵电压67)。更具体地说，理想的充电泵可以是有效地使参考电压68的值倍增以产生充电泵电压67的倍压器。
控制电路104被配置成从电压源100接收参考电压68且从电压生成器102接收充电泵电压67。控制电路104被另外配置成将系统接地70、参考电压68和充电泵电压67中的任一个提供到高阻抗电容性换能器(例如，加速度计20)的第一端40和第二端42(图1)。激励序列控制信号114管理将信号提供到第一端40和第二端42的时序。根据激励序列控制信号114，在第一时间瞬间处，控制电路104被配置成将充电泵电压67提供到第一端40，同时接地70被施加到第二端42。在第一时间瞬间之后的第二瞬间处，控制电路104被配置成将充电泵电压67提供到第二端42，同时接地70被施加到第一端40。
因此，在第一时间瞬间处，正激励电压阶跃(激励电压38的一半)被施加到电容器44、50(图1)且负激励电压阶跃(激励电压38的另一半)被施加到电容器46、48(图1)。在第二时间瞬间处，正激励电压阶跃(激励电压38的一半)被施加到电容器46、48且负激励电压阶跃(激励电压38的另一半)被施加到电容器44、50。由此，呈具有相反极性的两个连续刺激(即，两个脉冲)形式的激励电压38被施加到加速度计20。
分别施加到第一端40和第二端42的正和负激励电压38应相对于参考电压68(即，共模电压)保持对称。也就是说，充电泵电压67和系统接地70布置在参考电压68的相反侧上且与参考电压68等距。例如加速度计20等电容性换能器在加速力32的影响下产生电容变化。然而，此类电容变化也可能是由于由不同施加电压在加速度计20内部生成的电场所致。由此，充电泵电压67和系统接地70相对于参考电压68的对称布置可减轻来自在加速度计20内部生成的电场的不利影响。
图5以简化和代表性形式示出激励电路64的控制电路104的切换特征116。切换特征116以高度简化形式设置以展示系统接地70、参考电压68和充电泵电压67中的任一个可根据由激励序列控件114提供的时序方案而提供到例如加速度计20(图1)等电容性换能器的第一端40和第二端42。
如所示出，第一切换元件118使得由充电泵102产生的充电泵电压67能够施加到第一端40和第二端42中的任一个且第二切换元件120使得系统接地70能够施加到第一端40和第二端42中的任一个。第三切换元件122和第四切换元件124使得参考电压68能够单独和/或同时施加到第一端40和第二端42。切换元件118、120、122、124表示广泛多种电气组件，所述电气组件可“接通”或“断开”电路，由此将充电泵电压67、参考电压68和系统接地70中的任一个提供到第一端40和第二端42。
图6示出例示系统62(图2)的信号序列的图126。图126表示一个测量循环。当然，功能系统将包括多个测量循环。如上文所提及，电压生成器102作为充电泵被实施以实现激励电压38增压到产生最高SNR的任何电平。对于给定参考电压68，VREF，最优方案需要有效地建立两个电压，即系统接地70(0V)和充电泵电压67(例如，两倍参考电压68，2*VREF)。系统接地70与充电泵电压67之间的差分电压产生激励电压38。然而，为了实现斩波器76(图2)的实施方案以便去除由测量电路66的模拟电路系统强加的信号错误(例如，DC偏移和闪烁噪声)，施加呈具有相反极性的两个连续刺激或脉冲形式的此高激励电压38。
图126的水平轴线表示时间。激励电路64的充电泵102(图2)接收参考电压68，且充电泵102根据充电泵时钟112(图2)有效地使参考电压68倍增以产生大于供电电压108(图2)的充电泵电压67。在相对于时间的第一瞬间128处，充电泵时钟112用信号通知充电泵102以生成充电泵电压67。随后，在第二时间瞬间130处，充电泵时钟112用信号通知充电泵102以再次生成充电泵电压67。
一般来说，充电泵使用切换装置以控制电压与能量存储电容器的连接。借助于例子，两级循环可用于从更低电压供应器生成更高脉冲电压。在循环的第一级132中，充电泵通常根据充电泵时钟(例如，充电泵时钟112)以两个交替相位操作。在时钟信号的前半周期期间，第一电容器(通常被称为飞跨电容器)在供电电压与接地之间充电。第二电容器(通常被称为槽路电容器)连接在充电泵输出端与接地之间。在时钟信号的后半周期期间，飞跨电容器连接在输出端与供电电压之间，由此将槽路电容器充电到更高电压。在第一级132期间的数个时钟周期之后，且当从槽路电容器无法汲取负载电流时，充电泵输出端处的电压收敛成更高电压(例如，两倍供电电压)。因此，在第一级132结束时，在一些配置中，供电电压可大致倍增(忽略泄漏影响)。在第二级134处，此倍增电压可以是可供加速度计20用作充电泵电压67。由于加速度计20(图1)纯粹是充电泵102的电容负载，因此仅在第一级132期间需要充电泵时钟112，直到充电泵102达到其目标电平，例如，充电泵电压67。随后，充电泵时钟112可停止。充电泵102的输出电平将保持在充电泵电压67下，直到需要另一输出电平。因此，在第一瞬间128和第二瞬间130中的每一个处，激励电压38可供例如加速度计20的负载用作系统接地70与充电泵电压67之间的差分电压。由于额外电力消耗仅发生在时钟循环的第一级期间，就电力消耗而言的系统成本可保持较低。此外，通过在第一级132之后切断充电泵102，可避免切换噪声对采样的加速度信号的潜在破坏。
所得激励脉冲示出为与第一端40，VEX_A和第二端42，VEX_B相关联。在第一瞬间128期间，充电泵电压67施加到第一端40，而系统接地70施加到第二端42。相反，在第二瞬间130期间，充电泵电压67施加到第二端42，而系统接地70施加到第一端40。因此，激励电压38(作为系统接地70与充电泵电压67之间的差分电压)作为具有相反极性的两个连续刺激而施加。在两种情形下，充电泵电压67和系统接地70布置在参考电压68(即，共模电压)的相反侧上且与参考电压68等距。在运用充电泵102实施的实施例中，充电泵电压可以是3.2V，负电压可以是0V，且参考电压可以是1.6V。参考电压68是系统稳定且不进行测量时的电压。
图126另外示出与第一瞬间128相关联的第一采样相位136和与第二瞬间130相关联的第二采样相位138。在第一采样相位136处，对输出信号78(图2)的第一输出分量采样。输出信号78的第一输出分量包括等式(10)的所要的信号VOUT1以及由于DC偏移和闪烁错误所致的一定量的信号错误VERROR。在第二采样相位138处，对输出信号78的第二输出分量采样。然而，输出信号78的第二输出分量的极性与输出信号78的第一输出分量相反。因此，在斩波器76的输入端处，输出信号78的第二输出分量包括所要的信号-VOUT2。输出信号的第二输出分量还包括由于DC偏移和闪烁错误所致的等于第一输出分量中发现的信号错误的一定量的信号错误VERROR。
如图126中所示出，斩波器极性在第二采样相位138期间被切换。因此，斩波器76被配置成改变第二输出分量的极性，使得输出信号78的第一和第二输出分量(VOUT1和-VOUT2)将具有同一极性(即，同一标记)。因此，如以上在等式(10)中所展示，调换第二输出分量的极性且对第一和第二输出分量求和大大地消除了错误信号VERROR，同时大体上产生信号输出VO(VOUT1+VOUT2)。如本领域的技术人员所已知，可在模拟域中对第一和第二输出分量有效地进行平均以产生VO，所述VO其后在ADC转换相位140期间在ADC 80处进行模/数转换。可替换的是，ADC 80可接收第一和第二输出分量，使其数字化，且其后在数字域中对其进行平均。
通过使用倍压充电泵102切换到相对高的激励电压38还使C2V 72(图2)处的输出信号倍增，这相对于由C2V72生成的噪声增加了SNR。也就是说，相对高的激励电压38增加了C2V 72处的有效增益，这允许减少增益级74处的增益，且由此提高了所得SNR。此外，根据相对高的激励电压38控制斩波电路76实现了偏移和闪烁错误消除。因此，当激励电压38由倍增充电泵102(图2)产生时，系统62(图2)的信号链就SNR而言可提高两倍。
现在参考图2、3和7，图7示出根据另一实施例的加速度测量过程142的流程图。一般来说，加速度测量过程142可使用系统62来实施，所述系统62包括电容性换能器(例如，加速度计20)，所述电容性换能器具有连接到第一端40的电容器44、50和连接到第二端42的电容器46、48。加速度测量过程142为简单起见展示单个测量循环。应显而易见，加速度测量过程142的执行可针对多个测量循环连续地重复。
加速度测量过程142包括多个过程框，所述多个过程框中的每一个将在下文详细地描述。图7中大体上示出的每个过程框可能需要单个过程或多个子过程。此外，图7中示出及下文描述的过程框作为非限制性例子而提供。在加速度测量过程60的替代实施例中，可执行额外过程框，可省略某些过程框，和/或可按替代序列执行示出的过程框。
在框144处，电压源100从外部供应装置接收供电电压VS，108且提供参考电压68，VREF。在框146处，电压生成器102接收参考电压68且生成充电泵电压67，VPUMP，所述充电泵电压67大于供电电压108且优选地是参考电压68的两倍。
在框148处，在第一时间瞬间128(图6)处，经由第一端40将充电泵电压67施加到电容器44、50且经由第二端42将系统接地70施加到电容器46、48以产生差分激励电压38。充电泵电压67和系统接地70布置在参考电压68的相反侧上且与参考电压68等距。在框150处，在第一时间瞬间期间对输出信号75的第一输出分量VOUT1采样。在框152处，在第二时间瞬间130(图6)处，经由第二端42将充电泵电压67施加到电容器46、48且经由第一端40将系统接地70施加到电容器44、50以产生差分激励电压38，所述差分激励电压38的极性与在框148处施加的激励电压相反。在框154处，在第二时间瞬间期间对输出信号75的第二输出分量VOUT2采样。
在框156处，改变第二输出分量的极性以匹配第一输出分量的极性，且在框158处，对第一和第二输出分量求和和/或求平均。如上文所论述，对第一和第二输出分量的求和大体上消除了第一和第二输出分量中的每一个中的错误信号(DC偏移和闪烁错误)。在框160处，求和的模拟输出信号78，VO在ADC 80处进行模/数转换以产生指示加速力32(图1)的数字输出信号ADCOUT82。
本文中所描述的各实施例需要呈激励电路形式的设备、包括激励电路的系统及方法。用于电容性换能器的激励电路的实施例包括：电压源，所述电压源被配置成响应于接收到供电电压而提供第一电压；耦合到电压源的电压生成器，所述电压生成器被配置成接收第一电压且产生大于供电电压的第二电压；以及连接到电压源且连接到电压生成器的控制电路，所述控制电路被配置成将系统接地、第一电压和第二电压中的任一个提供到电容性换能器的第一端和第二端，所述控制电路被配置成施加呈具有相反极性的两个连续刺激形式的系统接地和第二电压。
系统的实施例包括：电容性换能器；与电容性换能器电耦合的激励电路，所述激励电路被配置成激励电容性换能器；以及测量电路，所述测量电路与电容性换能器电耦合以用于响应于激励电压测量来自电容性换能器的输出信号，所述激励电路包括：电压源，所述电压源被配置成响应于接收到供电电压而提供第一电压；耦合到电压源的电压生成器，所述电压生成器被配置成接收第一电压且生成大于供电电压的第二电压；以及连接到电压源且连接到电压生成器的控制电路，所述控制电路被配置成将系统接地、第一电压和第二电压中的任一个提供到电容性换能器的第一端和第二端，所述控制电路被配置成施加呈具有相反极性的两个连续刺激形式的系统接地和第二电压。
使用包括电容性换能器的系统来测量加速度的方法的实施例，所述电容性换能器包括连接到第一端的第一电容器和连接到第二端的第二电容器，其中所述方法包括响应于接收到的供电电压实施电压源以提供第一电压以及生成大于供电电压的第二电压。所述方法另外包括在第一时间瞬间处，经由第一端将第二电压施加到第一电容器，且同时经由第二端将系统接地施加到第二电容器，其中第二电压和系统接地布置在第一电压的相反侧上且与第一电压等距，且在第一瞬间期间，响应于第二电压对电容性传感器装置的第一输出分量采样。所述方法另外包括在第一时间瞬间之后的第二时间瞬间处，将第二电压施加到第二电容器，且同时将系统接地施加到第一电容器，在第二瞬间期间响应于第二电压对电容性传感器装置的第二输出分量采样，使第二输出分量的极性反转，且在反转操作之后，对第一和第二输出分量求和以产生指示加速度的输出信号，其中所述求和大体上消除了第一和第二输出分量中的每一个中的错误信号。在实施例中，生成操作包括使第一电压倍增以产生第二电压。
所述设备、系统和方法实现用于例如微机电系统(MEMS)电容性加速度计等电容性换能器的完全差分激励电压的产生。呈激励电路形式的设备包括用于产生大于供电电压的激励信号的至少一个充电泵。呈具有相反极性的两个连续刺激的形式(即，双差分激励信号)的激励电压被施加到电容性换能器。这种激励信号允许消除来自模拟电路系统的DC偏移和闪烁噪声，与此同时增加电容性换能器的灵敏度。因此，可就管芯大小和电力而言在适中成本下大大提高系统的信噪比(SNR)性能。
本公开意图阐明形成和使用根据本发明的各种实施例的方式而非限制根据本发明的各种实施例的真实、既定和公平的范围及精神。前述描述并不意图是详尽的或将本发明限于所公开的确切形式。鉴于以上教示，可进行许多修改或变型。选择和描述实施例是为了提供对本发明的原理和本发明的实际应用的最佳说明，且使本领域的技术人员能够在各种实施例中且运用适合于所预期特定用途的各种修改来利用本发明。当根据清楚地、合法地且公正地赋予的权利的广度来解释时，所有这样的修改和变化及其所有等效物均处于如由所附权利要求书所确定的本发明的保护范围内，且在本专利申请的未决期间可修正。

Claims (10)

1.一种用于电容性换能器的激励电路，其特征在于，包括：
电压源(100)，所述电压源(100)被配置成响应于接收到供电电压(108)而提供第一电压(68)；
耦合到所述电压源(100)的电压生成器(102)，所述电压生成器(102)被配置成接收所述第一电压(68)且产生大于所述供电电压(108)的第二电压(67)；以及
耦合到所述电压源(100)且耦合到所述电压生成器(102)的控制电路(104)，所述控制电路(104)被配置成将系统接地(70)、所述第一电压(68)和所述第二电压(67)中的任一个提供到所述电容性换能器(20)的第一端(40)和第二端(42)，所述控制电路(104)被配置成将呈具有相反极性的两个连续刺激形式的所述系统接地(70)和所述第二电压(67)施加到所述第一和第二端(40、42)。
2.根据权利要求1所述的激励电路，其特征在于，所述电压源(100)包括被配置成接收所述源电压(108)且输出不大于所述供电电压(108)的所述第一电压(68)的电压调节器(106)，和/或所述电压源(100)包括被配置成接收所述源电压(108)且输出所述第一电压(68)的充电泵(110)，所述第一电压的值大于所述供电电压(108)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的激励电路，其特征在于，所述电压源(100)包括被配置成接收所述源电压(108)且输出所述第一电压(68)的充电泵(110)，所述第一电压的值大于所述供电电压(108)。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的激励电路，其特征在于，所述电压生成器(102)包括被配置成通过使所述第一电压倍增而生成所述第二电压(67)的倍压器，和/或所述电压生成器(102)包括被配置成输出所述第二电压(67)的充电泵。
5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的激励电路，其特征在于：
所述控制电路(104)被配置成在第一时间瞬间(128)处经由所述电容性换能器(20)的所述第一端(40)将所述第二电压(67)作为所述两个连续刺激中的第一刺激施加到所述电容性换能器(20)的第一电容器(44、48)；且
所述控制电路(104)被进一步配置成在第二时间瞬间(130)处经由所述第二端(42)将所述第二电压(67)作为所述两个连续刺激中的第二刺激施加到所述电容性换能器(20)的第二电容器(46、50)，所述第二瞬间(130)在所述第一瞬间(128)之后。
6.根据权利要求5所述的激励电路，其特征在于，所述控制电路(104)被进一步配置成经由所述第二端(42)将所述系统接地(70)施加到所述第二电容器(46、50)，同时所述第二电压(67)被施加到所述第一电容器(44、48)，且被配置成经由所述第一端(40)将所述系统接地(70)施加到所述第一电容器(44、48)，同时所述第二电压(67)被施加到所述第二电容器(46、50)。
7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的激励电路，其特征在于，所述第二电压(67)和所述系统接地(70)布置在所述第一电压(68)的相反侧上且与所述第一电压(68)等距定位。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的激励电路，其特征在于，所述电容性换能器(20)包括加速度计。
9.一种系统，其特征在于，包括：
电容性换能器(20)；
与所述电容性换能器(20)电耦合的激励电路(64)，其中所述激励电路(64)是根据在前的任一权利要求所述的激励电路，所述激励电路被配置成激励所述电容性换能器(20)；以及
测量电路(66)，所述测量电路(66)与所述电容性换能器(20)电耦合以用于响应于所述第二电压(67)测量来自所述电容性换能器(20)的输出信号(54、58)。
10.一种使用包括电容性换能器(20)的系统来测量加速度的方法，其特征在于，所述电容性换能器(20)包括连接到第一端(40)的第一电容器(44、48)和连接到第二端(42)的第二电容器(46、50)，其中所述方法包括：
响应于接收到的供电电压(108)实施(144)电压源(100)以提供第一电压(68)；
生成(146)大于所述供电电压(108)的第二电压(67)；
在第一时间瞬间(128)处，经由所述第一端(40)将所述第二电压(67)作为第一刺激施加(148)到所述第一电容器(44、48)，且同时经由所述第二端(42)将系统接地(70)施加到所述第二电容器(46、50)，其中所述第二电压(67)和所述系统接地(70)布置在所述第一电压(68)的相反侧上且与所述第一电压(68)等距；
在所述第一瞬间期间，响应于所述第二电压(67)对所述电容性传感器装置(20)的第一输出分量采样(150)；
在所述第一时间瞬间(128)之后的第二时间瞬间(130)处，将所述第二电压(67)作为第二刺激施加(152)到所述第二电容器(46、50)，且同时将所述系统接地(70)施加到所述第一电容器(44、48)；
在所述第二瞬间期间，响应于所述第二电压(67)对所述电容性传感器装置(20)的第二输出分量采样(154)；
使所述第二输出分量的极性反转(156)；以及
在所述反转之后，对所述第一和第二输出分量求和(158)以产生指示所述加速度的输出信号，其中所述求和大体上消除了所述第一和第二输出分量中的每一个中的错误信号。
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