電容式傳感器檢測電路及雙採樣斬波級聯結構的製作方法

2024-03-25 14:41:05

本發明屬於微電子技術領域，涉及一種電容式傳感器檢測電路，尤其涉及一種高線性度低噪聲低零漂失調電容式傳感器檢測電路；同時，本發明還設計一種雙採樣斬波級聯結構。

背景技術：

傳統的閉環式電荷-電壓轉換器，具有較好的線性度，但是由於其使用的寬帶放大器缺乏足夠的抗混疊濾波，因而噪聲較差。傳統的開環式電荷-電壓轉換器，由於內建抗混疊濾波具有較好的噪聲特性，但是由於放大器輸入變化較大，因而線性度較差，並且由於不同相位間跨導存在失配，會引入額外的失調電壓以及相應的零漂。

傳統的電容式傳感器檢測電路，一般包括一個用於將電容電荷變化轉換成電壓信號的電荷-電壓轉換器，一個adc用於將模擬信號轉換成數位訊號，一個數字濾波器用於對信號做進一步處理。

傳統的閉環式電荷-電壓轉換器來將電容變化轉換為電壓變化。傳統的閉環式電荷-電壓轉換器使用一個寬帶放大器(opa)構成一個電荷-電容反饋電路，此寬帶放大器一般具有很短的相應時間以及高直流增益，並由此獲得整個電荷-電壓轉換器對環境影響的低敏感度。如圖2所示，一個電壓方波施加於傳感器節點pm上，把從由傳感器電容傳遞過來的電荷轉換為電壓信號，並使得差分輸出信號的幅度正比於傳感器的電容變化。

寬帶放大器(opa)在電路內部被配置成閉環的形式，因而此種轉換器可以獲得很高的線性度。但由於此種轉換器缺乏必要的抗混疊濾波，寬帶噪聲被採樣操作積分到信號所處的基帶，會帶入了較大的等效輸入噪聲，以及相應的信噪比衰減。

傳統的開環式電荷-電壓轉換器內建抗混疊濾波，減少了寬帶噪聲摺疊效應，因此比閉環式電荷-電壓轉換器具有更好的噪聲特性。一般來說這種轉換器還會加入一組相關雙採樣開關用於濾除低頻噪聲，如圖3所示，電路在φ1相位對電容進行復位(rst)，在cds的第一個周期φ2對放大器(opa)的低頻噪聲和失調電壓進行積分，在cds的第二個周期同時對信號和放大器低頻噪聲/失調電壓進行積分，最後對這次積分值相減去除放大器的低頻噪聲和失調電壓。

如圖3所示，此種類型的電荷-電壓轉換器，由於放大器(opa)被配置為開環結構，特別是在傳感器輸入信號較大的時候，其輸入差分對m1和m2的輸入端電壓會發生比較大的電壓變化，因此影響此種轉換器的線性度。此種電荷-電壓轉換器的輸出電壓可以用以下公式表述：

其中的非線性部分為：

其中α1為放大器等效輸入跨導，α3為輸入差分對(m1/m2)跨導的三階非線性項，vin為差分對輸入電壓，vos為差分對失調電壓，當前cmos工藝的失調電壓vos一般在5～10mv量級，所以這種結構會存在較大的二階失調項。

這種類型的電荷-電壓轉換器，其輸入共模電壓在cds的兩個相鄰周期φ2和φ3之間會發生比較大的變化，此共模輸入電壓變化值可以用公式表示為：

其中cs0是傳感器靜態電容，cp是傳感器輸出對地寄生電容，vpm是傳感器電容公共節點(pm)上的電壓變化。由於這種共模電壓的變化，會噪聲輸入差分對(m1/m2)的跨導(gm)在cds的兩個相鄰周期發生較大的變化，而洩露出一部分失調電壓和低頻噪聲。這兩種非理想的洩露都可以用下面公式表述。

其中，vos_leak為轉換器的等效輸入失調洩露，是轉換器的等效輸入低頻噪聲洩露。gm1是相關雙採樣(cds)第一個相位φ2輸入差分對的等效跨導，gm1是相關雙採樣(cds)第二個相位φ3輸入差分對的等效跨導。vos為差分對輸入失調電壓，是差分對等效輸入低頻噪聲。在共模輸入不變的情況下，gm1＝gm2，因此不會有洩露，但當輸入共模電壓發生變化時，失調電壓和低頻噪聲都有一部分洩露。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：提供一種電容式傳感器檢測電路，可提供與閉環式電荷-電壓轉換器相近的線性度，並且比傳統的開環式電荷-電壓轉換器更好的噪聲特性以及更低的零漂失調，實現了高線性度、低噪聲、低零漂失調。

此外，本發明還提供一種雙採樣斬波級聯結構，可提供與閉環式電荷-電壓轉換器相近的線性度，並且比傳統的開環式電荷-電壓轉換器更好的噪聲特性以及更低的零漂失調，實現了高線性度、低噪聲、低零漂失調。

為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：

一種電容式傳感器檢測電路，所述傳感器檢測電路包括：電容式傳感器、電荷-電壓轉換器、雙採樣-斬波級聯結構、模數轉換器adc、數字濾波器；

所述電荷-電壓轉換器用於將電容的電荷變化轉換成電壓變化，雙採樣-斬波級聯結構包括斬波結構chs，斬波結構chs用於將非線性中的偶次項調製到斬波頻率處，模數轉換器adc用於將模擬信號轉換成數位訊號，數字濾波器用於濾除高頻調製偶次非線性項，從而獲得高線性度。

作為本發明的一種優選方案，所述雙採樣-斬波級聯結構還包括雙採樣結構cds，雙採樣結構cds用於消除部分低頻電路噪聲；所述斬波結構chs還用於進一步將殘留的低頻電路噪聲調製到斬波頻率處；數字濾波器還用於濾除被調製到斬波頻率出的低頻噪聲，從而獲得低噪聲。

作為本發明的一種優選方案，所述雙採樣-斬波級聯結構還包括雙採樣結構cds，雙採樣結構cds用於消除部分電路失調電壓；所述斬波結構chs還用於進一步將殘留的低頻電路噪聲調製到斬波頻率處；數字濾波器還用於濾除被調製到斬波頻率處的失調電壓，從而獲得更小的零漂失調。

作為本發明的一種優選方案，所述電荷-電壓轉換器通過雙採樣-斬波級聯結構分別連接電容式傳感器、模數轉換器adc，模數轉換器adc連接數字濾波器；

所述雙採樣-斬波級聯結構包括雙採樣結構、斬波結構；雙採樣結構包括第一組雙採樣開關，斬波結構包括第一組斬波開關、第二組斬波開關，電荷-電壓轉換器包括運算放大器opa，復位開關sw1，復位開關sw2，積分電容ci；第一組斬波開關、第二組斬波開關分別連接運算放大器opa的輸入端、輸出端；第二組斬波開關的輸出連接第一組雙採樣開關的輸入，第一組雙採樣開關的輸出連接模數轉換器adc的輸入。

作為本發明的一種優選方案，所述電荷-電壓轉換器通過雙採樣-斬波級聯結構分別連接電容式傳感器、模數轉換器adc，模數轉換器adc連接數字濾波器；

所述雙採樣-斬波級聯結構包括雙採樣結構、斬波結構；雙採樣結構包括第一組雙採樣開關，斬波結構包括第一組斬波開關、第二組斬波開關，電荷-電壓轉換器包括運算放大器opa，復位開關sw1，復位開關sw2，積分電容ci；

所述第一組雙採樣開關、第二組斬波開關通過一組開關實現，通過開關切換電路切換開關控制信號實現各自的功能；

所述第一組斬波開關、第二組斬波開關分別連接運算放大器opa的輸入端、輸出端；第二組斬波開關的輸出連接模數轉換器adc的輸入。

一種雙採樣斬波級聯結構，所述雙採樣斬波級聯結構包括斬波結構chs、雙採樣結構cds：

所述斬波結構chs用於將非線性中的偶次項調製到斬波頻率處；所述雙採樣結構cds用於消除部分電路失調電壓；所述斬波結構chs還用於進一步將殘留的低頻電路噪聲調製到斬波頻率處。

作為本發明的一種優選方案，所述雙採樣斬波級聯結構包括雙採樣結構、斬波結構；雙採樣結構包括第一組雙採樣開關，斬波結構包括第一組斬波開關、第二組斬波開關；第一組斬波開關、第二組斬波開關分別連接電荷-電壓轉換器的運算放大器opa的輸入端、輸出端；第二組斬波開關的輸出連接第一組雙採樣開關的輸入，第一組雙採樣開關的輸出連接模數轉換器adc的輸入。

作為本發明的一種優選方案，所述雙採樣斬波級聯結構包括雙採樣結構、斬波結構；雙採樣結構包括第一組雙採樣開關，斬波結構包括第一組斬波開關、第二組斬波開關；

所述第一組雙採樣開關、第二組斬波開關通過一組開關實現，通過開關切換電路切換開關控制信號實現各自的功能；

所述第一組斬波開關、第二組斬波開關分別連接電荷-電壓轉換器的運算放大器opa的輸入端、輸出端；第二組斬波開關的輸出連接模數轉換器adc的輸入。

本發明的有益效果在於：本發明提出的電容式傳感器檢測電路，可提供與閉環式電荷-電壓轉換器相近的線性度，並且比傳統的開環式電荷-電壓轉換器更好的噪聲特性以及更低的零漂失調，實現高線性度、低噪聲、低零漂失調。

附圖說明

圖1為電容式傳感器檢測電路的電路示意圖。

圖2為傳統閉環式電荷-電壓轉換器的電路示意圖。

圖3為開環式電荷-電壓轉換器的電路示意圖。

圖4為相關雙採樣-斬波級聯電荷-電壓轉換器的電路示意圖。

圖5為另外一種相關雙採樣-斬波級聯結構的電路示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施例。

實施例一

請參閱圖4，本發明揭示了一種電容式傳感器檢測電路，包括電容式傳感器、電路部分；電路部分包括電荷-電壓轉換器，相關雙採樣-斬波級聯結構，模數轉換器(adc)和數字濾波器。其中電荷-電壓轉換器用於將電容的電荷變化轉換成電壓變化，雙採樣-斬波級聯結構中的斬波結構(chs)用於將非線性中的偶次項調製到斬波頻率處，adc用於將模擬信號轉換成數位訊號，而數字濾波器用於濾除高頻調製偶次非線性項，從而獲得高線性度。

所述電荷-電壓轉換器通過雙採樣-斬波級聯結構分別連接電容式傳感器、模數轉換器adc，模數轉換器adc連接數字濾波器。

所述雙採樣-斬波級聯結構包括雙採樣結構、斬波結構；雙採樣結構包括第一組雙採樣開關，斬波結構包括第一組斬波開關、第二組斬波開關，電荷-電壓轉換器包括運算放大器opa；第一組斬波開關、第二組斬波開關分別連接運算放大器opa的輸入端、輸出端；第二組斬波開關的輸出連接第一組雙採樣開關的輸入，第一組雙採樣開關的輸出連接模數轉換器adc的輸入。

如圖4所示，在相關雙採樣開關之前，放大器的輸入和輸出端分別加入了一對斬波開關，斬波頻率fch一般可設置為n倍(n≥2)的相關雙採樣頻率(fch＝n·fcds)。在一般電路中的斬波開關是用於消除電路低頻噪聲和輸入失調電壓，而此發明中的斬波開關主要用於提高電路線性度，減少由於共模變化引起的失調洩露和低頻噪聲洩露。以(fch＝2·fcds)為例，其原理表述如下:

一、提高電荷-電壓轉換器線性度

連續相鄰兩次轉換器等效輸出電壓可以表述為

其中α1為放大器等效輸入跨導，α3為輸入差分對(m1/m2)跨導的三階非線性項，vin為差分對輸入電壓，vos為差分對失調電壓，τ為積分周期，ci為積分電容。當這兩次信號通過後續的平均濾波器後，輸出電壓可以表述為：

其中的非線性部分可以表述為：

可以看到相比傳統開環式電荷-電壓轉換器，輸出電壓中的二階非線性因子被消除，此發明提供的電荷-電壓轉換器具有更好的線性度。

二、減少等效輸入失調電壓洩露

連續相鄰兩次轉換器等效輸入失調電壓可以表述為

gm1是相關雙採樣(cds)第一個相位φ2輸入差分對的等效跨導，gm2是相關雙採樣(cds)第二個相位φ3輸入差分對的等效跨導。vos為差分對輸入失調電壓。當這兩次信號通過後續的平均濾波器後，輸入失調電壓洩露可以表述為：

可以看到相比傳統開環式電荷-電壓轉換器，等效輸入失調電壓的洩露部分被完全消除，此發明提供的電荷-電壓轉換器具有更低的輸入失調電壓，以及相應更好的零漂失調。

三、減少等效輸入低頻噪聲洩露

連續相鄰兩次轉換器等效輸入低頻噪聲可以表述為

gm1是相關雙採樣(cds)第一個相位φ2輸入差分對的等效跨導，gm2是相關雙採樣(cds)第二個相位φ3輸入差分對的等效跨導。為差分對等效輸入低頻噪聲。當這兩次信號通過後續的平均濾波器後，等效輸入低頻噪聲洩露可以表述為：

可以看到相比傳統開環式電荷-電壓轉換器，等效輸入低頻噪聲的洩露部分被完全消除，此發明提供的電荷-電壓轉換器具有更低的噪聲。

實施例二

請參閱圖5，本發明揭示了一種電容式傳感器檢測電路，包括一個電容式傳感器、電路部分；電路部分包括一個電荷-電壓轉換器，一個相關雙採樣-斬波級聯結構，一個模數轉換器(adc)和一個數字濾波器。其中電荷-電壓轉換器用將電容的電荷變化轉換成電壓變化，雙採樣-斬波級聯結構中的相關雙採樣結構(cds)用於消除部分低頻電路噪聲，雙採樣-斬波級聯結構中的斬波結構(chs)用於進一步將殘留的低頻電路噪聲調製到斬波頻率處，adc用於將模擬信號轉換成數位訊號，而數字濾波器用於濾除被調製到斬波頻率出的低頻噪聲，從而獲得低噪聲。

實施例三

本發明揭示了一種電容式傳感器檢測電路，包括一個電容式傳感器、電路部分；電路部分包括一個電荷-電壓轉換器，一個相關雙採樣-斬波級聯結構，一個模數轉換器(adc)和一個數字濾波器。其中電荷-電壓轉換器用將電容的電荷變化轉換成電壓變化，雙採樣-斬波級聯結構中的相關雙採樣結構(cds)用於消除部分電路失調電壓，雙採樣-斬波級聯結構中的斬波結構(chs)用於進一步將殘留的低頻電路噪聲調製到斬波頻率處，adc用於將模擬信號轉換成數位訊號，而數字濾波器用於濾除被調製到斬波頻率處的失調電壓，從而獲得更小的零漂失調。

實施例四

一種雙採樣斬波級聯結構，所述雙採樣斬波級聯結構包括斬波結構chs、雙採樣結構cds：

所述斬波結構chs用於將非線性中的偶次項調製到斬波頻率處；所述雙採樣結構cds用於消除部分電路失調電壓；所述斬波結構chs還用於進一步將殘留的低頻電路噪聲調製到斬波頻率處。

綜上所述，本發明提出的電容式傳感器檢測電路，可提供與閉環式電荷-電壓轉換器相近的線性度，並且比傳統的開環式電荷-電壓轉換器更好的噪聲特性以及更低的零漂失調，實現了高線性度、低噪聲、低零漂失調。

本發明用於提高電容式傳感器的線性度；將偶次非線性項調製到斬波頻率處，然後由後級濾波器將此高頻非線性項濾除，最終獲得高線性度。

本發明同時用於提高電容式傳感器的零漂失調；將洩露出的零漂失調調製到斬波頻率處，然後由後級濾波器將此零漂失調濾除，最終獲得低零漂失調。

此外，本發明用於提高電容式傳感器的零漂失調；將洩露出的低頻噪聲調製到斬波頻率處，然後由後級濾波器將此低頻噪聲濾除，最終獲得低噪聲以及低零漂失調。

這裡本發明的描述和應用是說明性的，並非想將本發明的範圍限制在上述實施例中。這裡所披露的實施例的變形和改變是可能的，對於那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發明的精神或本質特徵的情況下，本發明可以以其它形式、結構、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現。在不脫離本發明範圍和精神的情況下，可以對這裡所披露的實施例進行其它變形和改變。