CN116404989A - 一种适用于微弱信号的读出电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种适用于微弱信号的读出电路，所述读出电路包括：斩波放大电路(1)和开关电容滤波电路(2)；所述斩波放大电路(1)的输入端与被测器件(3)的输出端连接，用于检测并放大所述被测器件(3)输出的微弱信号；所述开关电容滤波电路(2)的输入端与所述斩波放大电路(1)的输出端连接，用于滤除所述斩波放大电路(1)产生的噪声。可见，在本申请技术方案中，利用斩波放大电路和开关电容滤波电路构成读出电路，既实现了对微弱信号的检测并放大，还滤除了斩波放大电路产生的噪声。如此，提高了微弱信号检测的准确性。

Description

一种适用于微弱信号的读出电路

技术领域

本申请涉及微弱信号检测技术领域，特别是涉及一种适用于微弱信号的读出电路。

背景技术

随着信息技术的不断发展，物联网产业也在蓬勃发展，同时也给作为物联网数据入口的传感器带来了大量的应用需求。想要设计一个高性能的传感器，除了制造出高性能微机械敏感结构以外，还必须搭配性能良好的读出电路，以实现传感器信号调理、反馈控制、模数转换、传输通信等功能。由于传感器输出的电信号通常幅值小、响应时间长，其被表现为低频微弱信号，因此传感器对读出电路提出了高增益低噪声的要求。

目前，在相关技术中，采用单端输出的斩波放大电路作为读出电路，虽然能检测出微弱信号，但其不具备抑制共模噪声的功能，还会导致检测出的微弱信号准确性较低。

因此，如何提高对微弱信号检测的准确性，是本领域技术人员关注的重点问题。

发明内容

基于上述问题，本申请提供了一种适用于微弱信号的读出电路，旨在提高对微弱信号检测的准确性。本申请实施例公开了如下技术方案：

为解决上述技术问题，本申请公开了一种适用于微弱信号的读出电路，所述读出电路包括：斩波放大电路(1)和开关电容滤波电路(2)；

所述斩波放大电路(1)的输入端与被测器件(3)的输出端连接，用于检测并放大所述被测器件(3)输出的微弱信号；

所述开关电容滤波电路(2)的输入端与所述斩波放大电路(1)的输出端连接，用于滤除所述斩波放大电路(1)产生的噪声。

可选的，所述斩波放大电路包括第一斩波开关(4)、第二斩波开关(5)、第三斩波开关(6)、第四斩波开关(7)、第一电容网络(8)、第二电容网络(9)、第三电容网络(10)和第一运算放大器(11)；所述第一斩波开关(4)和所述第二斩波开关(5)用于调制所述被测器件(3)和所述第一运算放大器(11)的输出信号；所述第一电容网络(8)和所述第三电容网络(10)用于提供增益，以放大所述被测器件(3)输出的微弱信号。

可选的，所述增益的第一增益范围包括10～500。

可选的，所述第一斩波开关(4)、所述第二斩波开关(5)、所述第三斩波开关(6)和所述第四斩波开关(7)具有相同的结构，均由四个相同的CMOS开关构成。

可选的，所述四个相同的CMOS开关包括第一CMOS开关(26)、第二CMOS开关(27)、第三CMOS开关(28)和第四CMOS开关(29)；所述第一CMOS开关(26)和所述第二CMOS开关(27)为同一时钟信号控制，所述第三CMOS开关(28)和所述第四CMOS开关(29)为同一反时钟信号控制。

可选的，所述开关电容滤波电路(2)为低通或带通滤波电路。

可选的，所述开关电容滤波电路(2)包括第一开关电容网络(12)、第二开关电容网络(13)、第三开关电容网络(14)、第四开关电容网络(15)、第五开关电容网络(16)、第六开关电容网络(17)、第七开关电容网络(18)、第八开关电容网络(19)、第一电容(20)、第二电容(21)、第三电容(22)、第四电容(23)和第二运算放大器(24)；所述第一开关电容网络(12)、所述第二开关电容网络(13)、所述第一电容(20)、所述第二电容(21)、所述第三电容(22)和所述第四电容(23)用于提供增益。

可选的，所述增益的第二增益范围包括1～30。

可选的，所述读出电路还包括：带隙电路；

所述带隙电路(24)分别与所述斩波放大电路(1)中的所述第一运算放大器(11)和所述开关电容滤波电路(2)中的所述第二运算放大器(24)的输入端连接，用于给所述第一运算放大器(11)和所述第二运算放大器(24)提供偏置电流。

可选的，所述被测器件(3)包括单点传感器和阵列传感器。

相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请公开的读出电路包括：斩波放大电路(1)和开关电容滤波电路(2)；所述斩波放大电路(1)的输入端与被测器件(3)的输出端连接，用于检测并放大所述被测器件(3)输出的微弱信号；所述开关电容滤波电路(2)的输入端与所述斩波放大电路(1)的输出端连接，用于滤除所述斩波放大电路(1)产生的噪声。可见，在本申请技术方案中，利用斩波放大电路和开关电容滤波电路构成读出电路，既实现了对微弱信号的检测并放大，还滤除了斩波放大电路产生的噪声。如此，提高了微弱信号检测的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，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他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种适用于微弱信号的读出电路的电路原理图；

图2为本申请实施例提供的斩波开关的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。

需要说明的是，本申请提供的一种适用于微弱信号的读出电路，用于微弱信号检测技术领域，上述仅为示例，并不对本申请提供的方法及装置名称的应用领域进行限定。

正如前文描述，随着信息技术的不断发展，物联网产业也在蓬勃发展，同时也给作为物联网数据入口的传感器带来了大量的应用需求。想要设计一个高性能的传感器，除了制造出高性能微机械敏感结构以外，还必须搭配性能良好的读出电路，以实现传感器信号调理、反馈控制、模数转换、传输通信等功能。由于传感器输出的电信号通常幅值小、响应时间长，其被表现为低频微弱信号，因此传感器对读出电路提出了高增益低噪声的要求。目前，在相关技术中，采用单端输出的斩波放大电路作为读出电路，虽然能检测出微弱信号，但其不具备抑制共模噪声的功能，还会导致检测出的微弱信号准确性较低。

由此，如何提高对微弱信号检测的准确性，是本领域技术人员关注的重点问题。

所以发明人提出本申请的技术方案，本申请公开的读出电路包括：斩波放大电路(1)和开关电容滤波电路(2)；所述斩波放大电路(1)的输入端与被测器件(3)的输出端连接，用于检测并放大所述被测器件(3)输出的微弱信号；所述开关电容滤波电路(2)的输入端与所述斩波放大电路(1)的输出端连接，用于滤除所述斩波放大电路(1)产生的噪声。可见，在本申请技术方案中，利用斩波放大电路和开关电容滤波电路构成读出电路，既实现了对微弱信号的检测并放大，还滤除了斩波放大电路产生的噪声。如此，提高了微弱信号检测的准确性。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

以下通过一个实施例，对本申请提供的一种适用于微弱信号的读出电路进行说明。

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种适用于微弱信号的读出电路的电路原理图，如图1所示，该电路可以包括：斩波放大电路(1)和开关电容滤波电路(2)。

斩波放大电路(1)的输入端与被测器件(3)的输出端连接，用于检测并放大被测器件(3)输出的微弱信号；开关电容滤波电路(2)的输入端与斩波放大电路(1)的输出端连接，用于滤除斩波放大电路(1)产生的噪声。

进一步的，斩波放大电路包括第一斩波开关(4)、第二斩波开关(5)、第三斩波开关(6)、第四斩波开关(7)、第一电容网络(8)、第二电容网络(9)、第三电容网络(10)和第一运算放大器(11)。第一电容网络(8)包括电容C3和电容C4，第二电容网络(9)包括电容C1和电容C2，第三电容网络(10)包括电容C5和电容C6。第一斩波开关(4)和第二斩波开关(5)用于调制被测器件(3)和第一运算放大器(11)的输出信号；第一电容网络(8)和第三电容网络(10)用于提供增益，以放大被测器件(3)输出的微弱信号。

接下来，介绍斩波放大电路的具体连接方式：

第一斩波开关(4)的输入端与被测器件(3)的输出端连接，第一斩波开关(4)的输出端与第一电容网络(8)和第二电容网络(9)的输入端连接，第一电容网络(9)的输出端与第三斩波开关(6)的输入端连接，第一电容网络(8)的输出端与第一运算放大器(11)和第三电容网络(10)的输入端连接，第三电容网络(10)的输出端与第四斩波开关(7)的输入端连接，第一运算放大器(11)的输出端与第二斩波开关(5)的输入端连接，第二斩波开关(5)的输出端与第三斩波开关(6)和第四斩波开关(7)的输出端连接。第二斩波开关(5)的输出端还与开关电容滤波电路(2)的输入端连接。

需要说明的是，由于第一运算放大器(11)会产生噪声，这些噪声与被测器件(3)的输出信号频率接近，无法直接滤除。因此，在第一运算放大器(11)之前使用第一斩波开关(4)，将被测器件(3)的输出信号调制到高频，然后在第一运算放大器(11)之后，再次使用第二斩波开关(5)进行二次调制，使被测器件(3)的输出信号调制回低频，同时使第一运算放大器(11)产生的噪声调制到高频。这样，第一运算放大器(11)产生的噪声与被测器件(3)的输出信号在频域上实现了分离。

也就是说，第一斩波开关(4)第一次调制的是被测器件(3)输出的微弱信号，第二斩波开关(5)第二次调制的是被测器件(3)输出的调制到高频的微弱信号和第一运算放大器(11)产生的噪声。

可以理解的是，为了使被测器件(3)的输出信号更易被检测，第一运算放大器(11)通过第一电容网络(8)和第三电容网络(10)确定增益，以放大被测器件(3)输出的微弱信号。该增益的第一增益范围包括10～500。其中，第四斩波开关(7)用于协同第三电容网络(10)来确定增益。由于第二电容网络(9)的电容值较小，协同第三斩波开关(6)进行正反馈，以提高输入阻抗，如此，一方面可以抑制共模噪声，另一方面还提高了微弱信号检测的准确性，从而提高信噪比。

还需要进行说明的是，在本申请实施例中，第一斩波开关(4)、第二斩波开关(5)、第三斩波开关(6)和第四斩波开关(7)具有相同的结构，均由四个相同的CMOS开关构成。

下面以第一斩波开关(4)作为示例进行展开说明，同样的，第二斩波开关(5)、第三斩波开关(6)和第四斩波开关(7)均适用。参见图2，该图为本申请实施例提供的斩波开关的电路原理图，如图2所示，第一斩波开关(4)由四个相同的CMOS开关构成，该四个相同的CMOS开关包括第一CMOS开关(26)、第二CMOS开关(27)、第三CMOS开关(28)和第四CMOS开关(29)。具体的，第一CMOS开关(26)的一端与第三CMOS开关(28)的一端连接，第一CMOS开关(26)的另一端与第四CMOS开关(29)的一端连接，第二CMOS开关(27)的一端与第三CMOS开关(28)的另一端连接，第二CMOS开关(27)的另一端与第四CMOS开关(29)的另一端连接。

需要说明的是，第一CMOS开关(26)和第二CMOS开关(27)为同一时钟信号控制，第三CMOS开关(28)和第四CMOS开关(29)为同一反时钟信号控制。其中，时钟控制信号的频率可根据实际情况而定。

更进一步的，开关电容滤波电路(2)为一阶或高阶的低通或带通滤波电路。在第二斩波开关(5)的后面使用低通滤波器，以用来滤除被调制到高频处的噪声，从而使读出电路达到低失调和低噪声的性能。

开关电容滤波电路(2)包括第一开关电容网络(12)、第二开关电容网络(13)、第三开关电容网络(14)、第四开关电容网络(15)、第五开关电容网络(16)、第六开关电容网络(17)、第七开关电容网络(18)、第八开关电容网络(19)、第一电容(20)、第二电容(21)、第三电容(22)、第四电容(23)和第二运算放大器(24)。

第一开关电容网络(12)包括开关S1、开关S3、开关S5、开关S7和电容C7，其中，开关S3和开关S5分别接地；第二开关电容网络(13)包括开关S2、开关S4、开关S6、开关S8和电容C8，其中，开关S4和开关S6分别接地；第三开关电容网络(14)包括开关S9和开关S11，其中，开关S11接地；第四开关电容网络(15)包括开关S10和开关S12，其中，开关S12接地；第五开关电容网络(16)包括开关S13、开关S15和电容C11，其中，开关S13接地；第六开关电容网络(17)包括开关S14、开关S16和电容C12，其中，开关S14接地；第七开关电容网络(18)包括开关S17、开关S19和电容C13，其中，开关S17接地；第八开关电容网络(19)包括开关S18、开关S20和电容C14，其中，开关S18接地。

接下来，介绍开关电容滤波电路的具体连接方式：

第一开关电容网络(12)和第二开关电容网络(13)的输入端与第二斩波开关(5)的输出端连接，第一开关电容网络(12)的输出端与第一电容(20)连接，第二开关电容网络(13)的输出端与第二电容(21)连接，第一电容(20)又与第三开关电容网络(14)的输入端连接，第二电容(21)又与第四开关电容网络(15)的输入端连接，第三开关电容网络(14)的输出端与第五开关电容网络(16)和第七开关电容网络(18)的输入端连接，第四开关电容网络(15)的输出端与第六开关电容网络(17)和第八开关电容网络(19)的输入端连接，第五开关电容网络(16)的输出端与第二运算放大器(24)和第三电容(22)的输入端连接，第六开关电容网络(17)的输出端与第二运算放大器(24)和第四电容(23)的输入端连接，第三电容(22)的输出端与第七开关电容网络(18)和第二运算放大器(24)的输出端连接，第四电容(23)的输出端与第八开关电容网络(19)和第二运算放大器(24)的输出端连接。

需要说明的是，第一开关电容网络(12)、第二开关电容网络(13)、第一电容(20)、第二电容(21)、第三电容(22)和第四电容(23)用于提供增益。该增益的第二增益范围包括1～30。在一些可实现的实施方式中，还可以通过第一开关电容网络(12)中的电容C7、第二开关电容网络(13)中的电容C8、第一电容(20)、第二电容(21)、第三电容(22)和第四电容(23)来提供增益，以二次放大被测器件(3)输出的微弱信号。

更进一步的，读出电路还包括：带隙电路。带隙电路(24)分别与斩波放大电路(1)中的第一运算放大器(11)和开关电容滤波电路(2)中的第二运算放大器(24)的输入端连接，用于给第一运算放大器(11)和第二运算放大器(24)提供偏置电流。其中，可以预先设定偏置电流的电流阈值范围，以提供该电流阈值范围内的偏置电流。

在一种可实现的实施方式中，第一运算放大器(11)和第二运算放大器(24)采用全差分结构运算放大器，全差分结构运算放大器可以为折叠式共源共栅运算放大器，还可以为两级密勒补偿运算放大器，在此不做具体限定。被测器件(3)包括各类把温度、压力等非电量转变成电压信号的单点传感器和阵列传感器。

可见，在本可选方案中，读出电路包括：斩波放大电路(1)和开关电容滤波电路(2)；所述斩波放大电路(1)的输入端与被测器件(3)的输出端连接，用于检测并放大所述被测器件(3)输出的微弱信号；所述开关电容滤波电路(2)的输入端与所述斩波放大电路(1)的输出端连接，用于滤除所述斩波放大电路(1)产生的噪声。

综上，在本实施例中利用斩波放大电路和开关电容滤波电路构成读出电路，既实现了对微弱信号的检测并放大，还滤除了斩波放大电路产生的噪声。如此，提高了微弱信号检测的准确性。此外，在本申请实施例中，采用全差分电路结构，在斩波放大电路中引入正反馈来提高输入阻抗，一方面可以抑制共模噪声，另一方面还提高了微弱信号检测的准确性，从而提高信噪比。再者，本申请技术方案的电路结构简单，能实现微弱信号的检测并放大，并采用开关电容滤波器来降低噪声，易与传感器集成，也降低了成本，在微弱信号检测技术领域具有一定的通用性。

需要说明的是，本申请实施例中提到的“第一”、“第二”(若存在)等名称中的“第一”、“第二”只是用来做名字标识，并不代表顺序上的第一、第二。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本申请所提供的一种适用于微弱信号的读出电路进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于微弱信号的读出电路，其特征在于，所述读出电路包括：斩波放大电路(1)和开关电容滤波电路(2)；

所述斩波放大电路(1)的输入端与被测器件(3)的输出端连接，用于检测并放大所述被测器件(3)输出的微弱信号；

所述开关电容滤波电路(2)的输入端与所述斩波放大电路(1)的输出端连接，用于滤除所述斩波放大电路(1)产生的噪声。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述斩波放大电路包括第一斩波开关(4)、第二斩波开关(5)、第三斩波开关(6)、第四斩波开关(7)、第一电容网络(8)、第二电容网络(9)、第三电容网络(10)和第一运算放大器(11)；所述第一斩波开关(4)和所述第二斩波开关(5)用于调制所述被测器件(3)和所述第一运算放大器(11)的输出信号；所述第一电容网络(8)和所述第三电容网络(10)用于提供增益，以放大所述被测器件(3)输出的微弱信号。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述增益的第一增益范围包括10～500。

4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一斩波开关(4)、所述第二斩波开关(5)、所述第三斩波开关(6)和所述第四斩波开关(7)具有相同的结构，均由四个相同的CMOS开关构成。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述四个相同的CMOS开关包括第一CMOS开关(26)、第二CMOS开关(27)、第三CMOS开关(28)和第四CMOS开关(29)；所述第一CMOS开关(26)和所述第二CMOS开关(27)为同一时钟信号控制，所述第三CMOS开关(28)和所述第四CMOS开关(29)为同一反时钟信号控制。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述开关电容滤波电路(2)为低通或带通滤波电路。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述开关电容滤波电路(2)包括第一开关电容网络(12)、第二开关电容网络(13)、第三开关电容网络(14)、第四开关电容网络(15)、第五开关电容网络(16)、第六开关电容网络(17)、第七开关电容网络(18)、第八开关电容网络(19)、第一电容(20)、第二电容(21)、第三电容(22)、第四电容(23)和第二运算放大器(24)；所述第一开关电容网络(12)、所述第二开关电容网络(13)、所述第一电容(20)、所述第二电容(21)、所述第三电容(22)和所述第四电容(23)用于提供增益。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述增益的第二增益范围包括1～30。

9.根据权利要求1-8所述的电路，其特征在于，所述读出电路还包括：带隙电路；

所述带隙电路(24)分别与所述斩波放大电路(1)中的所述第一运算放大器(11)和所述开关电容滤波电路(2)中的所述第二运算放大器(24)的输入端连接，用于给所述第一运算放大器(11)和所述第二运算放大器(24)提供偏置电流。

10.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述被测器件(3)包括单点传感器和阵列传感器。

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