CN110535442A - 一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器，属于MEMS惯性器件领域。采用开关电容结构，主要由开关，电容，可变电容阵列，运算放大器组成。通过分时复用、分时输出实现开关电容可编程增益放大器的连续信号输出，并实现全差分电路结构；通过相关双采样技术消除低频噪声和失调；可变电容阵列的n个电容呈指数分布，利用程序控制可变电容阵列来实现2n种不同的电容值，可变电容阵列选择采样电容而不是反馈电容，避免对放大器性能的影响。本发明可以实现2n种可调增益，大大提高了电路精度，能够适用于不同的电容式加速度传感器敏感结构，并实现多量程检测。

Description

一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器
技术领域
本发明属于MEMS惯性器件领域，具体涉及一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器。
背景技术
传感器技术是一项当今世界令人瞩目并迅猛发展起来的高新技术之一，是当代科学技术迅猛发展的一个重要标志。传感器可以将检测的信息按一定规律转换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、记录等要求。加速度传感器是传感器的一个重要分支。加速度传感器可以对加速度物理信号进行检测，高精度的加速度传感器被广泛应用在汽车安全，地震检测，航空航天等需要高精度的测量领域中。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。加速度传感器接口电路的研发是加速度传感器研究的重要组成部分。采用MEMS技术制作的微型电容式加速度传感器输出信号非常微弱，因此小信号接口检测电路的研究和设计具有实现传感器的实用化的重要意义。
随着MEMS技术发展，接口电路信号处理电路向着高精度、可编程、低噪声、低功耗发展。本文提供了一种应用于电容式加速度计的高精度可编程增益放大器。该放大器基于开关电容结构利用分时复用、分时输出实现连续信号输出，并实现全差分结构，能有效的抑制共模噪声。采用相关双取样技术，消除电路的失调和低频噪声。通过程序控制开关电容阵列来达到不同的放大倍数。
发明内容
本发明的目的在于提供高精度、可编程、低噪声的一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器，主要由开关：P1(301、P2(302、P3(303、P4(304、P5(307、P6(308、P7(309、P8(310、P9(311、P10(312、P11(313、P12(314、P13(315、P14(316、P15(317、P16(320、P17(321、P18(324、P19(325、P20(327、P21(328、P22(330、P23(331、P24(333、P25(334、P26(336、P27(337、P28(338、P29(339、P30(340；电容：C3(318、C4(319、C5(322、C6(323、C7(326、C8(329、C9(332、C10(335；可变电容阵列：CAP ARRAY1(305、CAP ARRAY2(306；运算放大器：OPA1(341、OPA2(342组成。
其中开关P1(301、P2(302的一端连接差分输入，开关P3(303、P4(304的一端连接共模电压VCM，开关P5(307、P6(308、P11(313、P12(314、P13(315、P14(316的一端连接共模电压VCM，开关P7(309、P8(310、P9(311、P10(312的一端分别连接在相关双取样电容C3(318、C4(319、C5(322、C6(323的一端，开关P15(317两端分别连接相关双取样电容C3(318和反馈电容C7(326，开关P16(320两端分别连接相关双取样电容C4(319和反馈电容C8(329，开关P17(321两端分别连接相关双取样电容C5(322和反馈电容P24(333，开关P18(324两端分别连接相关双取样电容C6(323和反馈电容C10(335，开关P19(325两端连接在反馈电容C7(326的两端，开关P22(330两端连接在反馈电容C8(329的两端，开关P23(331两端连接在反馈电容C9(332的两端，开关P26(336两端连接在反馈电容C10(335的两端，开关P20(327的两端连接在运算放大器OPA1(341的正向输入端和差分输出端，开关P24(333的两端连接在运算放大器OPA2(342的正向输入端和差分输出端，开关P21(328的两端连接在运算放大器OPA1(341的负向输入端和差分输出端，开关P25(334的两端连接在运算放大器OPA2(342的负向输入端和差分输出端，开关P27(337、P28(338两端分别连接运算放大器OPA1(341的差分输出端和增益放大器的输出端，开关P29(339、P30(340两端分别连接运算放大器OPA2(342的差分输出端和增益放大器的输出端。
电容C3(318一端连接在运算放大器OPA1(341的正向输入端，电容C4(319一端连接在运算放大器OPA1(341的负向输入端，电容C5(322一端连接在运算放大器OPA2(342的正向输入端，电容C6(323一端连接在运算放大器OPA2(342的负向输入端，电容C7(326、C8(329的一端连接在运算放大器OPA1(341的差分输出端，电容C9(332、C10(335的一端连接在运算放大器OPA2(342的差分输出端。
可变电容阵列CAP ARRAY1(305两端分别和开关P3(303、P5(307相连，可变电容阵列CAP ARRAY2(306两端分别和开关P4(304、P6(308相连，通过程序控制来实现不同的电容值。
本发明的有益效果在于：
一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器，通过分时复用、分时输出实现开关电容可编程增益放大器的连续信号输出，并实现全差分电路结构；通过相关双采样技术消除低频噪声和失调；可变电容阵列的n个电容呈指数分布，利用程序控制可变电容阵列来实现2n种不同的电容值。可变电容阵列选择采样电容而不是反馈电容，避免对放大器性能的影响。本发明可以实现2n种可调增益，大大提高了电路精度，能够适用于不同的电容式加速度传感器敏感结构，并实现多量程检测。
附图说明
图1为本发明的高精度可编程增益放大器电路图；
图2为本发明的工作时序图；
图3为可变电容阵列；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1为本发明的高精度可编程增益放大器，主要由开关P1(301、P2(302、P3(303、P4(304、P5(307、P6(308、P7(309、P8(310、P9(311、P10(312、P11(313、P12(314、P13(315、P14(316、P15(317、P16(320、P17(321、P18(324、P19(325、P20(327、P21(328、P22(330、P23(331、P24(333、P25(334、P26(336、P27(337、P28(338、P29(339、P30(340；电容C3(318、C4(319、C5(322、C6(323、C7(326、C8(329、C9(332、C10(335；可变电容阵列CAP ARRAY1(305、CAPARRAY2(306；运算放大器OPA1(341、OPA2(342组成。其中开关P1(301、P2(302的一端连接差分输入，开关P3(303、P4(304的一端连接共模电压VCM。可变电容阵列CAP ARRAY1(305两端分别和开关P3(303、P5(307相连，可变电容阵列CAP ARRAY2(306两端分别和开关P4(304、P6(308相连，通过程序控制来实现不同的电容值。开关P5(307、P6(308、P11(313、P12(314、P13(315、P14(316的一端连接共模电压VCM，开关P7(309、P8(310、P9(311、P10(312的一端分别连接在相关双取样电容C3(318、C4(319、C5(322、C6(323的一端，开关P15(317两端分别连接相关双取样电容C3(318和反馈电容C7(326，开关P16(320两端分别连接相关双取样电容C4(319和反馈电容C8(329，开关P17(321两端分别连接相关双取样电容C5(322和反馈电容P24(333，开关P18(324两端分别连接相关双取样电容C6(323和反馈电容C10(335，开关P19(325两端连接在反馈电容C7(326的两端，开关P22(330两端连接在反馈电容C8(329的两端，开关P23(331两端连接在反馈电容C9(332的两端，开关P26(336两端连接在反馈电容C10(335的两端，开关P20(327的两端连接在运算放大器OPA1(341的正向输入端和差分输出端，开关P24(333的两端连接在运算放大器OPA2(342的正向输入端和差分输出端，开关P21(328的两端连接在运算放大器OPA1(341的负向输入端和差分输出端，开关P25(334的两端连接在运算放大器OPA2(342的负向输入端和差分输出端，开关P27(337、P28(338两端分别连接运算放大器OPA1(341的差分输出端和增益放大器的输出端，开关P29(339、P30(340两端分别连接运算放大器OPA2(342的差分输出端和增益放大器的输出端。电容C3(318一端连接在运算放大器OPA1(341的正向输入端，电容C4(319一端连接在运算放大器OPA1(341的负向输入端，电容C5(322一端连接在运算放大器OPA2(342的正向输入端，电容C6(323一端连接在运算放大器OPA2(342的负向输入端，电容C7(326、C8(329的一端连接在运算放大器OPA1(341的差分输出端，电容C9(332、C10(335的一端连接在运算放大器OPA2(342的差分输出端。通过分时复用、分时输出实现开关电容可编程增益放大器的连续信号输出，并实现全差分电路结构；通过相关双采样技术消除低频噪声和失调；可变电容阵列的n个电容呈指数分布，利用程序控制可变电容阵列来实现2n种不同的电容值，可以实现2n种可调增益，大大提高了电路精度。
图2为本发明的工作时序图，时钟信号S1、S2、S3、S4、S5、S6控制可编程增益放大器进行输入信号采样、电荷转移和输出保持的操作，通过分时复用、分时输出实现可编程增益放大器的连续信号输出。
图3为可变电容阵列，开关电容型可编程增益放大器的放大倍数与采样电容和反馈电容的比值有关。本发明设计了一组可变电容阵列来实现不同的采样电容值。其中电容C0～Cn呈指数分布，分别为C0×20，C0×21…C0×2n，C0为单位补偿电容。本发明设计的可变电容阵列能够使可编程增益放大器实现不同的可调增益，大大提高了放大器的精度。
可编程增益放大器上下两部分在时钟信号S1、S2、S3、S4、S5、S6作用下进行输入信号采样、电荷转移和输出保持的操作。两部分交替进行，通过分时复用、分时输出实现可编程增益放大器的连续信号输出。OPA1(341和OPA2(342为全差分运算放大器，CAP ARRAY1(305和CAP ARRAY2(306为可变电容阵列，通过外部程序选择不同的电容值连接到电路中，实现不同的增益。电容C3(318、C4(319、C5(322、C6(323为相关双取样电容，用于消除电路的低频噪声和失调，C7(326、C8(329和C9(332、C10(335分别为全差分运算放大器OPA1(341和OPA2(342的反馈电容。
电路上半部分：S4接低电平整个下半部分断开。采样时S1接高电平，可变电容阵列CAP ARRAY1(305和CAP ARRAY2(306(公式中用C1和C2代替分别对输入信号PGA_IN和PGA_IP进行采样；S5接高电平，全差分放大器的失调电压和1/f噪声储存在相关双取样电容C3(318和C4(319，反馈电容C7(326和C8(329电荷清零；S6和S2接低电平。结点A电荷为(VCM-VINC1，结点B电荷(VCM-VIPC2。电荷转移时S1、S5接低电平，S6接高电平，因为相关双取样电容C3(318和C4(319的电压与电路失调电压相互抵消，所以可变电容阵列CAP ARRAY1(305和CAP ARRAY2(306的电荷全部转移到反馈电容上C7(326和C8(329。输出保持时S1、S2接高电平，S5、S6接低电平，可变电容阵列对输入进行采样的同时，反馈电容C7(326和C8(329上的电压保持输出。以上过程根据电荷守恒定律可得：
其中VOUT1P为运算放大器OPA1(341的正向输出，其中VOUT1N为运算放大器OPA1(341的负向输出。C1＝C2＝CS，C7＝C8＝CF。对公式(1)中的两式相减可得：
(VA-VB)C1+(VA-VB)CF-(VOUT1P-VOUT1N)CF＝(VIP-VIN)CS (2)
其中Au1为运算放大器OPA1(341的增益，若Au1→∞，VA-VB＝0，可得
电路下半部分：S6接低电平整个上半部分断开。电路上半部分输出保持的同时可变电容阵列CAP ARRAY1(305和CAP ARRAY2(306(公式中用C1和C2代替分别对输入信号PGA_IN和PGA_IP进行采样，S1接高电平，S3接高电平，全差分放大器的失调电压和1/f噪声储存在相关双取样电容C5(322和C6(323，反馈电容C9(332和C10(335电荷清零；S4接低电平，S2接高电平。结点A电荷为(VCM-VINC1)，结点B电荷(VCM-VIPC2)。电荷转移时S1、S3接低电平，S4接高电平，因为相关双取样电容C5(322和C6(323的电压与电路失调电压相互抵消，所以可变电容阵列CAP ARRAY1(305和CAP ARRAY2(306的电荷全部转移到反馈电容上C9(332和C10(335。输出保持时S2、S3、S6接低电平，S1接高电平，可变电容阵列对输入进行采样的同时，反馈电容C9(332和C10(335上的电压保持输出。以上过程根据电荷守恒定律可得：
其中VOUT2P为运算放大器OPA2(342的正向输出，其中VOUT2N为运算放大器OPA2(342的负向输出。C1＝C2＝CS，C9＝C10＝CF。对公式(1)中的两式相减可得：
(VA-VB)C1+(VA-VB)CF-(VOUT2N-VOUT2P)CF＝(VIP-VIN)CS (6)
其中Au2为运算放大器OPA2(342的增益，若Au2→∞，VA-VB＝0，可得
根据公式(4)和(8)可得运算放大器OPA1(341和OPA2(342的输出大小相等方向相反。时钟控制二者工作状态交替进行，通过分时复用、分时输出实现可编程增益放大器的连续信号输出。
通过程序控制可变电容阵列CAP ARRAY1(305和CAP ARRAY2(306可以实现2n种不同的电容值。根据公式(4)和(8)选择不同的CS电容值可得到不同的放大倍数，进而实现2n种可调增益，大大提高了电路精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器，其特征在于：
组件为开关电容结构，包括开关：P1(301)、P2(302)、P3(303)、P4(304)、P5(307)、P6(308)、P7(309)、P8(310)、P9(311)、P10(312)、P11(313)、P12(314)、P13(315)、P14(316)、P15(317)、P16(320)、P17(321)、P18(324)、P19(325)、P20(327)、P21(328)、P22(330)、P23(331)、P24(333)、P25(334)、P26(336)、P27(337)、P28(338)、P29(339)、P30(340)；电容：C3(318)、C4(319)、C5(322)、C6(323)、C7(326)、C8(329)、C9(332)、C10(335)；可变电容阵列：CAP ARRAY1(305)、CAP ARRAY2(306)；运算放大器：OPA1(341)、OPA2(342)。
2.根据权利要求1所述的一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器，其特征在于：
P1(301)、P2(302)的一端连接差分输入，P3(303)、P4(304)的一端连接共模电压VCM，P5(307)、P6(308)、P11(313)、P12(314)、P13(315)、P14(316)的一端连接共模电压VCM，P7(309)、P8(310)、P9(311)、P10(312)的一端分别连接在C3(318)、C4(319)、C5(322)、C6(323)的一端，P15(317)两端分别连接C3(318)和C7(326)，P16(320)两端分别连接C4(319)和C8(329)，P17(321)两端分别连接C5(322)和P24(333)，P18(324)两端分别连接C6(323)和C10(335)，P19(325)两端连接在C7(326)的两端，P22(330)两端连接在C8(329)的两端，P23(331)两端连接在C9(332)的两端，P26(336)两端连接在C10(335)的两端，P20(327)的两端连接在OPA1(341)的正向输入端和差分输出端，开关P24(333)的两端连接在OPA2(342)的正向输入端和差分输出端，P21(328)的两端连接在OPA1(341)的负向输入端和差分输出端，P25(334)的两端连接在OPA2(342)的负向输入端和差分输出端，P27(337)、P28(338)两端分别连接OPA1(341)的差分输出端和增益放大器的输出端，P29(339)、P30(340)两端分别连接运算放大器OPA2(342)的差分输出端和增益放大器的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器，其特征在于：
C3(318)一端连接在OPA1(341)的正向输入端，C4(319)一端连接在OPA1(341)的负向输入端，C5(322)一端连接在OPA2(342)的正向输入端，C6(323)一端连接在运算放大器OPA2(342)的负向输入端，C7(326)、C8(329)的一端连接在OPA1(341)的差分输出端，C9(332)、C10(335)的一端连接在OPA2(342)的差分输出端。
4.根据权利要求1所述的一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器，其特征在于：
CAP ARRAY1(305)两端分别和P3(303)、P5(307)相连，可变电容阵列CAP ARRAY2(306)两端分别和P4(304)、P6(308)相连。
5.根据权利要求1所述的一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器，其特征在于：
OPA1(341)和OPA2(342)为全差分运算放大器，C3(318)、C4(319)、C5(322)、C6(323)为相关双取样电容，C7(326)、C8(329)和C9(332)、C10(335)分别为OPA1(341)和OPA2(342)的反馈电容。
6.根据权利要求1所述的一种应用于电容式加速度计的可编程增益放大器，其特征在于：
CAP ARRAY1(305)和CAP ARRAY2(306)分别由n个电容组成，电容C0～Cn呈指数分布，大小分别为C0×20，C0×21…C0×2n，C0为单位补偿电容。
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