CN109669054A - 一种高精度全差分电容-电压转换电路系统 - Google Patents

一种高精度全差分电容-电压转换电路系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及MEMS惯性器件领域，具体涉及一种高精度全差分电容‑电压转换电路系统。包括驱动信号产生部，全差分电荷放大器，电容补偿阵列；整体转换电路与传感器敏感结构仍然采用具单端连接的输出的方式，通过分时复用实现全差分电路结构；电路采用开关电容结构消除寄生电容的影响，主要信号通路均通过相关双采样技术消除低频噪声和失调，电容补偿阵列可对传感器敏感结构的失调和非线性进行校准。本发明能够有效的抑制寄生电容影响，降低开关电荷注入和衬底噪声产生的共模干扰，减小电路的谐波失真，提高加速度计系统的线性度，抑制零点漂移。

Description

一种高精度全差分电容-电压转换电路系统
技术领域
本发明涉及MEMS惯性器件领域，具体涉及一种高精度全差分电容-电压转换电路系统。
背景技术
加速度传感器可以将微弱的加速度物理信号转化成能够检测的电学信号，高精度加速度传感器被广泛应用在地震检测，汽车安全，航空航天，空间微重力测量等需要高精度的测量领域中。人们很早就开始对加速度传感器的结构和制造技术进行研究，随着近年来MEMS技术的发展和普及，将微电子技术与机械工程融合到一起，使得加速度传感器不论在结构上还是在性能上，都有很大的提升和进步。电容式加速度传感器是目前研究最多的一类加速度传感器，它主要由固定电极和活动电极组成，两者采用插指结构。当存在加速度时，固定电极与活动电极之间的距离发生改变，使静态电容变化，通过对电容变化的测量来测定加速度的大小。电容式加速度传感器具有很多优点：精度高、功耗低、灵敏度高、噪声少、温漂低、体积小、结构比较简单等。
由于加速度传感器检测电路的研发是加速度传感器研究的重要组成部分，具有实现传感器的实用化的重要意义。并且传感器敏感结构为三端器件，即两个固定电极和作为输出的中间活动电极，因此当前普遍采用单端检测方式对该输出信号进行处理，其优点是结构简单、控制时钟少，反馈易于实现，其缺点是零点漂移比较严重，驱动信号噪声对输出影响比较严重。通过在中间活动电极上施加驱动信号，将两个固定电极作为敏感结构的输出，实现全差分检测电路结构，这样可以减小开关电荷注入和衬底噪声产生的共模干扰，降低谐波失真，但是此结构存在的一个主要问题：驱动信号在变化时，所产生运放输入共模的变化，对输出信号造成影响，无法得到高精度检测。
目前，通过在电路中增加参考电容，可实现一种全桥结构，在参考电容公共端接入与敏感电容相反的驱动电压，使得驱动信号对共模的干扰相互抵消，但该方法需要参考电容和敏感电容精确匹配，导致整体系统的功耗和面积的增加；并且敏感电容的温度系数与参考电容的温度系数的不一致，会导致在不同温度下产生偏差。
发明内容
本发明提供了一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，通过应用于电容式加速度计，该电路系统通过分时复用的方式实现全差分结构，能够有效降低共模噪声和谐波失真的干扰，并消除寄生电容的影响；内置电容补偿阵列，能够对传感器敏感结构的非线性和失调进行修复；内置传感器过载检测，当输出信号幅度过大，产生置位信号。
本发明的目的是这样实现的：
一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，包括：驱动信号产生部301，全差分电荷放大器303，电容补偿阵列304、305；
驱动信号产生部301，包括：开关306、307、308、309以及加速度计敏感结构302；其中，开关306的一端连接电源VDD，另一端连接在加速度计敏感结构302的上极板TOP；开关307的一端连接地VSS，另一端连接在加速度计敏感结构302的下极板DOWN；开关308的一端连接地VSS，另一端连接在加速度计敏感结构302的上极板TOP；开关309的一端连接电源VDD，另一端连接在加速度计敏感结构302的下极板DOWN；
全差分电荷放大器303，包括：开关312、313、314、315、316、317、318、320、321、323、324、326、328、329、331、332、333、334、335、337、338、340、341、344、345、347、348、350、351、353、354，电容319、322、325、330、336、339、342、343、349、352，运算放大器OPAMP2 327、328，运算放大器OPAMP1 346、355以及运算放大器OPAMP3 356、357；其中，开关314的一端连接在加速度计敏感结构302的上极板TOP，另一端连接在运算放大器OPAMP2 327的正向输入端；开关315的一端连接加速度计敏感结构302的上极板TOP，另一端连接在运算放大器OPAMP2328的正向输入端；开关320的一端连接在加速度计敏感结构302的下极板DOWN，另一端连接在运算放大器OPAMP2 327的正向输入端；开关321的一端连接在加速度计敏感结构302的下极板DOWN，另一端连接在运算放大器OPAMP2 328的正向输入端；运算放大器OPAMP1 346和运算放大器OPAMP1 355的正向输入端连接共模电压VCM；
电容补偿阵列304、305，包括：开关358、359、360、361、363、364、365、366以及电容阵列362、367；
技术说明：
驱动信号产生部，仅由四个开关组成，在时钟信号p4、p5作用下，产生的两相高频驱动方波信号直接加载在加速度计敏感结构300的上下两个固定极板；
电容补偿阵列，在时钟信号p2、p4、p5、p9的作用下校准传感器敏感结构的失调和非线性；
本发明设计的全差分电容-电压转换电路系统与传感器敏感结构的连接方式为单端输出，通过分时复用实现全差分结构；
本发明设计的全差分电容-电压转换电路系统的电路采用单端电荷放大器，运用开关电容结构，有效的减少寄生电容的影响，主要信号通路均采用相关双采样技术；
本发明设计的全差分电容-电压转换电路系统内置传感器过载检测，加速度信号幅度过大时产生置位信号。
本发明的有益效果在于：
1.本发明能够有效地抑制开关电荷注入和衬底噪声产生的共模干扰，减小电路的谐波失真；
2.本发明有效地减少寄生电容的影响，主要信号通路均通过相关双采样技术消除低频噪声和失调，提高电路换精度；
3.本发明的驱动信号产生部能够有效的避免传统驱动信号产生部的失调和噪声；
4.本发明的电容补偿阵列提高了加速度计系统线性度，抑制了零点漂移；
附图说明
图1为传统单端检测电路图；
图2为本发明的高精度全差分电容-电压转换电路系统示意图；
图3为本发明的电容补偿阵列示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
图1为传统单端检测电路，整体电路采用单端电荷放大器，使用开关电容结构，有效的减少寄生电容的影响，提高电路换精度。该电路的工作过程为电荷检测阶段和电荷转移阶段，电荷检测阶段：p1为高电平，p2为低电平，p3为低电平，敏感电容CS1和CS2的上下两个极板分别接V-和V+，此时寄存在敏感电容CS1和CS2的电荷量分别为V+CS1和V-CS2。p4为低电平，p5为高电平，运放输出与输入短接，运放输出为0，积分电容Cf两端接地，电荷清零。
电荷转移阶段：p1为低电平，p2为高电平，p3为低电平，敏感电容CS1和CS2上下极板都接地，P4为高电平，p5为低电平，传感器敏感结构与放大器接通，由于电荷守恒，敏感电容CS1和CS2上的电荷转移到反馈电容Cf上，电路Vo输出电压信号，大小为：
可见，输出电压Vo与敏感电容CS1和CS2、反馈电容Cf和驱动信号的电压V-和V+有关。
图2为本发明的全差分电容-电压转换电路，主要由驱动信号产生部301，全差分电荷放大器303，电容补偿阵列304、305组成。其中驱动信号产生部301包括开关306、307、308、309，开关306的一端连接电源VDD，另一端连接加速度计敏感结构302的上极板TOP，开关307的一端连接地VSS，另一端连接加速度计敏感结构302的下极板DOWN，开关308的一端连接地VSS，另一端连接加速度计敏感结构302的上极板TOP，开关309的一端连接电源VDD，另一端连接加速度计敏感结构302的下极板DOWN。全差分电荷放大器303，包括开关312、313、314、315、316、317、318、320、321、323、324、326、328、329、331、332、333、334、335、337、338、340、341、344、345、347、348、350、351、353、354、电容319、322、325、330、336、339、342、343、349、352和运算放大器327、328、346、355、356、357。其中开关314的一端连接加速度计敏感结构302的上极板TOP，另一端连接放大器OPAMP2327的正向输入端，开关315的一端连接加速度计敏感结构302的上极板TOP，另一端连接放大器OPAMP2328的正向输入端，开关320的一端连接加速度计敏感结构302的下极板DOWN，另一端连接放大器OPAMP2327的正向输入端，开关321的一端连接加速度计敏感结构302的下极板DOWN，另一端连接放大器OPAMP2328的正向输入端。电容补偿阵列304、305，包括开关358、359、360、361、363、364365、366和电容阵列362、367。
驱动信号产生部301产生两相高频驱动方波信号，分别加载在传感器敏感结构302的上下两个固定电极，中间活动电极作为传感器敏感结构的输出。全差分电荷放大器303与传感器敏感结构302的连接方式仍然为单端输出，通过分时复用实现全差分结构，能够有效的抑制开关电荷注入和衬底噪声产生的共模干扰，减小电路的谐波失真。内置传感器过载检测，当加速度信号幅度过大时，会使得全差分电容-电压转换电路的会产生置位信号。电容补偿阵列304、305分别连接在传感器中间活动电极与上下两个固定电极之间，对传感器敏感结构的失调和线性度进行校准，提高加速度计系统线性度，抑制零点漂移。
图3为电容补偿阵列，由于传感器敏感结构制作偏差造成了信号的直流分量的改变，改变输出偏置点，这不仅影响后续接口电路的正常的工作，对与整个电容式加速度传感器电路来说，相当于存在一种噪声，对传感器的精度造成影响。传感器敏感结构制作偏差会使得电路存在零偏。为了解决零偏的问题，本发明设计了两组电容补偿阵列分别加载在中间活动电极与上下两个固定电极之间，可实现不同电容值的补偿。其中电容C0～Cn呈指数分布，分别为C0×20，C0×21…Cn×2n，C0为单位补偿电容。本发明设计的电容补偿阵列能够对传感器的失调和线性度进行修复，提高加速度计系统线性度，抑制零点漂移。
驱动信号产生部301，在时钟信号作用下，产生两相高频驱动方波信号，分别加载在敏感结构302的上下两个固定电极，能够有效的避免传统驱动信号产生部的失调和噪声。
全差分电荷放大器303，在时钟信号作用下，将传感器敏感结构302产生的微弱电容变化转化为可检测的电压信号。全差分电容-电压转换电路采用单端电荷放大器，运用开关电容电路，放大器OPAMP2 327、OPAMP2 328、OPAMP1 346、OPAMP1 355的正向输入端接地，负向输入端“虚地”，这样每次对反馈电容C3 325、C4 330、C9 349、C10 352充放电时，寄生电容上不会发生电荷的改变，因此消除了寄生电容的影响。在时钟的前半周期，电路上半部分对传感器敏感结构302进行采样，并完成电荷的转移和保持。在时钟的后半周期，电路下半部分对传感器敏感结构302进行采样，并完成电荷的转移和保持，两者交替进行，通过分时复用的方法实现全差分模拟信号输出，并完成连续时间检测。内置传感器过载检测，当外信号幅度过大，使得放大器OPAMP2 327的输出R1和OPAMP2 328的输出R2大于特定值或放大器OPAMP1 346的输出R3和放大器OPAMP1 355的输出R4小于特定值时，会产生置位信号。
电容补偿阵列304、305，在时钟信号的作用下，通过外部信号对补偿电容阵列进行调控，可对传感器失调和线性度进行修调，提高加速度计系统线性度，抑制零点漂移。

Claims (9)

1.一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，其特征在于，包括：驱动信号产生部(301)，全差分电荷放大器(303)，电容补偿阵列(304)、(305)。
2.根据权利要求1所述的一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，其特征在于，所述的驱动信号产生部(301)，包括：开关(306)、(307)、(308)、(309)以及加速度计敏感结构(302)；其中，开关(306)的一端连接电源VDD，另一端连接在加速度计敏感结构(302)的上极板TOP；开关(307)的一端连接地VSS，另一端连接在加速度计敏感结构(302)的下极板DOWN；开关(308)的一端连接地VSS，另一端连接在加速度计敏感结构(302)的上极板TOP；开关(309)的一端连接电源VDD，另一端连接在加速度计敏感结构(302)的下极板DOWN。
3.根据权利要求1所述的一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，其特征在于，所述的全差分电荷放大器(303)，包括：开关(312)、(313)、(314)、(315)、(316)、(317)、(318)、(320)、(321)、(323)、(324)、(326)、(328)、(329)、(331)、(332)、(333)、(334)、(335)、(337)、(338)、(340)、(341)、(344)、(345)、(347)、(348)、(350)、(351)、(353)、(354)，电容(319)、(322)、(325)、(330)、(336)、(339)、(342)、(343)、(349)、(352)，运算放大器OPAMP2(327)、(328)，运算放大器OPAMP1(346)、(355)以及运算放大器OPAMP3(356)、(357)；其中，开关(314)的一端连接在加速度计敏感结构(302)的上极板TOP，另一端连接在运算放大器OPAMP2(327)的正向输入端；开关(315)的一端连接加速度计敏感结构(302)的上极板TOP，另一端连接在运算放大器OPAMP2(328)的正向输入端；开关(320)的一端连接在加速度计敏感结构(302)的下极板DOWN，另一端连接在运算放大器OPAMP2(327)的正向输入端；开关(321)的一端连接在加速度计敏感结构(302)的下极板DOWN，另一端连接在运算放大器OPAMP2(328)的正向输入端；运算放大器OPAMP1(346)和运算放大器OPAMP1(355)的正向输入端连接共模电压VCM。
4.根据权利要求1所述的一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，其特征在于，所述的电容补偿阵列(304)、(305)，包括：开关(358)、(359)、(360)、(361)、(363)、(364)、(365)、(366)以及电容阵列(362)、(367)。
5.根据权利要求1所述的一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，其特征在于，所述的驱动信号产生部，在时钟信号p4、p5作用下，产生两相高频驱动方波信号直接加载在加速度计敏感结构(300)的上下两个固定极板。
6.根据权利要求1所述的一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，其特征在于，所述的电容补偿阵列，在时钟信号p2、p4、p5、p9的作用下校准传感器敏感结构的失调和非线性。
7.根据权利要求1所述的一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，其特征在于：电路系统与传感器敏感结构的连接方式为单端输出，通过分时复用实现全差分结构。
8.根据权利要求1所述的一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，其特征在于：电路系统采用单端电荷放大器，运用开关电容结构，主要信号通路均采用相关双采样技术。
9.根据权利要求1所述的一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，其特征在于：电路系统内置传感器过载检测，加速度信号幅度过大时产生置位信号。
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