CN109120252B - 电容式加速度计传感器的接口电路 - Google Patents

电容式加速度计传感器的接口电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于电容式加速度传感器(3)的接口电路(5)，所述接口电路用于测量由传感器(3)感测的加速度值。接口电路(5)包括多个电气开关(S1‑S7)和三个可编程电容器(Cf，Cref，Cp)。其中两个可编程电容器(Cf，Cref)被布置成实现接口电路(5)的增益调整，而其中一个可编程电容器(Cp)被布置成实现加速度范围选择。

Description

电容式加速度计传感器的接口电路
技术领域
本发明涉及一种用于电容式加速度计传感器的接口电路，其用于将从电容式加速度计传感器接收的电荷转换为用于给定应用的有用信号。本发明还涉及一种用于操作接口电路的方法。
背景技术
电容式加速度计是一种使用电容式感应技术测量(表面上的)加速度的加速度计装置。它可以感知和记录设备或装置上的加速度，并将此加速度转换为电流或电压。电容式加速度计有时也被称为振动传感器。它们包括用作连接到电子电路(也被称为接口电路)的电容式加速度计传感器的电容式微电子机械系统(MEMS)元件。当被电子电路供给时，MEMS元件将由于其加速度而产生的力转换为电信号，该电信号又被电子电路放大，并且转换为用于给定应用的有用信号(例如加速度的数字化表示)。在电容式MEMS加速度计中，存在加速度时MEMS电容的变化会产生电信号。电容式加速度计广泛用于计算和商业应用，例如汽车中的安全气囊展开传感器、人机交互设备和智能手机。
图1a和1b中所示的电路示出了电容式加速度计系统或装置1的一个示例，电容式加速度计系统或装置1被简称为电容式加速度计或加速度计。加速度计包括电容式加速度计传感器3和连接到电容式加速度计传感器3的模拟前端接口电路5。该示例中的传感器包括两个电容器，即具有第一电容c1的第一电容器C1和具有第二电容c2的第二电容器C2。第一电容器C1和第二电容器C2具有一个公共的可动电极，其被布置成当传感器3经受加速或减速时产生位移。该位移使得在c1和c2之间产生电容差，该电容差然后可以由接口电路5检测。
接口电路的操作可以分为三个主要操作阶段：自动归零(AZ)阶段、电荷转移(XFER)阶段和模拟-数字转换阶段。图1a显示了AZ阶段的电路配置，而图1b显示了XFER阶段的电路配置。如结合图2更好地解释的，模拟-数字转换阶段可以进一步分成两个子阶段，即输入跟踪阶段和逐次逼近寄存器(SAR)收敛阶段。电荷可以通过施加两个电压极性中的每一个电压极性的两个连续阶段(即，限定电荷转移时段或持续时间的第一阶段和第二阶段)——即AZ阶段和XFER阶段——而从电容式加速度计传感器3的可动电极收集。在AZ阶段期间，接口电路5的第一放大器7被重置。放大器的正输入节点连接到电压源VCM1，所述电压源VCM1在该示例中供给被称为共模电压Vcm的电压，而第一放大器7的负输入节点连接到传感器3。在XFER阶段期间，电荷被传送到第一放大器7，第一放大器7将这些电荷在放大器输出节点Aout处转换为输出电压值Vout。如图1a和1b所示，第一电容器C1连接到第二电压源12，而第二电容器C2连接到第三电压源13。这两个电压源12、13可以是可编程的，或者它们可以具有电源电压VDD或VSS的输出。如图1a所示，在AZ阶段期间，开关S11闭合，并且第一电容器C1连接到现正在供给正电源电压VDD的第二电压源12，而第二电容器C2连接到现在被设定为0V的第三电压源，即第三电压源13现在接地。如图1b所示，在XFER阶段期间，开关S11首先断开，第二电压源12被设定为0V，而第三电压源13现正在供给正电源电压VDD。在XFER阶段结束时，放大器输出节点Aout处的输出电压为
Vout＝VDD·(c1-c2)/cf，
其中cf是反馈电容器Cf的电容。
节点Aout处的输出电压值Vout可以通过模数转换器(ADC)9数字化。众所周知，逐次逼近寄存器型模数转换器(SAR ADC)对于具有中等分辨率的低功率设计是有利的选择。图2中示出了基于电荷再分配方法的ADC9的单端实现(single-ended implementation)。在输入跟踪阶段，开关S12和S22闭合，而开关S32和S42断开。开关S32连接到供给正电源电压VDD的电压源VDD，而开关S42连接到被设置为0V的电压源VSS。节点Aout处的输入电压Vin由电容器阵列Cdac追踪，其中Vin＝Vout。第二放大器11在输入跟踪阶段被用作放大器。在SAR收敛阶段期间，开关S12和S22断开，而开关S32和S42由SAR算法(即二进制搜索算法)控制。第二放大器11仅在该阶段期间用作比较器。正输入节点连接到用于供给共模电压Vcm的电压源VCM2。输入电压值Vin按如下被数字化
Dout＝Vin/VDD，
其中Dout是量化的分数值。
由于VDD也用作加速度计1中的ADC 9的参考电压，因此数字化的加速度可被表示为
Dout＝(c1-c2)/cf，
其中Dout是一个量化的分数。
对于加速度计1，还需要能够调整增益，其被定义为：
增益＝Dout/(c1-c2)＝1/cf
需要使反馈电容器Cf可编程以适应通常在几fF至几十fF范围内的c1-c2值。此外，反馈电容器Cf是小电容器，例如2g模式下的80fF(1g是由于地球表面处的引力引起的加速度)。很难使这样一个小电容器实现可编程且具有能实现精细的增益大小的可编程性，例如80fF的1％。由于反馈电容器Cf是浮动电容器，因此难以管理用于实现可编程性的开关的寄生电容的影响。另外，为了适应用于加速度计1的例如2g、4g、8g和16g的大加速度输入范围，需要cf的不同可编程值，例如2g范围模式中的80fF、4g范围模式中的160fF、8g范围模式中的320fF、16g范围模式中的640fF。设置反馈电容器Cf以同时实现针对增益大小和范围调整两者的可编程性要求是非常具有挑战性的。
专利申请US 2015/0268284A1描述了一种用于连接加速度计(MEMS)的设备和方法。该设备包括连接到MEMS电容器的接口电路。接口电路包括放大器积分器，所述放大器积分器在输入端通过开关连接到MEMS电容器。放大器的输出端连接到比较器，所述比较器提供相对于电容器MEMS上的电荷的输出信号。在比较器的输出端和放大器积分器之间提供反馈回路，其中反馈电容器被设置为用于也调谐所述设备的增益。其未被设置成实施反馈电容器以同时实现针对增益大小和范围调整两者的可编程性要求，这是一个缺点。
专利申请US 2010/0231237A1描述了一种具有用于测量物理参数的电容传感器的电子电路。该传感器包括差别地安装的两个电容器，所述电容器的公共电极连接到电荷转移放大器的一个输入端。积分器连接到电荷转移放大器的输出端，并由动态比较器控制。没有提供装置来实施反馈电容器以同时实现针对增益大小和范围调整两者的可编程性要求，这是一个缺点。
专利申请US 2015/0280668A1描述了一种电容式可编程增益放大器，但没有提供装置以用于同时容易地调节增益大小和范围调整，这是它的一个缺点。
发明内容
本发明的目的是克服电容式加速度计传感器接口电路中的放大器反馈电容器的可编程性问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种如权利要求1所述的用于电容式加速度计传感器的接口电路。
所提出的新解决方案的优点在于，增益调整和范围选择的物理实现比现有解决方案容易得多，因为与现有解决方案相反，可编程负担被分至不同的电容器，而在现有解决方案中这些任务由单个电容器完成。更具体地说，根据本发明，可以通过接地的电容器来执行精细大小的增益调整，这使得精确的增益调整变得相对容易。具有粗增益大小的加速度范围选择调整可以由两个可编程的浮动电容器来执行。
根据本发明的第二方面，提供了一种如权利要求9所述的包括接口电路的电容式加速度计。
根据本发明的第三方面，提供了一种如权利要求11所述的操作接口电路的方法。
本发明的其它方面在所附的从属权利要求中叙述。
附图说明
参考附图，根据非限制性示例实施例的以下描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，图中：
图1a是示出根据一个示例性现有技术解决方案的在AZ阶段期间的电容式加速度计的简化电路图；
图1b是示出根据一个示例性现有技术解决方案的在XFER阶段期间的电容式加速度计的简化电路图；
图2是示出图1a和1b的电容式加速度计中在SAR收敛阶段期间的示例性ADC电路的简化电路图；
图3是示出根据本发明的一个示例的在AZ阶段期间的电容式加速度计的简化电路图；
图4是图3的电容式加速度计，但在XFER阶段期间；以及
图5是图3的电容式加速度计，但在SAR收敛阶段期间。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的实施例。将在包括两个电容器的电容式加速度计的背景下描述本发明。然而，所公开的电容式加速度计不限于包括两个电容器的解决方案。所公开的加速度计可以用作多轴加速度计(例如，轴x，y和z)。出现在不同附图中的相同或相应的功能和结构元件被赋予相同的附图标记。
图3示出根据本发明的示例的电容式加速度计系统或设备1，其被简称为电容式加速度计或加速度计。示出了用作电容式加速度计传感器3的微电子机械系统(MEMS)。在该示例中，传感器3包括第一电极、第二电极和第三电极。在该示例中，所有电极都是平板电极，例如金属板，并且基本上彼此平行地布置成使得第三电极位于第一电极和第二电极之间。此外，根据该示例，第一电极和第二电极是固定电极，即它们是静止的，而第三电极是可动电极，即，第三电极被设置成在传感器受到加速的情况下就发生移位。如果传感器3没受到任何加速，则可动电极居中地位于第一电极和第二电极之间。第一电极和第三电极一起形成具有第一电容c1的第一感测电容器C1，而第二电极和第三电极一起形成具有第二电容c2的第二感测电容器C2。
第二电压源12连接到第一电容器C1，而第三电压源13连接到第二电容器C2。电压源可以输出电源电压VDD或VSS和/或可调节的电压。加速计传感器3使用“力＝质量×加速度”属性将加速度转换成力，然后通过连接到可动电极的弹簧的弹簧刚度将力转换成可动电极的位移x。
可动电极的位移x在第一电容c1和第二电容c2之间产生称为差分电容的电容差。差分电容通过接口电子电路或电路5转换为电荷，接口电子电路或电路5是连接到传感器3的集成电路(IC)。为此，加速度计可以包括开关装置(未示出)，以用于通过使用第二电压源12和第三电压源13在第一电容器C1和第二电容器C2两端施加电压。所得到的电荷通过接口电路5收集和测量。电荷的数量与差分电容以及与施加在第一电容器C1和第二电容器C2两端的电压成比例。
接口电路5包括放大器15，所述放大器15具有两个输入，即第一负输入节点23和第二正输入节点。正输入端连接到供给共模电压Vcm的第一电压源17。本示例中的负输入端连接到可动电极。第一反馈电路19或支路布置在放大器15的输出节点21和负输入节点23之间。第一反馈电路19包括第一开关S1。负输入节点23和输出节点21之间的电容是被称为反馈电容器Cf或第一可编程电容器的第三电容器的反馈电容cf。反馈电容器Cf是第二反馈电路25或支路的一部分。第二反馈电路还包括在反馈电容器Cf和输出节点21之间与反馈电容器Cf串联的第二开关S2。第三开关S3连接到第二反馈电路25，使得第三开关S3的第一侧或第一端连接到反馈电容器Cf和第二开关S2之间的第一电路节点26，而第三开关S3的第二侧或第二端接地。第三开关S3也可以被认为是第二反馈电路25的一部分。
另外被称为第二可编程电容器的第四电容器Cref连接在负输入节点23和第二电路节点27之间。另外被称为第三可编程电容器的第五电容器Cp也连接到该第二电路节点使得第五电容器Cp的第一侧或第一电极连接到第二电路节点27，而第五电容器Cp的第二侧或第二电极接地。第四开关S4与第三可编程电容器Cp并联设置，使得开关的第一端连接到第二电路节点27，而第四开关S4的第二端接地。电容器组Cdac(其在该示例中不可编程)或电容器阵列也连接到第二电路节点27以与第二可编程电容器Cref串联。虽然该电容器组Cdac的第一电极连接到第二电路节点27，但该电容器组Cdac的第二电极连接到第三电路节点29。
第一开关组S6连接在第三电路节点29和第四电压源32之间，在该示例中，第四电压源32被设置为0V。第二开关组S7与第一开关组S6并联并且连接在第三电路节点29和第五电压源33之间，在该示例中，第五电压源33被布置为供给正电源电压VDD。第一开关组S6和第二开关组S7各自包括多个并联的开关。
所提出的模拟前端接口电路5部分地通过组合图1a的电荷采集电路或接口电路5和图2的SAR ADC电路而得到。图3中的第一电容器C1、第二电容器C2和反馈电容器Cf与图1a中的那些部件具有相同的作用。图3中的电容器组Cdac可以是图2中基于电荷再分配方法的SAR ADC的传统电容器阵列。第二可编程电容器Cref被插入在电容器组Cdac和放大器15之间。根据本发明，接地的第三可编程电容器Cp被用于调整所提出的模拟前端的增益，而第一可编程电容器(即反馈电容器Cf)和第二可编程电容器Cref是可编程的以适应不同输入范围的加速度：例如2g、4g、8g和16g。所提出的模拟前端电路5的操作可以分为三个阶段：自动归零(AZ)阶段、电荷转移(XFER)阶段和SAR收敛阶段。
图3示出了AZ阶段的电路配置。在该配置中，第一、第二、第四和第五开关S1、S2、S4、S5以及第一开关组S6闭合，而第三开关S3和第二开关组S7断开。在本说明书中，当电气开关导通时，即恢复导电路径时，称其为闭合，并且当电气开关不导通时，即在移除导电路径时，则称其为断开。此外，第二电压源12被设定为0V，而第三电压源13现在被设定为正电源电压VDD。要注意的是，在图3至5所示的所有三种配置中，第四电压源被设置为0V，而第五电压源供给正电源电压VDD。在AZ阶段期间，第一、第二和第三可编程电容器Cf、Cref、Cp和电容器组Cdac中的电荷被设置或重置为初始状态。
图4示出了在XFER阶段期间的电路配置。第二、第四和第五开关S2、S4、S5和第一开关组S6闭合，而第一和第三开关S1、S3和第二开关组S7断开。第二电压源12现在供给正电源电压VDD，而第三电压源13现在被设定为0V。换句话说，第一电容器C1现在连接到正电源电压VDD，而第二电容器C2连接到0V。利用该配置，一些电荷被注入到第一可编程电容器Cf中。可按如下计算在放大器输出节点21处测得的输出电压Vout
Vout＝VDD·(c1-c2)/cf
图5示出了SAR收敛阶段的电路配置。第三开关S3闭合，而第一、第二、第四和第五开关S1、S2、S4和S5断开。与AZ阶段和XFER阶段相反，在该配置中，放大器15用作比较器来比较正输入节点和负输入节点处的电压值。第一开关组S6和第二开关组S7由SAR算法、即二进制搜索算法控制。放大器输入电容或检测到的加速度值如下所示地进行数字化:
Dout＝((c1-c2)/cref)·(cdac/(cdac+cref+cp))，
其中，Dout是量化的分数值。模拟前端接口电路5的增益可按如下进行计算:
增益＝Dout/(c1-c2)＝(1/cref)·(cdac/(cdac+cref+cp))，
其中cref是第二可编程电容器Cref的电容，cdac是电容器组Cdac的电容，并且cp是第三可编程电容器Cp的电容。
在所提出的接口电路5中，例如在2g、4g、8g和16g之间的加速度范围选择可通过第一和第二可编程电容器Cf、Cref以粗调增量实现。即使这两个电容器的电容值在2g范围内很小，这也是可行的。应该注意，在该示例中，第一可编程电容器Cf和第二可编程电容器Cref具有相同的电容值cf、cref。因此，第二可编程电容器Cref可以被认为是第一可编程电容器Cf的复制品，反之亦然。可以通过第三可编程电容器Cp以精细增益大小或小的增量实现模拟增益调整。由于第三可编程电容器Cp接地，这是可行的。应该注意的是，使用高精度接地电容器比使用浮动电容器编程要容易得多。因此，利用第三可编程电容器Cp的小步长大小实现精确编程要比利用例如在图1a的配置中的浮动电容器Cf所面临的挑战要小得多。
总而言之，本发明涉及用于电容式加速度计传感器3的接口电路5，以用于测量由传感器3感测的加速度值。接口电路5包括多个电气开关S1-S7和三个可编程电容器Cf、Cref、Cp。其中两个可编程电容器Cf、Cref被设置为实现加速度范围选择，而其中一个可编程电容器Cp被设置为实现接口电路5的增益调整。在附图中，第一、第四和第五电压源17、32、33被示出为在接口电路5的外部，但是根据本发明的变型，它们可以是接口电路5的一部分。
尽管已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而非限制性的，本发明不限于所公开的实施例。基于对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实施要求保护的发明时可以理解和获得其它实施例和变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中列举不同特征这一事实并不表示不能有利地使用这些特征的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制本发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于电容式加速度计的传感器(3)的接口电路(5)，所述接口电路用于测量由所述传感器(3)感测的加速度值，所述接口电路(5)包括：
-放大器(15)，该放大器包括连接到所述传感器(3)的第一输入节点(23)、连接到第一电压源(17)的第二输入节点，以及输出节点(21)；
-第一反馈电路(19)，该第一反馈电路包括在所述第一输入节点(23)和所述输出节点(21)之间的第一开关(S1)；
-在所述第一输入节点(23)和所述输出节点(21)之间的第二反馈电路(25)，该第二反馈电路包括：第一可编程电容器(Cf)和与所述第一可编程电容器(Cf)串联的第二开关(S2)，以及连接到所述第一可编程电容器(Cf)和所述第二开关(S2)之间的第一电路节点(26)并连接到第一接地节点的第三开关(S3)；
-连接到所述第一输入节点(23)和第二电路节点(27)的第二可编程电容器(Cref)，如此通过第一可编程电容器(Cf)和第二可编程电容器(Cref)实现加速度范围选择；
-电容器组(Cdac)，其与所述第二可编程电容器(Cref)串联且连接到所述第二电路节点(27)并通过开关组(S6，S7)连接到电压源组(32，33)；
-连接在第二接地节点和所述第二电路节点(27)之间的第三可编程电容器(Cp)，如此通过调节第三可编程电容器(Cp)的电容值来实现所述接口电路(5)的增益调整；和
-与第三可编程电容器(Cp)并联并连接在所述第二电路节点(27)和所述第二接地节点之间的第四开关(S4)。
2.根据权利要求1所述的接口电路(5)，其中，所述接口电路(5)还包括在所述第一输入节点(23)与所述传感器(3)之间的第五开关(S5)。
3.根据权利要求2所述的接口电路(5)，其中，所述开关组(S6，S7)包括第六开关(S6)和与所述第六开关(S6)并联的第七开关(S7)。
4.根据权利要求3所述的接口电路(5)，其中，所述第六开关(S6)包括第一开关电路，所述第七开关(S7)包括第二开关电路。
5.根据权利要求1所述的接口电路(5)，其中，所述第一可编程电容器(Cf)和第二可编程电容器(Cref)的电容值基本相同。
6.根据权利要求1所述的接口电路(5)，其中，所述放大器(15)被布置成在所述第一开关(S1)和所述第二开关(S2)断开时用作比较器。
7.根据权利要求1所述的接口电路(5)，其中，所述第二开关(S2)连接在所述输出节点(21)与所述第一电路节点(26)之间。
8.根据权利要求1所述的接口电路(5)，其中，所述第一输入节点(23)是所述放大器(15)的负输入节点，而所述第二输入节点是所述放大器(15)的正输入节点。
9.一种电容式加速度计(1)，其包括根据权利要求1所述的接口电路(5)，并且还包括传感器(3)和连接到开关组(S6，S7)的第四电压源(32)和第五电压源(33)，所述传感器包括：连接到第二电压源(12)的第一电容器(C1)和连接到第三电压源(13)的第二电容器(C2)。
10.根据权利要求9所述的电容式加速度计(1)，其中，所述第二电压源(12)和第三电压源(13)是可编程电压源。
11.一种操作根据权利要求1所述的接口电路(5)的方法，其中，所述方法包括调节所述第一可编程电容器(Cf)和第二可编程电容器(Cref)的电容值以考虑所述传感器(3)的加速度范围变化，和/或调节第三可编程电容器(Cp)的电容值以实现接口电路(5)的增益调整。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括在第一操作阶段期间初始化所述第一可编程电容器(Cf)、第二可编程电容器(Cref)、第三可编程电容器(Cp)和所述电容器组(Cdac)，其中，在所述第一操作阶段期间，第一开关(S1)、第二开关(S2)和第四开关(S4)闭合，而第三开关(S3)断开。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括在第二操作阶段期间从所述传感器(3)向所述第一可编程电容器(Cf)注入电荷，其中，在所述第二操作阶段期间，所述第一开关(S1)和所述第三开关(S3)断开，而第二开关(S2)和第四开关(S4)闭合。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述传感器(3)包括连接到第二电压源(12)的第一电容器(C1)、连接到第三电压源(13)的第二电容器(C2)，并且其中，所述方法包括在第二操作阶段期间反转所述第二电压源(12)和所述第三电压源(13)的电压值。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括通过断开所述传感器(3)和所述接口电路(5)之间的第五开关以将所述传感器(3)从所述接口电路(5)断开，和在第三操作阶段期间将放大器(15)的输入电容转换成数字值，其中，在第三操作阶段期间，第一开关(S1)、第二开关(S2)和第四开关(S4)断开，而第三开关(S3)闭合。
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