CN117749102A - 一款伪差分电容式传感器检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一款伪差分电容式传感器检测电路，包括产生电容信号的传感器模块，传感器模块的输入端电连接有产生高频载波的调制模块；传感器模块的输出端电路连接有将高频电容信号放大并转换成高频电压信号的读出模块，读出模块的输出端电连接有将高频电压信号的转换成低频电压信号的解调模块，解调模块的输出端电连接有去除前端高频干扰的低通输出模块；传感器模块包括电容Ca1和电容Ca2，电容读出模块包括第一放大器A1和第二放大器A2，第一放大器A1和第二放大器A2的正输入端电连接第一共模电压Vcm，第一放大器A1和第二放大器A2的负输入端之间依次串接电容Ca1和电容Ca2。本发明能够简单高效的提加速度信号的放大效率，且节约放大功耗。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一款伪差分电容式传感器检测电路。
背景技术
在以MEMS为代表的传感器ASIC设计中，通常的设计思路为对传感器(sensor)的模拟小信号进行放大后通过模数转换器(ADC)转换为数字信号，再通过专用DSP对其进行校正修正后输出。
在信号放大步骤时，需要高性能的前置放大器对信号进行放大，而前置放大器的加入将明显增加电路设计复杂度，提升了芯片成本，同时还需配备提高增益和降低噪声的电路架构，增加电路的复杂度，进一步增加了电路的生产成本。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的问题是提供一款伪差分电容式传感器检测电路，能够简单高效的提加速度信号的放大效率，且节约放大功耗。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一款伪差分电容式传感器检测电路，包括产生电容信号的传感器模块，所述传感器模块的输入端电连接有产生高频载波的调制模块，使传感器模块输出高频电容信号；
所述传感器模块的输出端电路连接有将高频电容信号放大并转换成高频电压信号的读出模块，所述读出模块的输出端电连接有将高频电压信号的转换成低频电压信号的解调模块，所述解调模块的输出端电连接有去除前端高频干扰的低通输出模块。
进一步的，所述传感器模块包括电容Ca1和电容Ca2，所述电容读出模块包括第一放大器A1和第二放大器A2，所述第一放大器A1和第二放大器A2的正输入端电连接第一共模电压Vcm，所述第一放大器A1和第二放大器A2的负输入端之间依次串接电容Ca1和电容Ca2。
进一步的，所述第一放大器A1的负输入端与输出端之间串接反馈电容Cf1，所述反馈电容Cf1并接电阻R1；
所述第二放大器A2的负输入端与输出端之间串接反馈电容Cf2，所述反馈电容Cf2并接电阻R2，用于将差分电容信号转换成差分电压信号。
进一步的，所述调制模块包括开关km、开关m和输出调制波的第一接口，所述地极GND与第一接口之间串接有开关km，电源VDD与第一接口之间串接开关m，所述第一接口电连接至电容Ca1和电容Ca2之间；
所述开关km和开关m以预设频率交替闭合，使第一接口输出高频调制波。
进一步的，所述解调模块包括开关vclk1、开关vclk2、开关vclkb1和开关vclkb2，所述第一放大器A1和第二放大器A2的输出端之间依次串接开关vclk1和开关vclkb1，所述第一放大器A1和第二放大器A2的输出端之间还依次串接开关vclk2和开关vclkb2；
所述开关vclk1、开关vclk2与开关vclkb1、开关vclkb2以预设频率交替闭合，以使高频电压信号转换成低频电压信号。
进一步的，所述开关vclk1和开关vclkb1之间引出a端口，开关vclk2和开关vclkb2之间引出b端口；
所述低通输出模块包括电阻R3和电容C，所述a端口和b端口之间依次串接有电阻R3和电容C，所述电容C的两端分别引出c端口和d端口，用于输出滤波后的低频电压信号。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过采用两个单端输出运算放大器替代了传统的共模反馈全差分运算放大器，因此不需要输入共模反馈结构来稳定输入共模值，节约了系统功耗。
通过开关vclk1、开关vclk2、开关vclkb1和开关vclkb2构成解调器模块，可将前端调制到高频的加速度计电容信号还原到其本身的低频信号，解调器模块采用了开关结构，电路简单，解调速度快，可以高效准确的的进行信号解调。
通过电阻R3和电容C构成无源的低通滤波器模块，对电路信号进行频率限制，衰减系统前端信号处理过程中产生的高频脉冲，降低之前电路所积累的高频噪声，降低系统噪声。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的一款伪差分电容式传感器检测电路的整体电路图；
图2是本发明的一款伪差分电容式传感器检测电路的读出模块电路图；
图3是本发明的一款伪差分电容式传感器检测电路的解调模块电路图；
图4是本发明的一款伪差分电容式传感器检测电路的低通输出模块电路图；
其中：1、传感器模块；2、调制模块；3、读出模块；4、解调模块；5、低通输出模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供一款伪差分电容式传感器检测电路，如图1所示，包括产生电容信号的传感器模块1，传感器模块1为伪差分电容式电路，该电路可将电容信号进行叠加，增大电容信号。传感器模块1的输出端电路连接有读出模块3，读出模块3将电容信号放大并转换成电压信号后输出。
为提高电容信号的抗干扰性能，传感器模块1的输入端电连接有调制模块2，调制模块2用于产生高频载波并输入至传感器模块1，高频载波与低频的电容信号叠加，以输出高频电容信号。
读出模块3的输出端电连接有解调模块4，解调模块4可解调高频电压信号，以输出低频的电容信号。解调模块4的输出端电连接有低通输出模块5，低通输出模块5可去除前端信号处理过程中产生的高频干扰，从而降低之前模块积累的高频噪声，来满足系统低噪声的需求。
调制模块2包括开关km、开关m和输出调制波的第一接口，地极GND与第一接口之间串接有开关km，电源VDD与第一接口之间串接开关m，开关km和开关m与控制模块电连接，控制开关km和开关m以预设频率交替闭合，使第一接口输出高频调制波。
传感器模块1包括串接的电容Ca1和电容Ca1，第一接口电连接至电容Ca1和电容Ca1之间，串接电容Ca1和电容Ca1的两端与读出模块3电连接。
由于电容Ca1和电容Ca1串接，传感器运行时，电容Ca1和电容Ca1均产生压差，串接后电容Ca1和电容Ca1两端的压差为电容Ca1和电容Ca1压差之和。串接的电容Ca1和电容Ca1的两端与读出模块3电连接。可将两倍的电容信号输入读出模块3。
如图2所示，读出模块3包括第一放大器A1和第二放大器A2，第一放大器A1和第二放大器A2的正输入端电连接共模电压Vcm。不需要输入共模反馈结构来稳定输入共模值，节约了系统功耗。
第一放大器A1和第二放大器A2电连接至串接的电容Ca1和电容Ca1的两端。第一放大器A1的负输入端与输出端之间串接反馈电容Cf1，反馈电容Cf1并接电阻R1；第二放大器A2的负输入端与输出端之间串接反馈电容Cf2，反馈电容Cf2并接电阻R2，可将两倍的电容信号放大且转换成电压信号，并由第一放大器A1和第二放大器A2的输出端输出。
读出模块3：由一对电荷放大器构成伪差分输出的形式，反馈电容Cf和加速度计传感器的差分电容变化量△C共同决定放大器整个闭环电压增益，C/V转换器的输出电压会随着MEMS硅微加速度计的传感器变化电容而改变。决定电容转换电压的公式(1)如下所示：
Vop-Von＝2ΔC(VDD-Vcm)/Cf (1)
其中：Vop-Von为高频电压信号。
如图3所示，解调模块4包括开关vclk1、开关vclk2、开关vclkb1和开关vclkb2，第一放大器A1和第二放大器A2的输出端之间依次串接开关vclk1和开关vclkb1，第一放大器A1和第二放大器A2的输出端之间还依次串接开关vclk2和开关vclkb2。并在开关vclk1和开关vclkb1之间引出a端口，开关vclk2和开关vclkb2之间引出b端口，通过a端口和b端口输出解调后的低频率且经过放大处理的电压信号。
解调时，当开关vclk1和开关vclk2闭合时，开关vclkb1和开关vclkb2断开；当开关vclk1和开关vclk2断开时，开关vclkb1和开关vclkb2闭合。且开关vclk1、开关vclk2、开关vclkb1和开关vclkb2交替闭合的频率与开关km、开关m交替闭合的频率相同。
调制模块2：由四个开关组成，连接方式采用交叉耦合，作用是把前端调制到高频的传感器电容信号还原到其本身的低频信号。图中的开关高电平(电源3.3V)开启，低电平(0V)关断。当需解调的信号Vin经过解调器的差分输入端口时，若vclk为高电平，vclkb为低电平，则由vclk控制的开关闭合，vclkb控制的开关断开，此时输入端口的电压Vin与输出端口a和b的电压Vout相同。若vclkb为高电平，vclk为低电平，则输出端口a和b的电压Vout与输入端口的电压Vin为反相的关系。输出信号的表达式为公式(2)所示。
假设要解调的调制信号为Vin(t)＝Vasin(ω0+φ)，其中ω0为Фclk(t)的角频率，当Vin(t)与f(t)信号同相时，公式(2)所示的Vout(t)表达式可化简为：
其中上述信号f(t)方波信号可近似表示为多个正弦函数波形的叠加，故将其可以进行傅里叶级数展开为如公式(4)所示：
经化简可得：
此时，可以算出Voyt(t)的表达式为：
由表达式(6)可知，输出的信号Vout中拥有很多高频谐波分量，当高频分量被滤除之后，Vout表达式变为:
如图4所示，低通输出模块5包括电阻R3和电容C，a端口和b端口之间依次串接有电阻R3和电容C，电容C的两端分别引出c端口和d端口，用于输出滤波后的低频电压信号。低通输出模块5对电路信号进行频率限制，将系统前端信号处理过程中产生的高频部分衰减掉，从而降低之前电路所积累的高频噪声，来满足系统低噪声的需求。其传输函数为：
其中，1/RC有频率的量纲。
上述最简单的一阶RC滤波器，其优点为可以更好地折中系统的性能和鲁棒性，并且滤波阶数越短其收敛速度越快。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (6)
1.一款伪差分电容式传感器检测电路，其特征在于，包括产生电容信号的传感器模块(1)，所述传感器模块(1)的输入端电连接有产生高频载波的调制模块(2)，使传感器模块(1)输出高频电容信号；
所述传感器模块(1)的输出端电路连接有将高频电容信号放大并转换成高频电压信号的读出模块(3)，所述读出模块(3)的输出端电连接有将高频电压信号的转换成低频电压信号的解调模块(4)，所述解调模块(4)的输出端电连接有去除前端高频干扰的低通输出模块(5)。
2.根据权利要求1所述的一款伪差分电容式传感器检测电路，其特征在于，所述传感器模块(1)包括电容Ca1和电容Ca2，所述电容读出模块(3)包括第一放大器A1和第二放大器A2，所述第一放大器A1和第二放大器A2的正输入端电连接第一共模电压Vcm，所述第一放大器A1和第二放大器A2的负输入端之间依次串接电容Ca1和电容Ca2。
3.根据权利要求2所述的一款伪差分电容式传感器检测电路，其特征在于，所述第一放大器A1的负输入端与输出端之间串接反馈电容Cf1，所述反馈电容Cf1并接电阻R1；
所述第二放大器A2的负输入端与输出端之间串接反馈电容Cf2，所述反馈电容Cf2并接电阻R2，用于将差分电容信号转换成差分电压信号。
4.根据权利要求1所述的一款伪差分电容式传感器检测电路，其特征在于，所述调制模块(2)包括开关km、开关m和输出调制波的第一接口，所述地极GND与第一接口之间串接有开关km，电源VDD与第一接口之间串接开关m，所述第一接口电连接至电容Ca1和电容Ca2之间；
所述开关km和开关m以预设频率交替闭合，使第一接口输出高频调制波。
5.根据权利要求2所述的一款伪差分电容式传感器检测电路，其特征在于，所述解调模块(4)包括开关vclk1、开关vclk2、开关vclkb1和开关vclkb2，所述第一放大器A1和第二放大器A2的输出端之间依次串接开关vclk1和开关vclkb1，所述第一放大器A1和第二放大器A2的输出端之间还依次串接开关vclk2和开关vclkb2；
所述开关vclk1、开关vclk2与开关vclkb1、开关vclkb2以预设频率交替闭合，以使高频电压信号转换成低频电压信号。
6.根据权利要求5所述的一款伪差分电容式传感器检测电路，其特征在于，所述开关vclk1和开关vclkb1之间引出a端口，开关vclk2和开关vclkb2之间引出b端口；
所述低通输出模块(5)包括电阻R3和电容C，所述a端口和b端口之间依次串接有电阻R3和电容C，所述电容C的两端分别引出c端口和d端口，用于输出滤波后的低频电压信号。
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