CN113922776A - 一种基于开关电容式共模反馈电荷放大器的c/v转换电路 - Google Patents
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Abstract
一种基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路，由信号调制器、共模反馈电荷放大器、解调器以及低通滤波器四部分构成；所述共模反馈电荷放大器采用基于开关电容式共模反馈运算放大器替换传统的放大器。所述开关电容共模反馈电荷放大器主要由一个全差分运算放大器A2，两个积分电容Cint和两个反馈电阻Rb构成，其中运算放大器A2由开关电容共模反馈控制电路(SC_CMFB)和主放大器电路(A2_core)构成。本发明通过对共模反馈部分做出的改动，在有效降低功耗的基础上，高频控制的时钟信号使得输出共模反馈控制电路的输出共模信号得到了快速恢复，从而使放大器的输入端共模信号通过反馈电阻也得到快速调整，进而改善了整个C/V转换电路的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电容型MEMS硅微陀螺传感器的C/V(电容/电压)转换电路，特别是基于电荷放大器的C/V转换电路，属于电容测量技术领域。
背景技术
传感器的待检测电容变化量的日益减小对C/V(电容/电压)转换电路提出了低噪声、高精度、宽电容范围检测等挑战。
三种常见的C/V转换电路包括，基于电荷放大器的连续时间电压调制式C/V转换电路、基于跨阻放大器的连续时间电流调制式C/V转换电路和基于开关电容技术的离散时间式C/V转换电路。其中，如图1所示的基于电荷放大器的连续时间电压调制式C/V转换电路，以其低噪声、高精度、低功耗等优良性能成为电容式MEMS硅微陀螺传感器检测电路结构首选。另一方面，通常高精度的MEMS硅微陀螺传感器的待检测电容变化量为差分信号，其电路等效模型如图1所示，C0为传感器的静态电容，ΔC为传感器的变化电容信号。因此，基于全差分电荷放大器的C/V转换电路以其显著抑制共模噪声的优点成为该传感器检测电路的主要实现方法，其中电荷放大器的主要构成器件运算放大器需要输出共模反馈控制电路来获得稳定的输出共模信号。而传统电荷放大器中全差分运算放大器通常采用连续时间共模反馈电路来实现输出共模信号控制，即基于连续时间共模反馈电荷放大器的C/V转换电路。
如图1所示，为上述传统基于连续时间共模反馈电荷放大器的C/V转换电路结构，主要由信号调制器、连续时间共模反馈电荷放大器、解调器以及低通滤波器四个部分构成，电源电压为VDD，输入时钟信号为clk_cv，输出载波信号为Vc(与传感器差分电容公共端相连)，传感器差分输入信号为VIP和VIN(分别与传感器差分电容非公共端相连)，输入参考共模信号为Vcm，C/V转换电路差分电压输出信号为Vop_cv和Von_cv。clk_cv通过信号调制器产生载波信号Vc，进而将传感器的变化电容信号调制到高频以降低低频处电路噪声对电容信号的影响。调制到高频的电容信号通过电荷放大器实现电容电压信号转换，输出电压信号为Vop和Von，解调器再将高频电容电压信号搬移至低频，解调后输出的电压信号为Vop_d和Von_d，并通过最终的低通滤波电路滤除高频噪声，从而输出电压信号Vop_cv和Von_cv，最终完成电容信号至电压信号转换。
如图1所示，该连续时间共模反馈电荷放大器主要由一个全差分运算放大器A1,两个积分电容Cint和两个反馈电容Rb构成，其中A1由连续时间共模反馈电路和主放大器电路(A1_core)构成,如图2所示。M1～M4为尺寸相等的PMOS晶体管，M5和M6为尺寸相等的NMOS晶体管，源耦合对M1～M2和M3～M4共同检测输出共模电压，并产生一个与输出共模和理想共模参考电压Vcm的差值成比例的电压值Vcmfb。该电路结构能正常工作的前提是M1～M4总工作在放大区且Vop-Vcm和Von-Vcm的差值能看作是小信号输入。若输出电压Vop、Von的变化范围过大，就有可能导致在某一时刻两者与Vcm的差值过大从而导致M1～M4中的任一管子截止，则在该段输出部分的共模反馈环路将受到影响，此种结构一般采取增大功耗来增强反馈力度。因此，在传统基于连续时间共模反馈电荷放大器的C/V转换电路往往在功耗方面明显有所提升，对整体信号的处理能力也相对一般。
如图3所示，为该C/V转换电路的工作时序图，其中载波信号Vc、调制控制信号clk_m/clk_mb和解调控制信号clk_dm/clk_dmb由clk_cv通过一定的逻辑电路产生。调制控制信号clk_m/clk_mb通过对开关的控制，实现载波信号Vc，Vc将低频电容信号搬移到高频处。调制到高频的有用电容信号以电荷的形式通过积分电容Cint进行转移，并在电荷放大器的作用下以电压信号的形式在运算放大器的输出端输出(Vop和Von)。解调部分将高频处转换后的有用电压信号恢复到基带，其中低占空比的解调控制信号clk_dm/clk_dmb是使系统有足够充分的时间将解调出来的有用信号进行稳定输出(Vop_d和Von_d)。最后，低通滤波将高频噪声分量滤除，获得对应转换电压信号(Vop_cv和Von_cv)。理想情况下，C/V转换器输出的电压可表示为
综上，在常见的C/V转换电路中，基于电荷放大器的连续时间电压调制式C/V转换电路主要采用连续时间共模反馈电路结构的运算放大器，由于调制型结构的高频载波Vc会通过传感器电容C0、积分电容Cint甚至传感器的寄生电容CP分压从而造成电荷放大器输入端的共模电平发生偏移，使得共模反馈部分往往需要更高的功耗来稳定共模值，在较大程度上增加了系统功耗。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路；保证在原有结构的前提下对基于连续时间共模反馈电路的全差分运算放大器的共模控制部分进行改进。
本发明的技术方案
一种基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路，由信号调制器、共模反馈电荷放大器、解调器以及低通滤波器四个部分构成，其中，所述的共模反馈电荷放大器采用开关电容共模反馈电荷放大器替换传统式连续时间共模反馈电荷放大器。
本发明为了降低C/V转换电路的系统功耗，提出采用离散时间式电容开关型输出共模反馈电路(SC-CMFB)代替传统连续时间输出共模反馈电路，即只对整体C/V转换电路结构中的运算放大器进行改进，由图2的基于连续时间共模反馈电路结构的运算放大器改进为图5的基于开关电容式共模反馈电路结构的运算放大器，调整后的整体C/V转换电路结构如图4所示。其中，电源电压为VDD，地为GND，输入时钟信号为clk_cv，输出载波信号为Vc与传感器差分电容公共端相连，传感器差分输入信号为VIP和VIN分别与传感器差分电容非公共端相连，理想共模参考电压为Vcm，C/V转换电路差分电压输出信号为Vop_cv和Von_cv。
所述开关电容共模反馈电荷放大器由一个全差分运算放大器A2，两个积分电容Cint和两个反馈电阻Rb构成；运算放大器A2的两个输入端分别与积分电容和反馈电阻的一侧相连，同时连接待检测变化电容的一侧，而运算放大器的两个输出端与积分电容和反馈电阻的另一侧相连，同时连接解调器。
通过以上连接可知，运算放大器的输入端处理的是在待检测变化电容在载波的作用下产生并积累在运算放大器输入端的变化电荷量，运算放大器的输出端处理的是这些变化电荷量通过反馈电容的作用在运算放大器输出端积累形成的变化电压值。通过该过程电荷放大器实现了变化电容信号的识别工作并完成了向电压信号的转变过程，接下来可通过解调器、滤波器对电压信号进行直接处理。
其中，电荷放大器中所用的运算放大器A2由电容开关共模反馈控制电路SC_CMFB和主放大器电路A2_core构成，如图5所示。该运算放大器采用开关电容式共模反馈结合全差分输入对管的组合形式，构成了更适合基于电荷放大器结构C/V转换电路的运算放大电路；其中SC_CMFB电路由四个完全相同的CMOS构成第一和第二两组开关(S1、S2)和第一至第四4个NMOS器件(M1～M4)以及两组两两相同的第一和第二电容(C1、C2)构成；两组开关(S1、S2)选用CMOS开关是为了避免单个NMOS开关的时钟馈通效应导致的输出共模电压与时钟信号同频率的波动问题，两相不交叠时钟信号clk1/clk1d、clk2/clk2d控制CMOS开关组以及4个NMOS器件的闭合与断开，全差分运算放大器的输出电压为Vop和Von；
该基于开关电容式共模反馈的运算放大器A2的主运放内部连接方式与传统的折叠式全差分放大电路的连接方式相同，只有共模反馈部分做出适当更改；当共模反馈部分clk1/clk1d为高电平时，开关S2闭合、第2和第3NMOS器件(M2、M3)导通，主运算放大器的输出端Vop和Von分别与共模反馈部分的第二电容(C2)、反馈部分的第二组开关(S2)一侧相连接，从而对第一和第二电容(C1、C2)进行充电，此时电荷在两组电容上进行储存，第二电容(C2)另一侧的偏置电压Vcmfb则返回到运算放大器的输入端用来调节运算放大器输入偏置电流源的栅极电压值；当clk2/clk2d为高电平时，第一组开关(S1)闭合、第一和第四NMOS器件(M1、M4)导通，此时外接的理想共模参考电压Vcm连接第一组两个开关(S1)的一侧，并通过第一组两个开关(S1)的另一侧分别与第一电容(C1)相连，此时原先积累在两组电容(C1、C2)的电荷进行再次分配，并将得到的直流偏置电压Vbias接入主运放来进行共模电压的校准工作，从而完成共模电压值的检测与校准；差分对管构成的主运放与开关电容构成的反馈部分协同工作，从而构成了完整的基于开关电容式共模反馈的运算放大器电路。
此开关电容式共模反馈结构的共模控制表达式如下所示：
由式(2)可知，开关电容共模反馈首先检测输出共模电压，再与输入参考共模信号Vcm比较，最后叠加一个直流偏置电压Vbias来调节共模反馈电流源的偏置电压Vcmfb。
本发明的优点和有益效果：本发明通过对共模反馈部分做出的改动，在有效降低功耗的基础上，高频控制的时钟信号使得运算放大器中输出共模反馈控制电路的输出共模信号得到了快速恢复，从而使整体C/V转换电路中运算放大器的输入端共模信号通过反馈电阻也得到快速调整，进而改善C/V转换电路的整体性能。
附图说明
图1是基于传统连续共模反馈电荷放大器的C/V转换电路结构框图。
图2是基于传统连续共模反馈电荷放大器的C/V转换电路的A1运算放大器原理图。
图3是基于传统连续共模反馈电荷放大器的C/V转换电路的时钟控制信号时序图。
图4是本发明提出的基于开关电容共模反馈电荷放大器的C/V转换电路结构框图。
图5是本发明提出的基于开关电容共模反馈电荷放大器的A2运算放大器原理图。
图6是本发明提出的基于开关电容共模反馈电荷放大器的C/V转换电路的时钟控制信号时序图。
图7是基于传统连续共模反馈电荷放大器的C/V转换电路的瞬态仿真结果。
图8是基于传统连续共模反馈电荷放大器的C/V转换电路的瞬态仿真结果细节图。
图9是本发明提出的基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路的瞬态仿真结果。
图10是本发明提出的基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路的瞬态仿真结果细节图。
具体实施方式
电路说明、一种基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路
如图4所示，为本发明提出的基于开关电容共模反馈电荷放大器的C/V转换电路结构，主要由信号调制器、基于开关电容共模反馈的电荷放大器、解调器以及低通滤波器四个部分构成，其中开关电容共模反馈电荷放大器的主要构成器件运算放大器A2需要单独的二相不交叠时钟发生电路来产生所需的控制信号。电源电压为VDD，地为GND，输入时钟信号为clk_cv，输出载波信号为Vc(与传感器差分电容公共端相连)，传感器差分输入信号为VIP和VIN(分别与传感器差分电容非公共端相连)，输入参考共模信号为Vcm，C/V转换电路差分电压输出信号为Vop_cv和Von_cv。
信号调制器由一组开关构成，两个开关一侧分别连接VDD和GND，另一侧短接用于产生载波信号Vc。Vc作用于传感器差分电容的公共端，传感器差分电容的非公共端连接运算放大器的输入端VIP和VIN以及陀螺仪传感器的等效寄生电容Cp，此过程通过载波信号Vc将传感器的变化电容信号调制到高频，调制到高频的变化电容信号经过运算放大器的输入端进入到电荷放大器。与电荷放大器输入端相连的复位信号rst用于电荷放大器的快速上电并提供稳定共模电压Vcm，运算放大器A2是基于开关电容共模反馈的全差分型运算放大器，同时开关电容共模反馈结构需要连接特定的二相不交叠时钟发生电路来保证反馈部分的正常工作。连接运算放大器输入和输出的反馈电阻Rb用于稳定输入端的共模值，与之并联的积分电容Cint在传感器电容ΔC的共同作用下将变化电容信号在运算放大器的输出端Vop、Von转化为高频电压信号，具体转化如公式(1)所示，运算放大器的输出端连接负载电容Ca。经电荷放大器转化得到的电压信号在解调器的作用下搬移回低频，解调器由两组开关组成，控制信号clk_dm/clk_dmb通过开关组的交替工作来实现高频信号搬移至低频，解调后输出的电压信号为Vop_d和Von_d。解调出来的波形要经过由电阻Rtp和电容Ctp构成的低通滤波结构，来实现滤除高频噪声的目的，并最终在Vop_cv、Von_cv处以电压信号的形式输出。
如图4所示，该开关电容共模反馈电荷放大器主要由一个全差分运算放大器A2，两个积分电容Cint和两个反馈电阻Rb构成，其中运算放大器A2由电容开关共模反馈控制电路(SC_CMFB)和主放大器电路(A2_core)构成，如图5所示。该运算放大器采用开关电容式共模反馈结合全差分输入对管的组合形式，构成了更适合基于电荷放大器结构C/V转换电路的新型运算放大器。其中SC_CMFB电路由四个完全相同的CMOS构成第一和第二两组开关S1、S2，和第一至第四4个NMOS开关M1～M4以及两组两两相同的第一和第二电容C1、C2构成。两组开关S1、S2选用CMOS开关是为了避免NMOS开关的时钟馈通效应导致的输出共模电压与时钟信号同频率的波动问题。两相不交叠时钟信号clk1/clk1d、clk2/clk2d控制CMOS开关组以及4个NMOS器件的闭合与断开，Vop和Von是全差分运算放大器的输出电压，Vcmfb是共模反馈电流源的偏置电压，Vcm是参考电压，Vbias是直流偏置电压。
此开关电容式共模反馈结构的共模控制表达式如下所示：
由式(2)可知，开关电容共模反馈首先检测输出共模电压，再与理想共模电压Vcm比较，最后叠加一个直流偏置电压Vbias来调节共模反馈电流源的偏置电压Vcmfb。
如图6所示，为本发明所提出的C/V转换电路(基于开关电容式共模反馈电荷放大器)的工作时序图。其中载波信号Vc、调制控制信号clk_m/clk_mb、解调控制信号clk_dm/clk_dmb由clk_cv通过一定的逻辑电路产生。开关电容式共模反馈的控制信号clk1/clk1d、clk2/clk2d是由clk_cv通过二相不交叠时钟发生电路产生。其中clk_m/clk_mb是一组占空比为1/2、同频反相的控制信号，作为调制器的控制信号，同时用来产生载波信号Vc。clk_dm/clk_dmb是与调制信号clk_m/clk_mb频率相同且占空比为1/6的解调信号，作为解调器的控制信号。两相不交叠时钟信号clk1/clk1d、clk2/clk2d用于控制开关组的闭合与断开，作为开关电容共模反馈电路的控制信号。由于开关电容式共模反馈结构的时钟控制信号频率升高可以缩短SC-CMFB的反应时间从而可以达到快速反馈的目的，同时将共模反馈部分的时钟控制信号与调制信号同频可以有效提高整体电路工作的一致性，从而提高C/V转换电路对有用信号的处理能力。
另一方面，电荷放大器利用运算放大器输入端的“虚短”“虚断”作用从而使电荷通过反馈电容进行转移并在输出端转化为电压信号，使得输出电压理论上只与系统所需转移电荷量ΔC和反馈电容Cint有关。而实际电路对于共模信号的控制能力强弱会对整体C/V转换电路的输出造成明显影响。因此，通过采用开关电容反馈控制电路技术使共模反馈速度得到改善，本发明的C/V转换电路整体输出电压在理想表达式不变的情况下，随着共模控制能力的变强也会对电路的整体性能起到较好的改善作用。
仿真结果
(一)基于传统连续共模反馈电荷放大器的C/V转换电路的瞬态仿真结果
静态电容C0＝5pF，ΔC＝0.108pF，tt工艺角，温度＝27度的条件下，传统基于连续时间共模反馈电荷放大器的C/V转换电路仿真结果如图7和图8所示。如图7所示，稳定时刻输出电压(ΔV＝Vop_cv-Von_cv)为47.61mv。如图8所示，为瞬态仿真的细节图，在解调信号控制下输出电压随解调信号周期性变化，两个周期的稳定时刻输出电压的最大差值为46.63μv，同一周期内最大电压纹波为216.22μv。此时C/V转换电路系统总静态电流为2.37mA，其中共模反馈电路的静态电路为0.16mA。
(二)本发明提出的基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路的瞬态仿真结果
在相同仿真条件下，采用本发明提出的基于开关电容式共模反馈电荷放大器C/V转换电路的输出结果，如下图9和图10所示。如图9所示，稳定时刻输出电压(ΔV＝Vop_cv-Von_cv)为59.83mv。如图10所示，为瞬态仿真的细节图，在解调信号控制下输出电压随解调信号周期性变化，两个周期的稳定时刻输出电压的最大差值为1.45μv，同一周期内最大电压纹波为137.95μv。此时C/V转换电路系统总静态电流为1.75mA，其中共模反馈电路的静态电路为0.024mA。
综上所述，基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路系统的功耗更低，且对同一电容信号的处理能力更强、工作稳定性更好、工作误差更小。
Claims (4)
1.一种基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路，由信号调制器、共模反馈电荷放大器、解调器以及低通滤波器四个部分构成，其特征在于，所述共模反馈电荷放大器采用开关电容共模反馈电荷放大器替换传统式连续时间共模反馈电荷放大器。
2.根据权利要求1所述的基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路，其特征在于，所述开关电容共模反馈电荷放大器由一个运算放大器A2，两个积分电容Cint和两个反馈电阻Rb构成；运算放大器A2的两个输入端分别与积分电容和反馈电阻的一侧相连，同时连接待检测变化电容的一侧，而运算放大器的两个输出端与积分电容和反馈电阻的另一侧相连，同时连接解调器。
3.根据权利要求2所述的基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路，其特征在于，电荷放大器中所用的运算放大器A2由电容开关共模反馈控制电路SC_CMFB和主放大器电路A2_core构成，该运算放大器采用开关电容式共模反馈结合全差分输入对管的组合形式，构成了基于电荷放大器结构C/V转换电路的运算放大电路；其中SC_CMFB电路由四个完全相同的CMOS构成第一和第二两组开关(S1、S2)和第一至第四4个NMOS器件(M1～M4)以及两组两两相同的第一和第二电容(C1、C2)构成；两组开关(S1、S2)选用CMOS开关是为了避免单个NMOS开关的时钟馈通效应导致的输出共模电压与时钟信号同频率的波动问题，两相不交叠时钟信号clk1/clk1d、clk2/clk2d控制CMOS开关组以及4个NMOS器件的闭合与断开，全差分运算放大器的输出电压为Vop和Von；
该基于开关电容式共模反馈的运算放大器A2的主运放内部连接方式与传统的折叠式全差分放大电路的连接方式相同，只有共模反馈部分做出适当更改；当共模反馈部分clk1/clk1d为高电平时，开关S2闭合、第2和第3NMOS器件(M2、M3)导通，主运算放大器的输出端Vop和Von分别与共模反馈部分的第二电容(C2)、反馈部分的第二组开关(S2)一侧相连接，从而对第一和第二电容(C1、C2)进行充电，此时电荷在两组电容上进行储存，第二电容(C2)另一侧的偏置电压Vcmfb则返回到运算放大器的输入端用来调节运算放大器输入偏置电流源的栅极电压值；当clk2/clk2d为高电平时，第一组开关(S1)闭合、第一和第四NMOS器件(M1、M4)导通，此时外接的理想共模参考电压Vcm连接第一组两个开关(S1)的一侧，并通过第一组两个开关(S1)的另一侧分别与第一电容(C1)相连，此时原先积累在两组电容(C1、C2)的电荷进行再次分配，并将得到的直流偏置电压Vbias接入主运放来进行共模电压的校准工作，从而完成共模电压值的检测与校准；差分对管构成的主运放与开关电容构成的反馈部分协同工作，从而构成了完整的基于开关电容式共模反馈的运算放大器电路。
4.根据权利要求2或3所述的基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路，其特征在于，所述开关电容式共模反馈结构的共模控制表达式如下所示：
由式(2)可知，开关电容共模反馈首先检测输出共模电压，再与理想共模参考电压Vcm比较，最后叠加一个直流偏置电压Vbias来调节共模反馈电流源的偏置电压Vcmfb。
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