CN115987234A - 电荷感应放大电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电荷感应放大电路，其包括：电荷感应放大器；耦接于所述电荷感应放大器的第一输入端和第一输出端之间的第一反馈电容和第一电阻网络；耦接于所述电荷感应放大器的第二输入端和第二输出端之间的第二反馈电容和第二电阻网络；输入共模放大器，其第一输入端与所述电荷感应放大器的第一输入端耦接，其第二输入端与所述电荷感应放大器的第二输入端耦接，其第三输入端耦接于共模参考电压，其输出端耦接至第一电阻网络和第二电阻网络。即便是存在漏电流，通过所述输入共模放大器的负反馈也可以使得输入共模电压保持恒定。
Description
【技术领域】
本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种电荷感应放大电路(Charge SenseAmplifier)。
【背景技术】
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)传感器，比如MEMS陀螺仪、MEMS加速度计等，目前应用非常广泛。这些MEMS传感器中通常会涉及到感应可变检测电容组上的电压变化，根据所述电压变化来测量加速度或角速度。
所述检测电容组通常包括第一检测电容和第二检测电容，两个检测电容的电容值随着感测物理量的变化而反向变化，比如一个增大，另一个就减小，一个减小，另一个就增大。所述MEMS传感器通过电荷感应放大器放大两个检测电容上的电压差。然而，由于所述电荷感应放大器存在不可避免的漏电流，使得所述电荷感应放大器的两个输入端的共模电压比预期电压要低，进而导致数据检测不准确。
因此，亟需提出一种新的技术方案来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种电荷感应放大电路，其在存在漏电流的情况下依然使其输入共模电压保持恒定。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种电荷感应放大电路，其包括：电荷感应放大器，其包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；耦接于所述电荷感应放大器的第一输入端和第一输出端之间的第一反馈电容和第一电阻网络；耦接于所述电荷感应放大器的第二输入端和第二输出端之间的第二反馈电容和第二电阻网络；输入共模放大器，其包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其第一输入端与所述电荷感应放大器的第一输入端耦接，其第二输入端与所述电荷感应放大器的第二输入端耦接，其第三输入端耦接于共模参考电压，其输出端耦接至第一电阻网络和第二电阻网络。
在一个进一步的实施例中，所述输入共模放大器被配置的将其第一输入端的电压和第二输入端的电压的和的1/2与所述共模参考电压进行比较，并放大两者之间的电压差后输出，通过所述输入共模放大器的负反馈，使得其第一输入端的电压和第二输入端的电压的和的1/2等于所述共模参考电压。
在一个进一步的实施例中，第一电阻网络包括依次串联于所述电荷感应放大器的第一输入端和第一输出端之间的第一电阻R11和第二电阻R12，以及连接于第一电阻R11和第二电阻R12的中间节点和节点A之间的第三电阻R13，第二电阻网络包括依次串联于所述电荷感应放大器的第二输入端和第二输出端之间的第一电阻R21和第二电阻R22，以及连接于第一电阻R21和第二电阻R22的中间节点和节点A之间的第三电阻R23，所述输入共模放大器的输出端耦接至节点A。
在一个进一步的实施例中，所述电荷感应放大器的第一输入端耦接至第一检测电容的第一端，所述电荷感应放大器的第二输入端耦接至第二检测电容的第一端，第一检测电容的第二端和第二检测电容的第二端耦接至预定电压。
与现有技术相比，本发明通过所述输入共模放大器的负反馈，使得其第一输入端的电压和第二输入端的电压的和的1/2保证恒定。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1是本发明中的电荷感应放大电路在一个实施例中的电路结构图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“耦接”等术语应做广义理解；例如，可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种电荷感应放大电路，其存在漏电流的情况下，通过输入共模放大器的负反馈，也能使得输入共模电压保证恒定。
图1是本发明中的电荷感应放大电路100在一个实施例中的电路结构图。如图1所示的，所述电荷感应放大电路100包括：电荷感应放大器120、第一反馈电容CFB1、第一电阻网络、第二反馈电容CFB2、第二电阻网络和输入共模放大器130。
所述电荷感应放大器120包括第一输入端inp、第二输入端inn、第一输出端outn和第二输出端outp。
第一反馈电容CFB1和第一电阻网络耦接于所述电荷感应放大器120的第一输入端和第一输出端之间。具体的，第一电阻网络包括依次串联于所述电荷感应放大器120的第一输入端和第一输出端之间的第一电阻R11和第二电阻R12，以及连接于第一电阻R11和第二电阻R12的中间节点和节点A之间的第三电阻R13。
第二反馈电容CFB2和第二电阻网络耦接于所述电荷感应放大器120的第二输入端和第二输出端之间。具体的，第二电阻网络包括依次串联于所述电荷感应放大器的第二输入端和第二输出端之间的第一电阻R21和第二电阻R22，以及连接于第一电阻R21和第二电阻R22的中间节点和节点A之间的第三电阻R23。
所述输入共模放大器130包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其第一输入端与所述电荷感应放大器120的第一输入端耦接，其第二输入端与所述电荷感应放大器120的第二输入端耦接，其第三输入端耦接于共模参考电压vcmref，其输出端耦接至第一电阻网络和第二电阻网络。具体的，所述输入共模放大器130的输出端耦接至所述节点A。
如图1所示的，所述电荷感应放大器120的第一输入端inp耦接至第一检测电容111的第一端，所述电荷感应放大器120的第二输入端耦接至第二检测电容112的第一端，第一检测电容111的第二端和第二检测电容112的第二端耦接至预定电压VPM(voltage proofmass，质量块电压)。漏电流ileak可能是在第一检测电容和第二检测电容处产生，或者是由实现所述电荷感应放大电路100的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)芯片上的ESD(Electro-Static discharge)结构产生的。
所述输入共模放大器130被配置的将其第一输入端的电压和第二输入端的电压的和的1/2与所述共模参考电压vcmref进行比较，并放大两者之间的电压差后输出。即便存在漏电流ileak，通过所述输入共模放大器130的负反馈，使得其第一输入端的电压和第二输入端的电压的和的1/2(即输入共模电压)等于所述共模参考电压vcmref。
在存在某一物理量比如角速度或加速度时，会导致第一检测电容111和第二检测电容112的电容值的变化，进而导致第一检测电容111和第二检测电容112的第一端的电压的变化，所述电荷感应放大器120输出放大的输出电压，其代表了感应的物理量的值。放大的输出电压(outp-outn)由检测电容的值CMEMS和反馈电容(CFB)的比率设定。除此之外，输出电压还取决于检测电容上的电压(VPM-inp和VPM-inn)。所述预定电压VPM是一个良好受控制的电压，因此inp和inn的电压也可以得到良好的控制，以获得一个只取决于检测电容的值CMEMS的变化的电压inp和inn。
下面再次介绍一下本发明的原理。
如图1所示的，在没有漏电流(ileak＝0A)和忽略输入共模放大器130(icm amp)的情况下，输入电压inp和inn(即所述电荷感应放大器120的输入电压)通过电阻R12、R11R22、R21设置。电荷感应放大器120有输出共模调节，调节输出共模电压(vout_cm)使其等于参考共模电压vcmref，其中vout_cm＝(outp+outn)/2。
如果输入端有漏电电流(ileak)(例如对地)，那么这些电流将不得不流经电阻R21和R22、R11和R12(和/或通过R3，节点A设置为等于共模参考电压vcmref)。这种电流导致电阻R11、R12、R21、R22上的电压下降，并导致电压inp和inn，以及它们的共模电压vin_cm＝(inp+inn)/2变得比预期共模参考电压vcmref低。
为了解决这个问题，本发明增加了一个小的输入共模放大器130，感应实际输入电压(inp和inn)，输入共模放大器130的输出电压被用来控制电路的共模节点A。在对地漏电的情况下，节点A的电压被正确地提升，从而补偿R11和R21上的压降，并再次获得预定的输入共模电压：vcm_in＝vcmref。请注意，R21和R11是系统中最大的电阻，R12、R13、R22和R23要小几个数量级，因此R21和R11在出现漏电流的情况下得到最大的电压降。
由于已知漏电流对温度有很高的依赖性。如果没有调节所述输入共模电压，所述输入共模电压会有很大变化，这反过来又会导致输出信号(或灵敏度)随温度而变化。这种输入共模电压的调节，消除/抑制了可能导致读出信号的灵敏度的温度依赖性的影响。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。
Claims (4)
1.一种电荷感应放大电路，其特征在于，其包括：
电荷感应放大器，其包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；
耦接于所述电荷感应放大器的第一输入端和第一输出端之间的第一反馈电容和第一电阻网络；
耦接于所述电荷感应放大器的第二输入端和第二输出端之间的第二反馈电容和第二电阻网络；
输入共模放大器，其包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其第一输入端与所述电荷感应放大器的第一输入端耦接，其第二输入端与所述电荷感应放大器的第二输入端耦接，其第三输入端耦接于共模参考电压，其输出端耦接至第一电阻网络和第二电阻网络。
2.根据权利要求1所述的电荷感应放大电路，其特征在于，所述输入共模放大器被配置的将其第一输入端的电压和第二输入端的电压的和的1/2与所述共模参考电压进行比较，并放大两者之间的电压差后输出，
通过所述输入共模放大器的负反馈，使得其第一输入端的电压和第二输入端的电压的和的1/2等于所述共模参考电压。
3.根据权利要求1所述的电荷感应放大电路，其特征在于，第一电阻网络包括依次串联于所述电荷感应放大器的第一输入端和第一输出端之间的第一电阻R11和第二电阻R12，以及连接于第一电阻R11和第二电阻R12的中间节点和节点A之间的第三电阻R13，
第二电阻网络包括依次串联于所述电荷感应放大器的第二输入端和第二输出端之间的第一电阻R21和第二电阻R22，以及连接于第一电阻R21和第二电阻R22的中间节点和节点A之间的第三电阻R23，
所述输入共模放大器的输出端耦接至节点A。
4.根据权利要求1所述的电荷感应放大电路，其特征在于，
所述电荷感应放大器的第一输入端耦接至第一检测电容的第一端，所述电荷感应放大器的第二输入端耦接至第二检测电容的第一端，
第一检测电容的第二端和第二检测电容的第二端耦接至预定电压。
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2022
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