CN212231428U - 一种基于电容补偿的电容电压转换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于电容补偿的电容电压转换电路，包括：电荷积分模块，包括第一运算放大器、反馈电容以及第三开关；采样保持模块，包括第三电容、第四电容、第五电容、第二运算放大器以及多个开关；第五电容的一端与第三电容的另一端连接，其另一端通过两开关分别与第二运算放大器的输出端和同相输入端连接；第四电容跨接于第二运算放大器的输出端和反向输入端；第二运算放大器的同相输入端还连接参考电压输入端；至少一个可调电容补偿模块，每一可调电容补偿模块均包括多个并联的电容支路，每一电容支路包括一补偿电容以及一调节开关。

Description

一种基于电容补偿的电容电压转换电路

技术领域

本公开涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种基于电容补偿的电容电压转换电路。

背景技术

电容式传感器是一种被广泛应用的传感器，如压力传感器、加速度计、陀螺仪等。近年来MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)发展十分迅速，随着MEMS技术的普及，MEMS传感器应运而生。MEMS传感器具有体积小、重量轻、价格便宜、易于与CMOS读出电路系统集成等优点。但由于其体积小的特点决定了传感器的电容值一般为pF量级，输出电容变化量非常微弱，往往只有几或几十fF，如果将它连接到外部电路，寄生电容、分布参数等会对有用信号产生很大的影响，需要通过检测电路来检测微小电容的变化量，提高传感器的检测精度。

常见的检测电路有：连续时间电流读出方式、连续时间电压读出方式、开关电容电荷积分方式等。在连续时间电流读出方式中，通过跨阻放大器 (TIA)检测电路中因电荷转移而产生的交流电流，但是，这种结果的噪声性能不如其他电路电容读出结构，由于该结构的高通频率特性响应，高频时跨阻放大器的热噪声将被放大输出。连续时间电压读出电路需要采用大电阻来提供直流偏置，大电阻不仅耗费面积，而且会产生非常大的寄生电容，导致电路检测精度降低。连续时间电流读出方式与连续时间电压读出方式均需要一个阻抗非常大的电阻为电路提供直流偏置，但集成电路 CMOS工艺中，大电阻会占用相当大的面积，产生很大的集成电容，导致电路的检测精度降低。开关电容电荷积分方式是应用比较广的电容检测电路，电路先为传感器电容充电，再利用电荷转移和再分配原理将电荷转移至电荷积分器上，转化为与电容变化成比例的电压输出。开关电容检测结构电路相对简单，但实际应用中存在时钟馈通、电荷注入、开关噪声、寄生参数等问题，限制了电容检测与转换的精度。并且，目前大部分电容式传感器检测电路均为针对特定传感器专门设计，不能应用于同类型的其他传感器，设计成本大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于电容补偿的电容电压转换电路，至少解决以上技术问题。

(二)技术方案

一种基于电容补偿的电容电压转换电路，包括：电荷积分模块，包括第一运算放大器、反馈电容以及第三开关，其中，反馈电容以及第三开关并联，均跨接于第一运算放大器的反向输入端和输出端，第一运算放大器的反向输入端还连接检测传感器的输出端；采样保持模块，包括第三电容、第四电容、第五电容、第二运算放大器以及多个开关，其中，第三电容一端与第一运算放大器的输出端连接，其另一端通过两开关分别与第二运算放大器的反向输入端和同相输入端连接；第五电容的一端与第三电容的另一端连接，其另一端通过两开关分别与第二运算放大器的输出端和同相输入端连接；第四电容跨接于第二运算放大器的输出端和反向输入端；第二运算放大器的同相输入端还连接参考电压输入端；至少一个可调电容补偿模块，每一可调电容补偿模块均包括多个并联的电容支路，每一电容支路包括一补偿电容以及一调节开关；其中，检测传感器的检测电容、反馈电容中的一个或多个为可调电容补偿模块。

可选地，每一可调电容补偿模块包括n+1个电容支路，n+1个电容支路的电容值分别为单位电容的2^x倍，X从0开始以步长1递增至预设值n。

可选地，至少一个可调电容补偿模块中每一可调电容补偿模块包含的电容支路数量不相等。

可选地，调节开关包括第一MOS管和第二MOS管，其中，第一MOS 管与补偿电容串联于可调电容补偿模块的两公共连接点之间，其漏极与补偿电容连接；第二MOS管的漏极与第一MOS管和补偿电容的连接点连接，第二MOS管的源极接地。

可选地，电荷积分模块还包括虚拟开关，虚拟开关为源极和漏极连接的NMOS管，其中，源极和漏极的连接点为第一连接端，栅极为第二连接端，栅极接收与提供至NMOS开关的时钟相反的时钟，第三开关的输入端或输出端与所述第一连接端连接，第二连接端为第三开关的反向信号输入端。

可选地，采样保持模块中，第三电容与第二运算放大器的反向输入端连接的开关采用虚拟开关或传输门结构。

可选地，采样保持模块中，第五电容与第二运算放大器的输出端连接的开关采用虚拟开关或传输门结构。

可选地，该基于电容补偿的电容电压转换电路还包括低通滤波模块，其与采样保持模块的第二运算放大器的输出端连接。

可选地，低通滤波模块包括至少一个电容，电容为可调电容补偿模块。

可选地，电荷积分模块、采样保持模块、可调电容补偿模块以及低通滤波模块中开关的通断由数字电路控制。

(三)有益效果

本公开提供了一种基于电容补偿的电容电压转换电路，至少具有如下有益效果：

通过本申请中使用的可调电容补偿模块进行电容补偿，消除了输入寄生电容的影响，并通过设计可调的反馈电容使得放大输出的电压范围可调，以适应不同的输入电容范围及分辨率要求；

采用保持模块和低通滤波模块，用于解调电荷积分装置输出的高频调制信号并滤除高频噪声；

低通滤波模块同样可以设计可调电容补偿模块，通过调整可以对带宽进行配置以满足不同传感器的要求；

对于电路中开关可能会导致的电荷注入和时钟馈通，在电路的高阻抗节点上使用虚拟开关和传输门的方式减小电荷注入和时钟馈通的影响。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的基于电容补偿的电容电压转换电路的电路图；

图2a示意性示出了根据本公开实施例的电容传感器的结构图；

图2b示意性示出了根据本公开实施例的电容传感器的受到向上作用力的状态示意图；

图2c示意性示出了根据本公开实施例的电容传感器的检测原理图；

图3示意性示出了根据本公开实施例中部分开关的时序图；

图4示意性示出了根据本公开实施例中虚拟开关的结构示意图；

图5示意性示出了根据本公开实施例中采样保持电路的原理图；

图6示意性示出了根据本公开实施例中采样保持模块的时序图；

图7示意性示出了根据本公开实施例的可调电容补偿模块的结构示意图。

本实用新型的附图中以上划线的方式代表反相，例如

代表n的反相信号。

具体实施方式

针对目前连续时间电流读出方式与连续时间电压读出方式均需要一个阻抗非常大的电阻为电路提供直流偏置，大电阻会占用相当大的面积，产生很大的集成电容，导致电路的检测精度降低；以及开关电容检测结构实际应用中存在时钟馈通、电荷注入、开关噪声、寄生参数等问题，限制了电容检测与转换的精度；并且，目前大部分电容式传感器检测电路均为针对特定传感器专门设计，不能应用于同类型的其他传感器，设计成本大等问题，本公开提供了一种基于电容补偿的电容电压转换电路，以克服以上技术问题。

本公开提供的基于电容补偿的电容电压转换电路，包括电荷积分模块、采样保持模块以及至少一个可调电容补偿模块，其中：

电荷积分模块，包括第一运算放大器、反馈电容以及第三开关，其中，反馈电容以及第三开关并联，均跨接于第一运算放大器的反向输入端和输出端，第一运算放大器的反向输入端还连接检测传感器的输出端；

采样保持模块，包括第三电容、第四电容、第五电容、第二运算放大器以及多个开关，其中，第三电容一端与第一运算放大器的输出端连接，其另一端通过两开关分别与第二运算放大器的反向输入端和同相输入端连接；第五电容的一端与第三电容的另一端连接，其另一端通过两开关分别与第二运算放大器的输出端和同相输入端连接；第四电容跨接于第二运算放大器的输出端和反向输入端；第二运算放大器的同相输入端还连接参考电压输入端；

至少一个可调电容补偿模块，每一可调电容补偿模块均包括多个并联的电容支路，每一电容支路包括一补偿电容以及一调节开关；

其中，检测传感器的检测电容、反馈电容中的一个或多个并联有可调电容补偿模块。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

如图1所示，电荷积分模块包括第一运算放大器AMP1、反馈电容C_F以及第三开关K₃，其中，反馈电容C_F以及第三开关K₃并联，均跨接于第一运算放大器AMP1的反向输入端和输出端，第一运算放大器AMP1的反向输入端还连接检测传感器的输出端。

检测传感器用于接收外界作用力等，由力导致其内部电容的变化，进而实现对力的检测。本公开实施例中的检测传感器为MEMS电容式传感器，其原理为通过测量两个传感电容之差或传感器与参考电容之差来探测外界物理量。具体的可以以MEMS电容式加速度传感器为例，由于制作工艺存储偏差，传感器敏感结构的偏差造成了信号的直流分量的改变，使得电路存在零偏，对整体电路的精度产生影响，为例调节由于输入电容不对称引起的偏置，本申请设计一对可调电容补偿模块C₁和C₂，以实现不同电容值的补偿。

该MEMS电容式加速度传感器检测电容的结构和电容检测原理如图 2a～2c所示，当MEMS电容式加速度传感器收到作用力时，如本实施例中的向上的作用力，敏感质量块产生向上的位移Δx，引起上极板201、下极板203以及敏感质量块202之间的等效电容值发生改变，其改变量为ΔC_ε，

其中，x₀为上极板201与敏感质量块202之间以及下极板203与敏感质量块202之间的初始距离。上极板201、下极板203 以及敏感质量块202之间的等效电容值可以用两个可变电容C_lin和C_2in表示。

该MEMS电容式加速度传感器包括两个可变电容C_lin和C_2in，两可调电容补偿模块C₁和C₂，C₁和C₂的电容支路数量不等，其中，C_1in和C₁串联，C_2in和C₂串联，C_lin和C₁与C_2in和C₂并联，其公共连接端与第一运算放大器AMP1的反向输入端连接。C_1in和C₁之间通过一开关K₁与参考电压V_REF连接，通过一开关K₂接地；同理，C_2in和C₂之间通过一开关 K₁与参考电压V_REF连接，通过一开关K₂接地。

在本公开的另一实施例中，反馈电容C_F为可调电容补偿模块，开关 K₁、K₂以及K₃的时序图如图3所示，通过反馈电容C_F使电容-电压转换电路能够适应不同范围的输入电容值。第一运算放大器AMP1采用折叠式共栅结构增大增益并提高输出摆幅。该电荷积分模块通过开关电容的方式实现电容-电压转换，先给检测传感器中的电容充电，再利用电荷转移和再分配原理将电荷转移到电荷积分器上，最终转化为与电容变化成正比的电压输出。如图3所示，t₁阶段时K₁关闭，K₂、K₃开启，C_F初始化，参考电压对C₁进行充电，此时电容C_lin和C₁上的电荷Q₁＝(C_in-C₁)×V_REF， C_2in和C₂上的电荷Q₂＝0；t₂阶段K₁关闭、K₂开启、K₃关闭，各电容上电荷保持不变；在t₃阶段时C_2in和C₂进行充电，C_1in和C₁进行放电，电荷向C_F转移，根据电荷守恒，记ΔC＝(C_2in+C₂)-(C_lin+C₁)，则输出电压 V_OUT，

开关可能会导致电荷注入和时钟馈通，为了解决该问题，在高阻抗节点K₃处使用虚拟开关或传输门如图4，该虚拟开关为源极和漏极连接的 NMOS管，其中，源极和漏极的连接点为第一连接端，栅极为第二连接端，栅极接收与提供至NMOS开关的时钟相反的时钟，第三开关的输入端或输出端与第一连接端连接，第二连接端为第三开关K₃的反向信号输入端。由于时钟通过伪开关电容馈通而产生的电荷与NMOS开关注入的电荷相反，减小了开关的电荷注入和时钟馈通的影响。

电荷积分模块输出的电压是一个周期性的高频调制信号，需要通过采样保持模块进行解调。图5是一种简单的采样保持电路，电压通过电容保持，并通过单位增益运放输出。该结构的采样保持电路在开关断开时会因为开关的电荷注入效应在输出端引入误差，并且该电路不具备对保持后的信号进行整形和进一步放大的功能，因此本申请提供了一种改进的采样保持模块，如图1所示。

本申请中的采样保持模块，包括第三电容C₃、第四电容C₄、第五电容C₅、第二运算放大器AMP2以及多个开关K₄、K₅以及K₆，其中，第三电容一端与第一运算放大器的输出端连接，其另一端通过两开关分别与第二运算放大器的反向输入端和同相输入端连接；第五电容的一端与第三电容的另一端连接，其另一端通过两开关分别与第二运算放大器的输出端和同相输入端连接；第四电容跨接于第二运算放大器的输出端和反向输入端；第二运算放大器的同相输入端还连接参考电压输入端。具体的，运算放大器AMP2的反相输入端与开关K₆的一端、电容C₄的一端连接，AMP2 的同相输入端与参考电压V_ERF、开关K₅的一端、开关K₄的一端连接，AMP2 的输出端与开关K₆的一端、电容C₄的另一端连接，并连接至后续低通滤波模块，电容C₃的一端与电荷积分模块连接，另一端与开关K₅、K₆的另一端、电容C₅的一端连接，电容C₅另一端与开关K₄、K₆的另一端连接。由于电荷积分模块输出的信号是调制信号，需要对其进行解调，控制开关的时序如图6所示。t₁阶段时，K₄、K₅开启，K₆关闭，此时电荷积分模块已初始化后进行采样，V_in为当前输入电压值，V_out(n-1)为上一周期输出电压值，C₃上电荷Q₃＝[V_in-V_REF]×C₃，C₄上的电荷Q₄＝-[V_out(n-1)-V_REF]×C₄，C₅上的电荷Q₅＝0；t₂阶段时K₄、K₅关闭，各电容存储电荷不变；t₃阶段 K₆开启，在V_in降至V_REF后，记v_in＝V_in-V_REF，根据电荷守恒有：

通过调整C3、C4以及C5的值可以实现输出信号幅度变化。通过采样保持模块后，输出为连续且输入电容差成正比的电压信号。

为了减少开关的电荷注入和时钟馈通的影响，第三电容与第二运算放大器的反向输入端连接的开关K₆采用虚拟开关或传输门结构，第五电容与第二运算放大器的输出端连接的开关K₆采用虚拟开关或传输门结构。

至少一个可调电容补偿模块，每一可调电容补偿模块均包括多个并联的电容支路，每一电容支路包括一补偿电容以及一调节开关，如图7所示；可调电容补偿模块包括预设数量(n+1)个并联的电容支路，每一电容支路包括一补偿电容以及一调节开关。调节开关包括第一MOS管和第二 MOS管，其中，第一MOS管与补偿电容串联于可调电容补偿模块的两公共连接点之间，其漏极与补偿电容连接；第二MOS管的漏极与第一MOS 管和补偿电容的连接点连接，第二MOS管的源极接地。n+1个电容支路的电容值分别为单位电容的2^x倍，X从0开始以步长1递增至预设值n，例如，若C为单位电容，则各支路上的电容值分别为C，C×2¹，…C×2ⁿ。每一可调电容补偿模块可以采用不同的n值，通过n位外部信号可以对可调电容补偿模块的电容值进行修调，抑制零点漂移，提高转换电路的线性度。

其中，检测传感器的检测电容、反馈电容中的一个或多个可以为或串联上述可调电容补偿模块。

该基于电容补偿的电容电压转换电路还包括低通滤波模块，其与采样保持模块的第二运算放大器的输出端连接。低通滤波模块包括至少一个电容，该电容为或串联可调电容补偿模块。

上述电荷积分模块、采样保持模块、可调电容补偿模块以及低通滤波模块中开关的通断由数字电路控制，可以由带隙基准提供参考电压。

综上所述，通过本申请中使用的可调电容补偿模块进行电容补偿，消除了输入寄生电容的影响，并通过设计可调的反馈电容使得放大输出的电压范围可调，以适应不同的输入电容范围及分辨率要求。该基于电容补偿的电容电压转换电路还包括采用保持模块和低通滤波模块，用于解调电荷积分装置输出的高频调制信号并滤除高频噪声。低通滤波模块同样可以设计可调电容补偿模块，通过调整可以对带宽进行配置以满足不同传感器的要求。对于电路中开关可能会导致的电荷注入和时钟馈通，在电路的高阻抗节点上使用虚拟开关和传输门的方式减小电荷注入和时钟馈通的影响。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电容补偿的电容电压转换电路，其特征在于，包括：

电荷积分模块，包括第一运算放大器、反馈电容以及第三开关，其中，所述反馈电容以及第三开关并联，均跨接于所述第一运算放大器的反向输入端和输出端，所述第一运算放大器的反向输入端还连接检测传感器的输出端；

采样保持模块，包括第三电容、第四电容、第五电容、第二运算放大器以及多个开关，其中，所述第三电容一端与所述第一运算放大器的输出端连接，其另一端通过两开关分别与所述第二运算放大器的反向输入端和同相输入端连接；所述第五电容的一端与所述第三电容的另一端连接，其另一端通过两开关分别与所述第二运算放大器的输出端和同相输入端连接；所述第四电容跨接于所述第二运算放大器的输出端和反向输入端；所述第二运算放大器的同相输入端还连接参考电压输入端；

至少一个可调电容补偿模块，每一所述可调电容补偿模块均包括多个并联的电容支路，每一电容支路包括一补偿电容以及一调节开关；

其中，所述检测传感器的检测电容、反馈电容中的一个或多个为所述可调电容补偿模块。

2.根据权利要求1所述的基于电容补偿的电容电压转换电路，其特征在于，每一所述可调电容补偿模块包括n+1个电容支路，所述n+1个电容支路的电容值分别为单位电容的2^x倍，X从0开始以步长1递增至预设值n。

3.根据权利要求1所述的基于电容补偿的电容电压转换电路，其特征在于，所述至少一个可调电容补偿模块中每一可调电容补偿模块包含的电容支路数量不相等。

4.根据权利要求1所述的基于电容补偿的电容电压转换电路，其特征在于，所述调节开关包括第一MOS管和第二MOS管，其中，所述第一MOS管与所述补偿电容串联于所述可调电容补偿模块的两公共连接点之间，其漏极与所述补偿电容连接；所述第二MOS管的漏极与所述第一MOS管和所述补偿电容的连接点连接，所述第二MOS管的源极接地。

5.根据权利要求1所述的基于电容补偿的电容电压转换电路，其特征在于，所述电荷积分模块还包括虚拟开关，所述虚拟开关为源极和漏极连接的NMOS管，其中，源极和漏极的连接点为第一连接端，栅极为第二连接端，所述栅极接收与提供至NMOS开关的时钟相反的时钟，所述第三开关的输入端或输出端与所述第一连接端连接，所述第二连接端为所述第三开关的反向信号输入端。

6.根据权利要求1所述的基于电容补偿的电容电压转换电路，其特征在于，所述采样保持模块中，所述第三电容与所述第二运算放大器的反向输入端连接的开关采用虚拟开关或传输门结构。

7.根据权利要求1所述的基于电容补偿的电容电压转换电路，其特征在于，所述采样保持模块中，所述第五电容与所述第二运算放大器的输出端连接的开关采用虚拟开关或传输门结构。

8.根据权利要求1所述的基于电容补偿的电容电压转换电路，其特征在于，还包括低通滤波模块，其与所述采样保持模块的第二运算放大器的输出端连接。

9.根据权利要求8所述的基于电容补偿的电容电压转换电路，其特征在于，所述低通滤波模块包括至少一个电容，所述电容为所述可调电容补偿模块。

10.根据权利要求9所述的基于电容补偿的电容电压转换电路，其特征在于，所述电荷积分模块、采样保持模块、可调电容补偿模块以及低通滤波模块中开关的通断由数字电路控制。

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