CN112769407B - 应用于mems加速度传感器的c/v转换系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统及其控制方法，包括：第一输入信号Vrp；第二输入信号Vrn；传感电容模块，其与第一输入信号Vrp和第二输入信号Vrn连接；第一开关电容放大模块，其与传感电容模块连接，第一开关电容放大模块对传感电容模块输出的信号进行处理，输出第一输出信号Voutn；第二开关电容放大模块；其与第一开关电容放大模块，第二开关电容放大模块对第一开关电容放大模块输出的信号进行处理，输出第二输出信号Voutp；其中，第二输出信号Voutp与第一输出信号Voutn为差分的互补信号。其形成差分的互补输出信号，加倍了信号范围，提高灵敏度，抑制了电源上由数字电路引入的的共模噪声。

Description

应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统及其控制方法。
背景技术
MEMS电容式加速度传感器是基于电容原理的加速度传感器。其通过检测电容两个极板间距随运动发生的变化，可以将加速度用电容容值的变化量来表征，在诸多领域均有广泛应用。因为电容式加速度传感器只完成了将加速度转化为电容容值改变的工作，所以需要后续C/V转换电路完成从电容容值转化成模拟信号输出的工作。由于转换电路芯片上通常不会只存在读出电路，还集成了信号处理电路以及数字电路模块，如何降低这些模块引入的噪声对输出信号的影响进而精确反应出电容容值的变化量，是设计C/V转换电路时的一个重要考量。
现有的单端C/V转换电路虽然实现简单、功耗效率高，但是在高精度和高集成度MEMS加速度传感器读出芯片中，由于芯片上集成了大量数字电路进行信号处理和时序控制，这些数字电路在芯片内电源和地上引入了不可忽略的噪声，这些噪声会直接体现在输出端口，从而降低了模拟电路的信噪比。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统及其控制方法，其
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统，包括：
第一输入信号Vrp；
第二输入信号Vrn；
传感电容模块，其与第一输入信号Vrp和第二输入信号Vrn连接，所述传感电容模块包括加速度传感器电容，所述加速度传感器电容的电容量随加速度变化而变化；
第一开关电容放大模块，其与传感电容模块连接，第一开关电容放大模块对传感电容模块输出的信号进行处理，输出第一输出信号Voutn；
第二开关电容放大模块；其与第一开关电容放大模块，所述第二开关电容放大模块对第一开关电容放大模块输出的信号进行处理，输出第二输出信号Voutp；
其中，所述第二输出信号Voutp与第一输出信号Voutn为差分的互补信号。
作为优选的，所述加速度传感器电容包括第一电容Ct和第二电容Cb；
所述第一输入信号Vrp与第一电容Ct的第一端之间连接有第一开关S1，所述第二输入信号Vrn与第一电容Ct的第一端之间连接有第二开关S2；
所述第一输入信号Vrp与第二电容Cb的第一端之间连接有第三开关S3，所述第二输入信号Vrn与第二电容Cb的第一端之间连接有第四开关S4。
作为优选的，所述加速度传感器电容包括第一电容Ct、第二电容Cb、第一选择开关和第二选择开关；
所述第一选择开关的一端与第一电容Ct的第一端连接，所述第一选择开关的选择端与第一输入信号Vrp或第二输入信号Vrn连接；
所述第二选择开关的一端与第二电容Cb的第一端连接，所述第二选择开关的选择端与第一输入信号Vrp或第二输入信号Vrn连接。
作为优选的，所述第一开关电容放大模块包括第一运算放大器U1、第五开关S5、第六开关S6和第七开关S7；
所述第一运算放大器U1负向输入端与第一电容Ct的第二端、第二电容Cb的第二端和第三电容Cf的第一端连接，所述第一运算放大器U1的正向输入端接地，所述第一运算放大器U1的输出端输出第一输出信号Voutn；
所述第一运算放大器U1的负向输入端与第一运算放大器U1的输出端之间连接有第五开关S5，所述第三电容Cf的第二端与所述第一运算放大器U1的输出端之间连接有第七开关S7，所述第六开关S6的一端与第三电容Cf的第二端连接，所述第六开关S6的另一端接地。
作为优选的，所述第二开关电容放大模块包括第二运算放大器U2、第四电容Cd、第五电容Ce、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10、第十一开关S11和第十二开关S12；
所述第五电容Ce的第一端通过第八开关S8与第一运算放大器U1的输出端连接，所述第九开关S9的一端与所述第五电容Ce的第一端连接，所述第九开关S9的另一端接地；
所述第二运算放大器U2的负向输入端与第四电容Cd的第一端和第五电容Ce的第二端连接，所述第二运算放大器的正向输入端接地，所述第二运算放大器U2的输出端输出第二输出信号Voutp；
所述第二运算放大器U2的负向输入端与第二运算放大器U2的输出端之间连接有第十开关S10，所述第四电容Cd的第二端与所述第二运算放大器U2的输出端之间连接有第十二开关S12，所述第十二开关S12的一端与第四电容Cd的第二端连接，所述第十二开关S12的另一端接地。
作为优选的，所述第四电容Cd等于第五电容Ce的电容值。
本发明公开了一种C/V转换系统的控制方法，基于上述的应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统，包括控制不同开关通断的第一时序信号和第二时序信号；
所述第一时序信号控制第一开关S1、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第九开关S9、第十开关S10和第十一开关S11的通断；
所述第二时序信号控制第二开关S2、第三开关S3、第七开关S7、第八开关S8和第十二开关S12的通断；
当所述第一时序信号控制的开关导通时，所述第二时序信号控制的开关断开。
作为优选的，所述第一时序信号为方波波形。
作为优选的，当所述第四电容Cd等于第五电容Ce的电容值时，
所述第一输出信号
Figure BDA0002858079200000041
所述第二输出信号
Figure BDA0002858079200000042
本发明的应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统的有益效果：
1、本发明通过形成差分的互补信号，一方面，可以加倍了信号范围，提高灵敏度；另一方面，差分信号很好的抑制了电源上由数字电路引入的的共模噪声。
2、本发明所提出的电路具有较高信噪比，可以与其他数字电路较好的兼容集成，一方面提升了产品的精度与集成度，另一方面也是扩展了本发明的MEMS加速度传感器读出电路的应用范围。
本发明中C/V转换系统的控制方法的有益效果：
本发明通过第一时序信号控制第一开关S1、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第九开关S9、第十开关S10和第十一开关S11的通断；第二时序信号控制第二开关S2、第三开关S3、第七开关S7、第八开关S8和第十二开关S12的通断。当第一时序信号控制的开关导通时，第二时序信号控制的开关断开，如此，便于形成差分的互补输出信号，从而加倍了信号范围，提高灵敏度，抑制了电源上由数字电路引入的的共模噪声。
附图说明
图1为本发明的应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统的示意图；
图2为本发明中C/V转换系统的时序图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的公开了一种应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统，包括第一输入信号Vrp、第二输入信号Vrn、传感电容模块、第一开关电容放大模块和第二开关电容放大模块。
传感电容模块与第一输入信号Vrp和第二输入信号Vrn连接，传感电容模块包括加速度传感器电容，加速度传感器电容的电容量随加速度变化而变化。Ct与Cb的容值变化量用来表征加速度的大小，电路的功能就是将这一变化量转换为模拟信号并且输出。Cf表示读出电路中的电容，根据输出信号的电压幅度需要，可以调节该电容容值。
第一开关电容放大模块与传感电容模块连接，第一开关电容放大模块对传感电容模块输出的信号进行处理，输出第一输出信号Voutn。
第二开关电容放大模块与第一开关电容放大模块，第二开关电容放大模块对第一开关电容放大模块输出的信号进行处理，输出第二输出信号Voutp；其中，第二输出信号Voutp与第一输出信号Voutn为差分的互补信号。
本发明通过形成差分的互补信号，一方面，可以加倍了信号范围，提高灵敏度；另一方面，差分信号很好的抑制了电源上由数字电路引入的的共模噪声。
本发明所提出的电路具有较高信噪比，可以与其他数字电路较好的兼容集成，一方面提升了产品的精度与集成度，另一方面也是扩展了本发明的MEMS加速度传感器读出电路的应用范围。
具体的，加速度传感器电容包括第一电容Ct和第二电容Cb。第一输入信号Vrp与第一电容Ct的第一端之间连接有第一开关S1，第二输入信号Vrn与第一电容Ct的第一端之间连接有第二开关S2。第一输入信号Vrp与第二电容Cb的第一端之间连接有第三开关S3，第二输入信号Vrn与第二电容Cb的第一端之间连接有第四开关S4。
加速度传感器电容包括第一电容Ct、第二电容Cb、第一选择开关和第二选择开关。第一选择开关的一端与第一电容Ct的第一端连接，第一选择开关的选择端与第一输入信号Vrp或第二输入信号Vrn连接。第二选择开关的一端与第二电容Cb的第一端连接，第二选择开关的选择端与第一输入信号Vrp或第二输入信号Vrn连接。
第一开关电容放大模块包括第一运算放大器U1、第五开关S5、第六开关S6和第七开关S7。第一运算放大器U1负向输入端与第一电容Ct的第二端、第二电容Cb的第二端和第三电容Cf的第一端连接，第一运算放大器U1的正向输入端接地，第一运算放大器U1的输出端输出第一输出信号Voutn；第一运算放大器U1的负向输入端与第一运算放大器U1的输出端之间连接有第五开关S5，第三电容Cf的第二端与第一运算放大器U1的输出端之间连接有第七开关S7，第六开关S6的一端与第三电容Cf的第二端连接，第六开关S6的另一端接地。
第二开关电容放大模块包括第二运算放大器U2、第四电容Cd、第五电容Ce、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10、第十一开关S11和第十二开关S12；第五电容Ce的第一端通过第八开关S8与第一运算放大器U1的输出端连接，第九开关S9的一端与第五电容Ce的第一端连接，第九开关S9的另一端接地；第二运算放大器U2的负向输入端与第四电容Cd的第一端和第五电容Ce的第二端连接，第二运算放大器的正向输入端接地，第二运算放大器U2的输出端输出第二输出信号Voutp；第二运算放大器U2的负向输入端与第二运算放大器U2的输出端之间连接有第十开关S10，第四电容Cd的第二端与第二运算放大器U2的输出端之间连接有第十二开关S12，第十二开关S12的一端与第四电容Cd的第二端连接，第十二开关S12的另一端接地。
作为优选信号，第四电容Cd等于第五电容Ce的电容值。
本发明公开了一种C/V转换系统的控制方法，基于上述的应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统，包括控制不同开关通断的第一时序信号和第二时序信号；第一时序信号控制第一开关S1、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第九开关S9、第十开关S10和第十一开关S11的通断；第二时序信号控制第二开关S2、第三开关S3、第七开关S7、第八开关S8和第十二开关S12的通断。当第一时序信号控制的开关导通时，第二时序信号控制的开关断开。第一时序信号可为方波波形。
如图2所示，为本发明中C/V转换系统的时序图。其中，S1/S4/S5/S6/S9/S10/S11与S2/S3/S7/S8/S12分别表示作用在对应开关上的时序信号；Voutp、Voutn分别表示正负端输出的信号。
当第四电容Cd等于第五电容Ce的电容值时，
第一输出信号
Figure BDA0002858079200000081
第二输出信号
Figure BDA0002858079200000082
本发明的工作原理是：在图1的MEMS加速度传感器C/V转换系统中，Ct与Cb的容值变化量用来表征加速度的大小，电路的功能就是将这一变化量转换为差分模拟信号并且输出。Cd、Ce、Cf表示读出电路中的电容，根据输出信号的电压幅度需要，可以调节该电容容值。对照转换电路的时序图可知，开关S1、S4、S5、S6、S9、S10和S11共用同一时钟信号，开关S2、S3、S7、S8和S12共用另一时钟信号，且两时钟信号互补，也就是开关S1、S4、S5、S6、S9、S10、S11与开关S2、S3、S7、S8、S12交替导通(假定高电平状态时开关S1、S4、S5、S6、S9、S10、S11断开，开关S2、S3、S7、S8、S12导通)。
当开关S1、S4、S5、S6、S9、S10、S11导通时，开关S2、S3、S7、S8、S12断开，此时由电压型运算放大器Amp1、Amp2的高输入阻抗可得，电容Cf、Ce两端的电压差为0，储存电荷量为0。电容Ct的上极板电压为Vrp，电容Cb的下极板电压为Vrn，Ct与Cb相接的极板上电压为0，所以电容上分别储存了Vrp·Ct与Vrn·Cb数值的电荷。此时转换电路中Amp1、Amp2的输出信号Voutn、Voutp均为0。
当开关S1、S4、S5、S6、S9、S10、S11断开时，开关S2、S3、S7、S8、S12闭合，电容Ct的上极板电压为Vrn，电容Cb的下极板电压为Vrp，Ct与Cb相接的极板上电压仍然为0。根据电荷守恒可知：在电容Ct与Cb上电荷变化将体现在电容Cf上。同理，因为电容Ce与Cd相接的极板电压也为0，所以Voutn的变化将在Voutp端得到体现且以互补形式。结合转换电路图以及时序，此时可以推导得输出信号为：
Figure BDA0002858079200000083
Figure BDA0002858079200000091
输出信号Voutn、Voutp随时序的交替变化如上述转换电路时序图所示。
本发明中的开关器件的实现，可以由单个N型或P型MOSFET管构成，也可以由N型P型MOSFET组合构成。
本发明中的电路中Amp(运算放大器)的实现上，放大器级数可以是一级、二级或者更高级联，结构上不限于套筒式或折叠式共源共栅以及简单的差分对。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统，其特征在于，包括：
第一输入信号Vrp；
第二输入信号Vrn；
传感电容模块，其与第一输入信号Vrp和第二输入信号Vrn连接，所述传感电容模块包括加速度传感器电容，所述加速度传感器电容的电容量随加速度变化而变化；
第一开关电容放大模块，其与传感电容模块连接，第一开关电容放大模块对传感电容模块输出的信号进行处理，输出第一输出信号Voutn；
第二开关电容放大模块，其与第一开关电容放大模块连接，所述第二开关电容放大模块对第一开关电容放大模块输出的信号进行处理，输出第二输出信号Voutp；
其中，所述第二输出信号Voutp与第一输出信号Voutn为差分的互补信号。
2.如权利要求1所述的应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统，其特征在于，所述加速度传感器电容包括第一电容Ct和第二电容Cb；
所述第一输入信号Vrp与第一电容Ct的第一端之间连接有第一开关S1，所述第二输入信号Vrn与第一电容Ct的第一端之间连接有第二开关S2；
所述第一输入信号Vrp与第二电容Cb的第一端之间连接有第三开关S3，所述第二输入信号Vrn与第二电容Cb的第一端之间连接有第四开关S4。
3.如权利要求1所述的应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统，其特征在于，所述加速度传感器电容包括第一电容Ct、第二电容Cb、第一选择开关和第二选择开关；
所述第一选择开关的一端与第一电容Ct的第一端连接，所述第一选择开关的选择端与第一输入信号Vrp或第二输入信号Vrn连接；
所述第二选择开关的一端与第二电容Cb的第一端连接，所述第二选择开关的选择端与第一输入信号Vrp或第二输入信号Vrn连接。
4.如权利要求2或3所述的应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统，其特征在于，所述第一开关电容放大模块包括第一运算放大器U1、第五开关S5、第六开关S6和第七开关S7；
所述第一运算放大器U1负向输入端与第一电容Ct的第二端、第二电容Cb的第二端和第三电容Cf的第一端连接，所述第一运算放大器U1的正向输入端接地，所述第一运算放大器U1的输出端输出第一输出信号Voutn；
所述第一运算放大器U1的负向输入端与第一运算放大器U1的输出端之间连接有第五开关S5，所述第三电容Cf的第二端与所述第一运算放大器U1的输出端之间连接有第七开关S7，所述第六开关S6的一端与第三电容Cf的第二端连接，所述第六开关S6的另一端接地。
5.如权利要求4所述的应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统，其特征在于，所述第二开关电容放大模块包括第二运算放大器U2、第四电容Cd、第五电容Ce、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10、第十一开关S11和第十二开关S12；
所述第五电容Ce的第一端通过第八开关S8与第一运算放大器U1的输出端连接，所述第九开关S9的一端与所述第五电容Ce的第一端连接，所述第九开关S9的另一端接地；
所述第二运算放大器U2的负向输入端与第四电容Cd的第一端和第五电容Ce的第二端连接，所述第二运算放大器的正向输入端接地，所述第二运算放大器U2的输出端输出第二输出信号Voutp；
所述第二运算放大器U2的负向输入端与第二运算放大器U2的输出端之间连接有第十开关S10，所述第四电容Cd的第二端与所述第二运算放大器U2的输出端之间连接有第十二开关S12，所述第十二开关S12的一端与第四电容Cd的第二端连接，所述第十二开关S12的另一端接地。
6.如权利要求5所述的应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统，其特征在于，所述第四电容Cd等于第五电容Ce的电容值。
7.一种C/V转换系统的控制方法，基于权利要求5或6所述的应用于MEMS加速度传感器的C/V转换系统，其特征在于，包括控制不同开关通断的第一时序信号和第二时序信号；
所述第一时序信号控制第一开关S1、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第九开关S9、第十开关S10和第十一开关S11的通断；
所述第二时序信号控制第二开关S2、第三开关S3、第七开关S7、第八开关S8和第十二开关S12的通断；
当所述第一时序信号控制的开关导通时，所述第二时序信号控制的开关断开。
8.如权利要求7所述的C/V转换系统的控制方法，其特征在于，所述第一时序信号为方波波形。
9.如权利要求8所述的C/V转换系统的控制方法，其特征在于，当所述第四电容Cd等于第五电容Ce的电容值时，
所述第一输出信号
Figure FDA0004252445990000031
所述第二输出信号
Figure FDA0004252445990000041
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