CN114679141A - 一种具有高精度输入共模控制的电容式传感器接口电路 - Google Patents

一种具有高精度输入共模控制的电容式传感器接口电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电容式传感器接口电路,本发明的MEMS机械传感元件将外部加速度信号转换为MEMS机械电容变化量，产生传感器电荷信号A和B；输入共模控制单元用于吸收传感器电荷信号的共模分量，其差模分量传输到电容‑电压转换模块进行信号放大，实现电容电压的转换。输入共模控制单元包括有源共模反馈控制和无源共模控制，其有源共模反馈控制模块包括反馈控制环路、电平移位网络和采样保持网络；反馈控制环路用于对残余共模分量进行采样，并依采样调整共模吸收量；电平移位网络用于提高反馈控制环路中运算放大器的输出摆幅，同时减小运算放大器的增益误差；采样保持网络可消除运算放大器A2失调电压，同时提高运算放大器增益精度。

Description

一种具有高精度输入共模控制的电容式传感器接口电路
技术领域
本发明涉及应用于电容式传感器技术领域，特别涉及一种微机电路系统(MicroElectro Mechanical System,MEMS)电容式加速度计接口电路。
背景技术
MEMS电容传感器广泛应用于惯性传感器、压力传感器、物联网麦克风等领域。读出电路是MEMS传感器整个电路系统性能的瓶颈。差动感应结构在读出电路中得到了广泛的应用，因为它具有许多重要的优点，包括提高了电源抑制率和对共模误差的一阶抑制。然而，全差分放大器工作在一个大的输入共模信号。由于MEMS传感器和总电容构成一个电容分压器，驱动信号将在放大器输入处衰减。因此，没有输入共模反馈控制电路的电容-电压转换器将需要容忍几百毫伏大小的输入共模变化，这在低功耗过程中(例如在低压接口中)是不可行的。没有输入共模反馈控制电路的电容-电压转换器的另一个大缺点是，在放大器输入端的共模阶跃，降低了激励电压的有效幅值，这会降低传感器的灵敏度。
发明内容
为了解决上述技术问题，我们公开一种高精度共模反馈控制电路，使用过采样逐次逼近相关电平移技术。该方法结合了开关电容电路的保持网络和电平移位网络，具有较高的增益精度和较宽的输出摆幅。高增益提高了共模电压控制的精度。运算放大器输出摆幅较大，可以扩大反馈电压(VFB)的动态范围，从而减小反馈电容(CFB)的值。
为实现上述目的，本发明包括MEMS机械传感单元1、电容-电压转换单元3、方波信号产生单元4，其特征在于还包括输入共模控制单元2；
所述MEMS机械传感单元1用于将外部加速度信号转换为MEMS机械电容的变化量，MEMS机械传感元件1被方波信号产生单元4产生的方波信号Φ1、Φ2驱动，产生传感器电荷信号A和B，该传感器电荷信号A和B均包括共模电荷分量和差模电荷分量，其中共模电荷分量被所述输入共模控制单元2吸收，差模分量传输给所述的电容-电压转换单元3；
所述输入共模控制单元2用于对输入共模电平的控制，吸收传感器电荷信号A和B中的共模电荷分量；它包括有源共模反馈控制模块21和无源共模控制模块22，其中无源共模控制模块22用于粗吸收传感器电荷信号A和B的共模分量，有源共模反馈控制模块21用于精确吸收残余下来的共模分量；
该有源共模反馈控制模块21包括反馈控制环路、电平移位网络21a和采样保持网络21b；其中，反馈控制环路用于对传感器电荷信号A和B残余下来的共模进行采样，并根据采样结果调整共模吸收量，从而实现高精度的输入共模电平控制；电平移位网络21a用于提高反馈控制环路中运算放大器的输出摆幅，实现满摆幅的线性输出，同时减小运算放大器A2的增益误差；采样保持网络21b用于消除反馈控制环路中运算放大器自身产生的失调电压，同时进一步提高运算放大器的增益精度；
所述电容-电压转换单元3用于将MEMS机械电容的变化转换成电压信号的变化，最终输出差分电压信号Vo1和Vo2；
所述方波信号产生单元4用于产生四个方波信号Φ1、Φ2、Φ3、Φ4，该四个方波信号均连接至输入共模控制单元(2)；第一方波信号Φ1和第二方波信号Φ2是非交叠式方波信号；当第一方波信号Φ1和下降沿来到时，第二方波信号Φ2经过一个死区时间变为高电平，紧接着第三方波信号Φ3变为高电平，当第三方波信号Φ3下降沿来到后第四方波信号Φ4变为高电平，当第四方波信号Φ4下降沿来到后第二方波信号Φ2变为低电平，第一方波信号Φ1再经过一个死区时间变为高电平。
上述MEMS机械传感单元1包括第一差分电容CS1、第二差分电容CS2、两个开关S1和S2；所述的第一差分电容CS1的一端和第二差分电容CS2的一端相连，构成的公共端R，另一端输出传感器电荷信号B；该第二差分电容CS2的另一端输出传感器电荷信号A；所述第一开关S1跨接于参考基准电压VR与公共端R之间，其控制端连接第一方波信号Φ1；所述第二开关S2跨接于GND与公共端R之间，其控制端连接第二方波信号Φ2。
上述无源共模控制模块2a用于粗吸收传感器电荷信号A和B中的共模电荷分量，它包括两个无源电荷吸收电容C01、C02和两个开关S3、S4；其中：第一无源电荷吸收电容C01和第二无源电荷吸收电容C02的一端相连，另一端连接传感器电荷信号B；第二无源电荷吸收电容C02的另一端连接传感器电荷信号A；第三开关S3跨接于GND与两个无源电荷吸收电容C01、C02的公共端之间，其控制端连接第一方波信号Φ1；第四开关S4跨接于参考基准电压VR与两个无源电荷吸收电容C01、C02的公共端之间，其控制端连接第二方波信号Φ2。
上述有源共模反馈控制模块2b包括反馈控制环路、电平移位网络21a和采样保持网络21b；
所述反馈控制环路包括两个反馈电容CFB1、CFB2，三输入运算放大器A2，两个开关S5、S6；其中三输入运算放大器A2的正向输入端连接参考基准电压VR，第一反向输入端连接传感器电荷信号A，第二反向输入端连接传感器电荷信号B，其输出端通过电平移位网络21a连接至第六开关S6的一端，该第六开关S6的另一端连接两个两个反馈电容CFB1、CFB2的公共端，其控制端连接第二方波信号Φ2；两个反馈电容CFB1、CFB2的另一端分别连接至传感器电荷信号B和A，从而构成闭环反馈，精确吸收传感器电荷信号B和A中的共模电荷分量；
所述电平移位网络21a包括电平保持电容CLS和三个开关S11～S13；其中所述第十三开关S13跨接于三输入运算放大器A2的输出端与第六开关S6之间，所述第十一开关S11和第十二开关S12串联后跨接于三输入运算放大器A2的输出端与地之间，所述电平保持电容CLS跨接于第十一开关S11和第十二开关S12的公共端与第六开关S6之间；
所述采样保持网络21b包括两个采样保持电容CH1、CH2和四个开关S7～S10；其中所述第一采样保持电容CH1和第二采样保持电容CH2一端相连并连接至三输入放大器A2的输出端，另一端通过第十开关S10连接至三输入放大器A2的第二反向输入端，该第十开关S10的控制端连接第一方波信号Φ1；第二采样保持电容CH2的另一端通过第九开关S9连接至三输入放大器A2的第一反向输入端，该第九开关S9的控制端连接第一方波信号Φ1；所述第七开关S7跨接于参考电压VR与第二采样保持电容CH2和第九开关S9的公共端，其控制端连接第二方波信号Φ2；所述第八开关S8跨接于参考电压VR与第一采样保持电容CH1和第十开关S10的公共端，其控制端连接第二方波信号Φ2；
采用基于开关电容电路的采样保持网络21b和电平移位网络21a降低了增益误差，提高了运算放大器的输出摆幅，通过增大运算放大器的输出摆幅，可以消除寄生电容的失配带来的直流失调电压，减小了寄生电容的影响。
上述电容-电压转换单元3包括两个积分电容Ci1、Ci2和运算放大器A1；用于将传感器电荷信号A和B中的差模电荷分量通过两个积分电容进行信号放大，实现电容-电压的转换；其中：所述第一积分电容Ci1一端连接至运算放大器A1的反向输入端并连接传感器电荷信号A，另一端连接至运算放大器A1的正向输出端并输出差分电压信号Vo1；所述第二积分电容Ci2一端连接至运算放大器A1的正向输入端并连接传感器电荷信号B，另一端连接至运算放大器A1的反向输出端并输出差分电压信号Vo2。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明由于采用基于开关电容电路的采样保持网络21b，能够提高三输入运算放大器A2的增益，运算放大器A2的增益越高，对MEMS机械传感单元1的输入共模电平控制的越精确。采样保持网络21b消除了反馈控制环路中运算放大器自身产生的失调电压，可进一步提高运算放大器的增益精度。
(2)本发明由于采用基于开关电容电路的采样保持网络21b，实现了用低增益运算放大器代替高增益运算放大器，进行有源共模反馈的目的，降低了对高增益运算放大器的需求。
(3)本发明由于采用开关电容电路的电平移位网络21a，提高了运算放大器的输出摆幅，通过输出摆幅的提高，减小了有源电荷吸收电容的面积，从而改善了接口电路的噪声性能。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明实施例的电路原理图。
图3是本发明实施例的时钟图。
具体实施方式
为了使本发明的技术特点、电路构成、功能与使用场景直观易懂，下面将结合图示，进一步阐述本发明，在以下表述中，除非特别说明，术语“使能”、“连”、“连接”应是广义上的理解。
参照图1，本发明的具有高精度输入共模控制的电容式传感器接口电路包括MEMS机械传感单元1、电容-电压转换单元3、方波信号产生单元4，其特征在于还包括输入共模控制单元2；
所述MEMS机械传感单元1，用于将外部加速度信号转换为MEMS机械电容的变化量，MEMS机械传感元件1被方波信号产生单元4产生的方波信号Φ1、Φ2驱动，产生传感器电荷信号A和B，该传感器电荷信号A和B均包括共模电荷分量和差模电荷分量，其中共模电荷分量被所述输入共模控制单元2吸收，差模分量传输给所述的电容-电压转换单元3；
所述输入共模控制单元2用于对输入共模电平的控制，吸收传感器电荷信号A和B中的共模电荷分量；它包括有源共模反馈控制模块21和无源共模控制模块22，其中无源共模控制模块22用于粗吸收传感器电荷信号A和B的共模分量，有源共模反馈控制模块21用于精确吸收残余下来的共模分量；
所述电容-电压转换单元3用于将MEMS机械电容的变化转换成电压信号的变化，最终输出差分电压信号Vo1和Vo2；
参照图3，所述方波信号产生单元4用于产生四个方波信号Φ1、Φ2、Φ3、Φ4，该四个方波信号均连接至输入共模控制单元2；当第一方波信号Φ1下降沿来到时，第二方波信号Φ2经过一小段延时变为高电平，紧接着第三方波信号Φ3变为高电平，当第三方波信号Φ3下降沿来到后第四方波信号Φ4变为高电平，当第四方波信号Φ4下降沿来到后第二方波信号Φ2变为低电平，第一方波信号Φ1再经过一小段延时变为高电平。
参照图2，所述MEMS机械传感单元1包括第一差分电容CS1、第二差分电容CS2、两个开关S1和S2；所述的第一差分电容CS1的一端和第二差分电容CS2的一端相连，构成的公共端R，另一端输出传感器电荷信号B；该第二差分电容CS2的另一端输出传感器电荷信号A；所述第一开关S1跨接于参考基准电压VR与公共端R之间，其控制端连接第一方波信号Φ1；所述第二开关S2跨接于GND与公共端R之间，其控制端连接第二方波信号Φ2。MEMS机械传感元件1被方波信号产生单元4产生的方波信号Φ1、Φ2驱动，产生传感器电荷信号A和B，该传感器电荷信号A和B均包括共模电荷分量和差模电荷分量。
所述无源共模控制模块2a用于粗吸收传感器电荷信号A和B中的共模电荷分量，它包括两个无源电荷吸收电容C01、C02和两个开关S3、S4；其中：第一无源电荷吸收电容C01和第二无源电荷吸收电容C02的一端相连，另一端连接传感器电荷信号B；第二无源电荷吸收电容C02的另一端连接传感器电荷信号A；第三开关S3跨接于GND与两个无源电荷吸收电容C01、C02的公共端之间，其控制端连接第一方波信号Φ1；第四开关S4跨接于参考基准电压VR与两个无源电荷吸收电容C01、C02的公共端之间，其控制端连接第二方波信号Φ2。两个无源电荷吸收电容C01、C02，被相位相反的方波信号通过开关S3和S4驱动，粗吸收MEMS机械传感单元1的共模电荷。
所述有源共模反馈控制模块2b包括反馈控制环路、电平移位网络21a和采样保持网络21b；反馈控制环路用于对传感器电荷信号A和B残余下来的共模进行采样，并根据采样结果调整共模吸收量，从而实现高精度的输入共模电平控制，它包括两个反馈电容CFB1、CFB2，三输入运算放大器A2，两个开关S5、S6；其中三输入运算放大器A2的正向输入端连接参考基准电压VR，第一反向输入端连接传感器电荷信号A，第二反向输入端连接传感器电荷信号B，其输出端通过电平移位网络21a连接至第六开关S6的一端，该第六开关S6的另一端连接两个两个反馈电容CFB1、CFB2的公共端，其控制端连接第二方波信号Φ2；两个反馈电容CFB1、CFB2的另一端分别连接至传感器电荷信号B和A，从而构成闭环反馈，精确吸收传感器电荷信号B和A中的共模电荷分量；实现了利用较小的反馈电容，提高了输入共模电压控制的效率和性能，随着反馈电容的减少，电路的噪声性能得到了改善。
电平移位网络21a用于提高反馈控制环路中运算放大器的输出摆幅，实现满摆幅的线性输出，同时减小运算放大器A2的增益误差；它包括电平保持电容CLS和三个开关S11～S13；其中所述第十三开关S13跨接于三输入运算放大器A2的输出端与第六开关S6之间，所述第十一开关S11和第十二开关S12串联后跨接于三输入运算放大器A2的输出端与地之间，所述电平保持电容CLS跨接于第十一开关S11和第十二开关S12的公共端与第六开关S6之间；
采样保持网络21b用于消除反馈控制环路中运算放大器自身产生的失调电压，同时进一步提高运算放大器的增益精度；它包括两个采样保持电容CH1、CH2和四个开关S7～S10；其中所述第一采样保持电容CH1和第二采样保持电容CH2一端相连并连接至三输入放大器A2的输出端，另一端通过第十开关S10连接至三输入放大器A2的第二反向输入端，该第十开关S10的控制端连接第一方波信号Φ1；第二采样保持电容CH2的另一端通过第九开关S9连接至三输入放大器A2的第一反向输入端，该第九开关S9的控制端连接第一方波信号Φ1；所述第七开关S7跨接于参考电压VR与第二采样保持电容CH2和第九开关S9的公共端，其控制端连接第二方波信号Φ2；所述第八开关S8跨接于参考电压VR与第一采样保持电容CH1和第十开关S10的公共端，其控制端连接第二方波信号Φ2；
采用基于开关电容电路的采样保持网络21b和电平移位网络21a降低了增益误差，提高了运算放大器的输出摆幅，通过增大运算放大器的输出摆幅，可以消除寄生电容的失配带来的直流失调电压，减小了寄生电容的影响。
所述电容-电压转换单元3包括两个积分电容Ci1、Ci2和运算放大器A1；用于将传感器电荷信号A和B中的差模电荷分量通过两个积分电容进行信号放大，实现电容-电压的转换；其中：所述第一积分电容Ci1一端连接至运算放大器A1的反向输入端并连接传感器电荷信号A，另一端连接至运算放大器A1的正向输出端并输出差分电压信号Vo1；所述第二积分电容Ci2一端连接至运算放大器A1的正向输入端并连接传感器电荷信号B，另一端连接至运算放大器A1的反向输出端并输出差分电压信号Vo2。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的技术人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有高精度输入共模控制的电容式传感器接口电路包括MEMS机械传感单元(1)、电容-电压转换单元(3)、方波信号产生单元(4)，其特征在于还包括输入共模控制单元(2)；
所述MEMS机械传感单元(1)，用于将外部加速度信号转换为MEMS机械电容的变化量，MEMS机械传感元件(1)被方波信号产生单元(4)产生的方波信号Φ1、Φ2驱动，产生传感器电荷信号A和B，该传感器电荷信号A和B均包括共模电荷分量和差模电荷分量，其中共模电荷分量被所述输入共模控制单元(2)吸收，差模分量传输给所述的电容-电压转换单元(3)；
所述输入共模控制单元(2)用于对输入共模电平的控制，吸收传感器电荷信号A和B中的共模电荷分量；它包括有源共模反馈控制模块(21)和无源共模控制模块(22)，其中无源共模控制模块(22)用于粗吸收传感器电荷信号A和B的共模分量，有源共模反馈控制模块(21)用于精确吸收残余下来的共模分量；
该有源共模反馈控制模块(21)包括反馈控制环路、电平移位网络(21a)和采样保持网络(21b)；其中，反馈控制环路用于对传感器电荷信号A和B残余下来的共模进行采样，并根据采样结果调整共模吸收量，从而实现高精度的输入共模电平控制；电平移位网络(21a)用于提高反馈控制环路中运算放大器的输出摆幅，实现满摆幅的线性输出，同时减小运算放大器A2的增益误差；采样保持网络(21b)用于消除反馈控制环路中运算放大器自身产生的失调电压，同时进一步提高运算放大器的增益精度；
所述电容-电压转换单元(3)用于将MEMS机械电容的变化转换成电压信号的变化，最终输出差分电压信号Vo1和Vo2；
所述方波信号产生单元(4)用于产生四个方波信号Φ1、Φ2、Φ3、Φ4，该四个方波信号均连接至输入共模控制单元(2)；第一方波信号Φ1和第二方波信号Φ2是非交叠式方波信号；当第一方波信号Φ1和下降沿来到时，第二方波信号Φ2经过一个死区时间变为高电平，紧接着第三方波信号Φ3变为高电平，当第三方波信号Φ3下降沿来到后第四方波信号Φ4变为高电平，当第四方波信号Φ4下降沿来到后第二方波信号Φ2变为低电平，第一方波信号Φ1再经过一个死区时间变为高电平。
2.根据权利要求1所述一种具有高精度输入共模控制的电容式传感器接口电路，其特征在于MEMS机械传感单元(1)包括第一差分电容CS1、第二差分电容CS2、两个开关S1和S2；
所述的第一差分电容CS1的一端和第二差分电容CS2的一端相连，构成的公共端R，另一端输出传感器电荷信号B；该第二差分电容CS2的另一端输出传感器电荷信号A；
所述第一开关S1跨接于参考基准电压VR与公共端R之间，其控制端连接第一方波信号Φ1；
所述第二开关S2跨接于GND与公共端R之间，其控制端连接第二方波信号Φ2。
3.根据权利要求1所述一种具有高精度输入共模控制的电容式传感器接口电路，其特征在于特征在于所述无源共模控制模块(2a)用于粗吸收传感器电荷信号A和B中的共模电荷分量，它包括两个无源电荷吸收电容C01、C02和两个开关S3、S4；其中：
第一无源电荷吸收电容C01和第二无源电荷吸收电容C02的一端相连，另一端连接传感器电荷信号B；第二无源电荷吸收电容C02的另一端连接传感器电荷信号A；
第三开关S3跨接于GND与两个无源电荷吸收电容C01、C02的公共端之间，其控制端连接第一方波信号Φ1；
第四开关S4跨接于参考基准电压VR与两个无源电荷吸收电容C01、C02的公共端之间，其控制端连接第二方波信号Φ2。
4.根据权利要求1所述一种具有高精度输入共模控制的电容式传感器接口电路，其特征在于特征在于所述有源共模反馈控制模块(2b)包括反馈控制环路、电平移位网络(21a)和采样保持网络(21b)；
所述反馈控制环路包括两个反馈电容CFB1、CFB2，三输入运算放大器A2，两个开关S5、S6；其中三输入运算放大器A2的正向输入端连接参考基准电压VR，第一反向输入端连接传感器电荷信号A，第二反向输入端连接传感器电荷信号B，其输出端通过电平移位网络(21a)连接至第六开关S6的一端，该第六开关S6的另一端连接两个两个反馈电容CFB1、CFB2的公共端，其控制端连接第二方波信号Φ2；两个反馈电容CFB1、CFB2的另一端分别连接至传感器电荷信号B和A，从而构成闭环反馈，精确吸收传感器电荷信号B和A中的共模电荷分量；
所述电平移位网络(21a)包括电平保持电容CLS和三个开关S11～S13；其中所述第十三开关S13跨接于三输入运算放大器A2的输出端与第六开关S6之间，所述第十一开关S11和第十二开关S12串联后跨接于三输入运算放大器A2的输出端与地之间，所述电平保持电容CLS跨接于第十一开关S11和第十二开关S12的公共端与第六开关S6之间；
所述采样保持网络(21b)包括两个采样保持电容CH1、CH2和四个开关S7～S10；其中所述第一采样保持电容CH1和第二采样保持电容CH2一端相连并连接至三输入放大器A2的输出端，另一端通过第十开关S10连接至三输入放大器A2的第二反向输入端，该第十开关S10的控制端连接第一方波信号Φ1；第二采样保持电容CH2的另一端通过第九开关S9连接至三输入放大器A2的第一反向输入端，该第九开关S9的控制端连接第一方波信号Φ1；所述第七开关S7跨接于参考电压VR与第二采样保持电容CH2和第九开关S9的公共端，其控制端连接第二方波信号Φ2；所述第八开关S8跨接于参考电压VR与第一采样保持电容CH1和第十开关S10的公共端，其控制端连接第二方波信号Φ2；
采用基于开关电容电路的采样保持网络(21b)和电平移位网络(21a)降低了增益误差，提高了运算放大器的输出摆幅，通过增大运算放大器的输出摆幅，可以消除寄生电容的失配带来的直流失调电压，减小了寄生电容的影响。
5.根据权利要求1所述一种具有高精度输入共模控制的电容式传感器接口电路，其特征在于所述电容-电压转换单元(3)包括两个积分电容Ci1、Ci2和运算放大器A1；用于将传感器电荷信号A和B中的差模电荷分量通过两个积分电容进行信号放大，实现电容-电压的转换；其中：所述第一积分电容Ci1一端连接至运算放大器A1的反向输入端并连接传感器电荷信号A，另一端连接至运算放大器A1的正向输出端并输出差分电压信号Vo1；所述第二积分电容Ci2一端连接至运算放大器A1的正向输入端并连接传感器电荷信号B，另一端连接至运算放大器A1的反向输出端并输出差分电压信号Vo2。
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