CN116545428A - 一种高精度电容到电压转换误差修调电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度电容到电压转换误差修调电路及方法，电路包括电荷存储模块和误差修调模块，所述电荷存储模块输入基准电压VREFN通过连接多个电阻后接地，每个电阻相连接处均设置子开关，所有子开关连通后与误差修调模块通过开关S6连接，连接节点f还设置开关S5进行接地；所述误差修调模块还包括两个输入基准电压VREFP，分别连接开关S1和开关S3。通过本发明电路进行误差修调，弥补了半导体工艺造成的最小电容精度不足的问题，可以将误差修调最小电容有效的降低到工艺所能做到的50fF的0.2%以下，将最小精确电容从50fF降低到0.1fF以下，提高了最小电容的精度水平。

Description

一种高精度电容到电压转换误差修调电路及方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种高精度电容到电压转换误差修调电路及方法。

背景技术

随着微机电系统（MEMS）技术的发展，MEMS传感器在过去的几年中成为应用最广泛的微机电系统器件之一，传感器犹如人的眼睛和皮肤，在人们的生活和工作中起着重要的作用，其中MEMS加速度计传感器、陀螺仪传感器和压力传感器等被广泛用于测量物体的加速度、角速度和压力，在汽车、工业自动化、航空航天及其它众多领域得到了广泛的应用。

MEMS传感器大多采用电容到电压的检测方式来读取传感器信号的变化，现有传感器微小信号检测方式有连续时间检测和离散时间检测两种。传感器的检测方式一般都加工成差分电容的检测方式，由于加工的误差和工作时的失配，会造成传感器输出产生一个特别大的电容到电压转换误差，目前拥有的技术路线，一种方案是加入一个运放用来补偿降低这个误差，这种方案的缺点是增加了系统功耗和复杂度，另一种方案是经模拟数字(ADC)转换后在数字系统中处理,但这种方案无法避免误差过大造成模拟转换电路工作不正常的风险。

发明内容

为解决上述传感器输出产生一个特别大的电容到电压转换误差的问题，本发明提出了一种高精度电容到电压转换误差修调电路及方法，降低这个电容到电压转换误差到可忽略的水平。

第一方面，一种高精度电容到电压转换误差修调电路，包括电荷存储模块和误差修调模块，所述电荷存储模块输入基准电压VREFN通过连接n个电阻后接地，每个电阻相连接处以及电阻两端均设置有一个子开关，n+1个子开关连通后与误差修调模块通过开关S6连接，节点f所述开关S6还连接开关S5进行接地，开关S5与S6连接于节点f；所述误差修调模块还包括两个输入基准电压VREFP，分别连接开关S1和开关S3。

进一步，所述误差修调模块一个输入基准电压VREFP连接开关S1的一端，开关S1的另一端连接开关S2的一端和敏感结构中间节点于节点a，所述设置于加速度计敏感结构基础电容Cs1和Cs2之间；高精度修调电容Cm2串联子开关Ss1后连接加速度计敏感结构基础电容Cs1，再与传感器平衡电容Cc1连接于节点b；高精度修调电容Cm5串联子开关Ss2后连接加速度计敏感结构基础电容Cs2，再与传感器平衡电容Cc2连接于节点c。

进一步，所述传感器平衡电容Cc1与Cc2串联连接，连接点为节点d，所述节点d连接开关S3和S4，开关S3的另一端还连接输入基准电压VREFP。

进一步，所述节点b连接至运算放大器A的负输入端，所述节点c连接至运算放大器A的正输入端；运算放大器A的负输入端还与电容Cf1的一端和电阻Rf1的一端相连于节点b，电容Cf1与电阻Rf1并联连接，另一端相连于节点Voutp。

进一步，所述运算放大器A的正输入端与电容Cf2和电阻Rf2的一端相连于节点c，电容Cf2和电阻Rf2并联连接，另一端相连于节点Voutn。

另一方面，一种高精度电容到电压转换误差修调方法，基于高精度电容到电压转换误差修调电路实现，包括：

在正相位Φ1时，施加在加速度计敏感结构基础电容上的基准电压作用在变化的电容上，产生正比于变化电容的电荷，得出电荷存储关系式为：

Qc=VREFP*Cc，Qm=VREFN*((n-ni)/n)*Cm，Qs=0；

其中，Qc表示传感器平衡电容Cc1或Cc2上存储的电荷，Qm表示高精度修调电容Cm2或Cm5上存储的电荷，Qs表示Cs1或Cs2上存储的电荷，VREFP和VREFN表示基准电压源，Cc表示Qc对应的传感器平衡电容值且Cc1值与Cc2值相等，Cm表示Qm对应的高精度修调电容值且Cm2值与Cm5值相等，n为电阻Rn的序号，ni为Sw中导通时的序号；

在负相位Φ2时，上一阶段采样得到的电荷通过运放算放大器A进行放大，得出电荷存储关系式为：

Qs=VREFP*(Cs+ΔC)，Qm=0，Qc=0；

其中，Qs表示加速度计敏感结构基础电容Cs1或Cs2上存储的电荷，Qm表示高精度修调电容Cm2或Cm5上存储的电荷，Qc表示传感器平衡电容Cc1或Cc2上存储的电荷，Cs表示Qs对应的加速度计敏感结构基础电容初始值，ΔC表示加速度计敏感结构基础电容Cs1和Cs2相等变化的电容量，若Cs1电容量增加ΔC，则Cs2电容量减小 ΔC。

进一步，还包括：根据相位Φ1和Φ2下的电荷存储关系式，计算电容Cf1和Cf2的电荷变化量，电荷变化量计算式为：

Qcf1=VREFP*(Cs+ΔC)-VREFP*Cc-VREFN*((n-ni)/n)*Cm；

Qcf2=VREFP*ΔC-VREFN*((n-ni)/n)*Cm；

其中，Qcf1表示Cf1电荷变化量，Qcf2表示Cf2电荷变化量， Cs表示Qs对应的加速度计敏感结构基础电容初始值，Cc表示Qc对应的传感器平衡电容值且Cc1值与Cc2值相等，Cm表示Qm对应的高精度修调电容值且Cm2值与Cm5值相等，VREFP和VREFN表示基准电压源，ΔC表示Cs1和Cs2相等变化的电容量，若Cs1增加ΔC，则Cs2减小 ΔC,n为电阻Rn的序号，ni为Sw中导通时的序号。

进一步，所述电荷变化量计算式可进一步得出：

VREFP*ΔC-VREFN*((n-ni)/n)*Cm=Cf*Vout；

Vout=Voutp-Voutn=（VREFP*ΔC-VREFN*((n-ni)/n)*Cm）/Cf；

其中Cs表示Qs对应的加速度计敏感结构基础电容初始值，Cc表示Qc对应的传感器平衡电容值且Cc1值与Cc2值相等，Cm表示Qm对应的高精度修调电容值且Cm2值与Cm5值相等，Cf表示电容Cf1或Cf2的值，ΔC表示Cs1和Cs2相等变化的电容量，若Cs1增加ΔC，则Cs2减小 ΔC；当Cm取最小值时，通过改变ni的取值，可对等效最小值电容值的高精度修调，实现修调转换误差。

本发明的有益效果：本发明提出了一种高精度电容到电压转换误差修调电路及方法，无需经模数转换到数字域进行误差修调补偿，非常适用于模拟系统中的误差修调，解决现有技术电路复杂度高和功耗大的问题，无需额外增加运放和一系列修调补偿电阻和开关进行误差补偿模块就可以直接进行误差矫正和补偿，结构简单、易于实现，效果良好，弥补半导体工艺造成的最小电容精度不足的问题，可以将误差修调最小电容有效的降低到工艺所能做到的50fF的0.2%以下，将最小精确电容从50fF降低到0.1fF以下，大大提高了最小电容的精度水平。

附图说明

图1是本发明高精度电容到电压转换误差修调电路结构图。

实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明提出了一种高精度电容到电压转换误差修调电路及方法，第一方面，一种高精度电容到电压转换误差修调电路，如图1所示，包括电荷存储模块和误差修调模块，所述电荷存储模块输入基准电压VREFN通过连接多个电阻（R1~Rn）后接地，每个电阻相连接处均设置子开关（Sw1~Swn+1），所有子开关连通后与误差修调模块通过开关S6连接，连接节点f还设置开关S5进行接地；所述误差修调模块还包括两个输入基准电压VREFP，分别连接开关S1和开关S3。

所述误差修调模块一个输入基准电压VREFP连接开关S1的一端，开关S1的另一端连接开关S2的一端和敏感结构中间节点于节点a；加速度计敏感结构基础电容Cs1、传感器平衡电容Cc1和高精度修调电容Cm2通过子开关Ss1后连接于同一节点b，加速度计敏感结构基础电容Cs2、传感器平衡电容Cc2和高精度修调电容Cm5通过子开关Ss2后连接于同一节点c，输入基准电压VREFP连接开关S3的一端。

所述开关S3的另一端连接开关S4的一端和传感器平衡电容Cc1、Cc2的中间节点于节点d，电容Cf1的一端和电阻Rf1的一端与运算放大器A的负输入端相连于节点b，另一端相连于节点Voutp。

所述运算放大器A的正输入端与电容Cf2的一端和电阻Rf2的一端相连于节点c，电容Cf2另一端相连于节点Voutn。

另一方面，一种高精度电容到电压转换误差修调方法，基于高精度电容到电压转换误差修调电路实现，包括：

在正相位Φ1时，施加在加速度计敏感结构基础电容上的基准电压作用在变化的电容上，产生正比于变化电容的电荷，得出电荷存储关系式为：

Qc=VREFP*Cc，Qm=VREFN*((n-ni)/n)*Cm，Qs=0；

其中，Qc表示传感器平衡电容Cc1或Cc2上存储的电荷，Qm表示高精度修调电容Cm2或Cm5上存储的电荷，Qs表示Cs1或Cs2上存储的电荷，VREFP和VREFN表示基准电压源，Cc表示Qc对应的传感器平衡电容值且Cc1值与Cc2值相等，Cm表示Qm对应的高精度修调电容值且Cm2值与Cm5值相等，n为电阻Rn的序号，ni为Sw中导通时的序号；

在负相位Φ2时，上一阶段采样得到的电荷通过运放算放大器A进行放大，得出电荷存储关系式为：

Qs=VREFP*(Cs+ΔC)，Qm=0，Qc=0；

其中，Qs表示加速度计敏感结构基础电容Cs1或Cs2上存储的电荷，Qm表示高精度修调电容Cm2或Cm5上存储的电荷，Qc表示传感器平衡电容Cc1或Cc2上存储的电荷，Cs表示Qs对应的加速度计敏感结构基础电容初始值，ΔC表示加速度计敏感结构基础电容Cs1和Cs2相等变化的电容量，若Cs1电容量增加ΔC，则Cs2电容量减小 ΔC。

进一步，还包括：根据相位Φ1和Φ2下的电荷存储关系式，计算电容Cf1和Cf2的电荷变化量，电荷变化量计算式为：

Qcf1=VREFP*(Cs+ΔC)-VREFP*Cc-VREFN*((n-ni)/n)*Cm；

Qcf2=VREFP*ΔC-VREFN*((n-ni)/n)*Cm；

其中，Qcf1表示Cf1电荷变化量，Qcf2表示Cf2电荷变化量， Cs表示Qs对应的加速度计敏感结构基础电容初始值，Cc表示Qc对应的传感器平衡电容值且Cc1值与Cc2值相等，Cm表示Qm对应的高精度修调电容值且Cm2值与Cm5值相等，VREFP和VREFN表示基准电压源，ΔC表示Cs1和Cs2相等变化的电容量，若Cs1增加ΔC，则Cs2减小 ΔC,n为电阻Rn的序号，ni为Sw中导通时的序号。

进一步，所述电荷变化量计算式可进一步得出：

VREFP*ΔC-VREFN*((n-ni)/n)*Cm=Cf*Vout；

Vout=Voutp-Voutn=（VREFP*ΔC-VREFN*((n-ni)/n)*Cm）/Cf；

其中Cs表示Qs对应的加速度计敏感结构基础电容初始值，Cc表示Qc对应的传感器平衡电容值且Cc1值与Cc2值相等，Cm表示Qm对应的高精度修调电容值且Cm2值与Cm5值相等，Cf表示电容Cf1或Cf2的值，ΔC表示Cs1和Cs2相等变化的电容量，若Cs1增加ΔC，则Cs2减小 ΔC；当Cm取最小值时，通过改变ni的取值，可对等效最小值电容值的高精度修调，实现修调转换误差。

在本实施例中，电路结构中输入基准电压VREFP连接S1的一端；S1的另一端连接S2的一端和敏感结构中间节点于节点a；Cs1和Cc1、Cm2通过开关Ss1后连接于同一点2，Cs2和Cc2、Cm5通过开关Ss2后连接于同一点3，输入基准电压VREFP连接S3的一端；S3的另一端连接S4的一端和平衡电容Cc1、Cc2的中间节点于节点d，Cf1的一端和Rf1的一端与运放A的负输入端相连于节点b，另一端相连于节点Voutp，Cf2的一端和Rf2的一端与运放A的正输入端相连于节点c，另一端相连于节点Voutn，VREFN连接R1、R2等直到Rn到地，每个电阻相连接处通过开关Sw1、Sw2等直到Swn后连接于共同点7。

本发明提出的的一种高精度修调电容到电压转换误差的电路结构，通过电路的分析可得到在相位Φ1时，电荷存储关系式为：

Qc=VREFP*Cc，Qm=VREFN*((n-ni)/n)*Cm，Qs=0

在相位Φ2时，电荷存储关系式为：

Qs=VREFP*(Cs+ΔC)，Qm=0，Qc=0

通过上述两个关系式，经过相位Φ1和Φ2后，Cf1、Cf2的电荷变化量如下式所示：

Qcf1=VREFP*(Cs+ΔC)-VREF*Cc-VREFN*((n-ni)/n)*Cm；

Qcf2=VREFP*ΔC-VREFN*((n-ni)/n)*Cm ；

VREF*ΔC-VREFN*((n-ni)/n)*Cm=Cf*Vout；

所以：

Vout=Voutp-Voutn=（VREF*ΔC-VREFN*((n-ni)/n)*Cm）/Cf；

其中Cs为加速度计敏感结构的基础电容，Cc为与传感器相应的平衡电容，Cm为高精度修调电容，ΔC为传感器敏感结构上下传感到的相反的电容变化量。由最后一个公式可见，当Cm取工艺能精确做到的最小值50fF时，通过改变ni的取值，便可轻易做到等效50fF电容值0.1%的高精度修调值，从而达到修调转换误差的目的。

在本实施例中，如图1所示电路结构的电压输出正比于敏感结构电容的变化量，其中S1、S4、S6的相位同Φ1，S2、S3、S5的相位同Φ2；利用电容的充放电特性，通过改变施加在Cm2和Cm5相连接的节点e的电压，来等效得到远小于Cm电容（值为VREFN/n倍Cm）的修调电容特性，同时通过电荷的转移特性，改变运放A的输出误差，进而达到修调的目的。在Φ1阶段，利用施加在敏感结构电容上的基准电压作用在变化的电容上，产生正比于变化电容的电荷，在Φ2阶段，上一阶段采样得到的电荷通过运放算放大器A进行放大，从而得到所需的电容到电压的转换关系。

本发明提出了一种高精度电容到电压转换误差修调电路及方法，无需经模数转换到数字域进行误差修调补偿，非常适用于模拟系统中的误差修调，解决现有技术电路复杂度高和功耗大的问题，无需额外增加运放和一系列修调补偿电阻和开关进行误差补偿模块就可以直接进行误差矫正和补偿，结构简单、易于实现，效果良好，弥补半导体工艺造成的最小电容精度不足的问题，可以将误差修调最小电容有效的降低到工艺所能做到的50fF的0.2%以下，将最小精确电容从50fF降低到0.1fF以下，大大提高了最小电容的精度水平。

本发明以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种高精度电容到电压转换误差修调电路，其特征在于，包括电荷存储模块和误差修调模块，所述电荷存储模块输入基准电压VREFN通过连接n个电阻后接地，每个电阻相连接处以及电阻两端均设置有一个子开关，n+1个子开关连通后与误差修调模块通过开关S6连接；所述开关S6还连接开关S5进行接地，开关S5与S6连接于节点f；所述误差修调模块还包括两个输入基准电压VREFP，分别连接开关S1和开关S3。

2.根据权利要求1所述的一种高精度电容到电压转换误差修调电路，其特征在于，所述误差修调模块一个输入基准电压VREFP连接开关S1的一端，开关S1的另一端连接开关S2的一端和敏感结构中间节点于节点a，所述设置于加速度计敏感结构基础电容Cs1和Cs2之间；高精度修调电容Cm2串联子开关Ss1后连接加速度计敏感结构基础电容Cs1，再与传感器平衡电容Cc1连接于节点b；高精度修调电容Cm5串联子开关Ss2后连接加速度计敏感结构基础电容Cs2，再与传感器平衡电容Cc2连接于节点c。

3.根据权利要求2所述的一种高精度电容到电压转换误差修调电路，其特征在于，所述传感器平衡电容Cc1与Cc2串联连接，连接点为节点d，所述节点d连接开关S3和S4，开关S3的另一端还连接输入基准电压VREFP。

4.根据权利要求3所述的一种高精度电容到电压转换误差修调电路，其特征在于，所述节点b连接至运算放大器A的负输入端，所述节点c连接至运算放大器A的正输入端；运算放大器A的负输入端还与电容Cf1的一端和电阻Rf1的一端相连于节点b，电容Cf1与电阻Rf1并联连接，另一端相连于节点Voutp。

5.根据权利要求4所述的一种高精度电容到电压转换误差修调电路，其特征在于，所述运算放大器A的正输入端与电容Cf2和电阻Rf2的一端相连于节点c，电容Cf2和电阻Rf2并联连接，另一端相连于节点Voutn。

6.一种高精度电容到电压转换误差修调方法，基于权利要求5所述的一种高精度电容到电压转换误差修调电路实现，其特征在于，包括：

在正相位Φ1时，施加在加速度计敏感结构基础电容Cs1或Cs2上的基准电压作用在变化的电容上，产生正比于变化电容的电荷，得出电荷存储关系式为：

Qc=VREFP*Cc，Qm=VREFN*((n-ni)/n)*Cm，Qs=0；

其中，Qc表示传感器平衡电容Cc1或Cc2上存储的电荷，Qm表示高精度修调电容Cm2或Cm5上存储的电荷，Qs表示加速度计敏感结构基础电容Cs1或Cs2上存储的电荷，VREFP和VREFN表示基准电压源，Cc表示Qc对应的传感器平衡电容值且Cc1值与Cc2值相等，Cm表示Qm对应的高精度修调电容值且Cm2值与Cm5值相等，n为电阻Rn的序号，ni为Sw中导通时的序号；

在负相位Φ2时，上一阶段采样得到的电荷通过运放算放大器A进行放大，得出电荷存储关系式为：

Qs=VREFP*(Cs+ΔC)，Qm=0，Qc=0；

其中，Qs表示加速度计敏感结构基础电容Cs1或Cs2上存储的电荷，Qm表示高精度修调电容Cm2或Cm5上存储的电荷，Qc表示传感器平衡电容Cc1或Cc2上存储的电荷，Cs表示Qs对应的加速度计敏感结构基础电容初始值，ΔC表示加速度计敏感结构基础电容Cs1和Cs2相等变化的电容量，若Cs1电容量增加ΔC，则Cs2电容量减小 ΔC。

7.根据权利要求6所述的一种高精度电容到电压转换误差修调方法，其特征在于，还包括：根据相位Φ1和Φ2下的电荷存储关系式，计算电容Cf1和Cf2的电荷变化量，电荷变化量计算式为：

Qcf1=VREFP*(Cs+ΔC)-VREFP*Cc-VREFN*((n-ni)/n)*Cm；

Qcf2=VREFP*ΔC-VREFN*((n-ni)/n)*Cm；

其中，Qcf1表示Cf1电荷变化量，Qcf2表示Cf2电荷变化量， Cs表示Qs对应的加速度计敏感结构基础电容初始值，Cc表示Qc对应的传感器平衡电容值且Cc1值与Cc2值相等，Cm表示Qm对应的高精度修调电容值且Cm2值与Cm5值相等，VREFP和VREFN表示基准电压源，ΔC表示Cs1和Cs2相等变化的电容量，若Cs1增加ΔC，则Cs2减小 ΔC,n为电阻Rn的序号，ni为Sw中导通时的序号。

8.根据权利要求7所述的一种高精度电容到电压转换误差修调方法，其特征在于，所述电荷变化量计算式可进一步得出：

VREFP*ΔC-VREFN*((n-ni)/n)*Cm=Cf*Vout；

Vout=Voutp-Voutn=（VREFP*ΔC-VREFN*((n-ni)/n)*Cm）/Cf；

其中Cs表示Qs对应的加速度计敏感结构基础电容初始值，Cc表示Qc对应的传感器平衡电容值且Cc1值与Cc2值相等，Cm表示Qm对应的高精度修调电容值且Cm2值与Cm5值相等，Cf表示电容Cf1或Cf2的值，ΔC表示Cs1和Cs2相等变化的电容量，若Cs1增加ΔC，则Cs2减小ΔC；当Cm取最小值时，通过改变ni的取值，可对等效最小值电容值的高精度修调，实现修调转换误差。