一種電容型傳感器接口電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電容型傳感器接口電路，包括：MEMS電容驅(qū)動電路、直流穩(wěn)定電路、第一級緩沖放大器、差分差值放大器和解調(diào)電路。使用本發(fā)明提出的電容型傳感器接口電路，通過連續(xù)型檢測電路，在相同的功耗條件下降低了電路噪聲。
【專利說明】一種電容型傳感器接口電路
[0001]

【技術領域】
[0002]本發(fā)明屬于電子器件【技術領域】，涉及一種傳感器接口電路，具體為電容型MEMS傳感器接口電路。

【背景技術】
[0003]在過去的十幾年中，單片的電容型微機械傳感器被應用得越來越廣泛，例如電容型加速度計和電容型陀螺儀。電容型微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的優(yōu)勢在于傳感器本身有較低的溫度系數(shù)，容易兼容標準的CMOS制造技術。
[0004]整體的輸出噪聲是衡量傳感器的一個重要指標,完整的電容型傳感器包含MEMS部分和接口電路部分，MEMS和接口電路都對輸出噪聲有貢獻，其中MEMS的噪聲主要由空氣分子的布朗運動造成，電路的噪聲包括器件的熱噪聲、閃爍噪聲等。減小整體的輸出噪聲是所有類型的傳感器所要研究和努力實現(xiàn)的方向，隨著MEMS本身噪聲的不斷減小，目前，電路本身的噪聲在商用產(chǎn)品和研究文獻中都產(chǎn)生了不可忽略的影響。
[0005]開關電容電路是電容型傳感器接口電路中使用最多的電路結(jié)構(gòu)，這類的電路結(jié)構(gòu)有很好的魯棒性，但是較高的κτ/c電路熱噪聲和開關電路中噪聲的混疊，都導致了這類電路比連續(xù)檢測電路的電路噪聲更高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提出了一種電容型傳感器接口電路，通過連續(xù)型檢測電路，在相同的功耗條件下降低電路噪聲。
[0007]技術方案:一種電容型傳感器接口電路，包括:
MEMS電容驅(qū)動電路，所述MEMS電容驅(qū)動電路與MEMS電容連接，用于調(diào)制加在MEMS電容上的交流激勵信號，便于正常檢測電容的變化；
直流穩(wěn)定電路，所述直流穩(wěn)定電路與MEMS電容連接和第一級緩沖放大器連接，用于穩(wěn)定與接口電路接點的直流電壓，避免由于MEMS電容沒有直流通路，導致電路進入不正常的工作狀態(tài)；
第一級緩沖放大器，用于優(yōu)化輸入級的噪聲并提供一定的增益；
差分差值放大器，所述差分差值放大器與第一級緩沖放大器連接，用于動態(tài)消除直流和交流失調(diào)；
解調(diào)電路，所述解調(diào)電路與差分差值放大器連接，用于將調(diào)制的高頻信號解調(diào)到低頻。
[0008]所述MEMS電容驅(qū)動電路為方波驅(qū)動電路；所述方波驅(qū)動電路由開關S1、S2、S3和S4組成，該電路的斬波頻率為幾十到幾百KHZ。
[0009]所述直流穩(wěn)定電路由直流偏置開關S5和S6組成，所述直流偏置開關每隔16個時鐘周期導通一次，將開關引起的噪聲混疊減小為開關電容電路的1/16。
[0010]所述第一級緩沖放大器對信號提供小于10倍的放大倍數(shù)。
[0011]所述差分差值放大器還包括dc校準通路和ac校準通路，其中dc校準通路用于消除電路本身的直流失調(diào)，具有低通特性，這樣就不會對信號和ac校準通路產(chǎn)生影響；ac校準通路用于校準MEMS傳感器本身帶來的失調(diào)。
[0012]有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:通過連續(xù)型檢測電路，在相同的功耗條件下降低了電路噪聲。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的電容型傳感器接口電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的電容型傳感器接口電路的整體電路示意圖；
圖3是本發(fā)明的電容型傳感器接口電路的兩級運算放大器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明的電容型傳感器接口電路的信號時序示意圖。

【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等同變換均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0015]如圖1所示的電容型傳感器接口電路，包括:MEMS電容驅(qū)動電路，由于MEMS電容不能通過直流信號，為了正常檢測出電容的變化，往往需要在MEMS電容上加上交流激勵信號，方波信號通常是最合適的；直流穩(wěn)定電路，由于MEMS電容沒有直流通路，與接口電路接點的直流電壓需要專門的直流偏置電路來穩(wěn)定直流工作點，以免使電路進入不正常的工作狀態(tài)；第一級緩沖放大器，用于優(yōu)化輸入級的噪聲并提供一定的增益；差分差值放大器，用于動態(tài)消除直流和交流失調(diào)；解調(diào)電路，用于將由方波調(diào)制的高頻信號解調(diào)到低頻。
[0016]圖2為本發(fā)明的電容型傳感器接口電路的整體電路示意圖，圖中Csl_Cs4為MEMS電容，開關S1-S4構(gòu)成了方波驅(qū)動電路，當S1、S3導通的時候，S2、S4斷開，S1、S3斷開的時候，S2、S4導通，這樣幅度相同、相位相反的方波信號就施加在了 MEMS兩端，即斬波調(diào)制。斬波的頻率通常選在幾十到幾百KHz的頻率點上，在這個頻率段上，布朗噪聲起到的主導影響。
[0017]由于MEMS電容不能傳遞直流信號，那么輸入點的直流電壓需要另外的偏置電路來實現(xiàn)，途中開關S5、S6即為直流偏置開關，偏置開關每隔16個時鐘周期導通一次，將輸入點偏置在直流電壓Vb上，當偏置開關導通的時候，調(diào)制方波暫時停止。每16個時鐘周期導通一次的好處在于將開關引起的噪聲混疊減小為開關電容電路的1/16。信號時序如圖4所
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[0018]信號放大通路采用兩級結(jié)構(gòu)，主要目的在于可以優(yōu)化輸入電容大小、噪聲和帶寬等參數(shù)，第一級放大器具有較小的輸入電容，第二級放大器可以根據(jù)噪聲和帶寬對輸入級進行單獨的優(yōu)化。第一級放大器提供較小的增益，對信號提供小于10倍的放大倍數(shù)。第二級放大器的主體結(jié)構(gòu)是一個差分差值放大器，放大器具有三套輸入:信號輸入、dc校準輸入和ac校準輸入，其中信號輸入連接第一級放大器的信號輸出；dc校準通路用來消除電路本身的直流失調(diào)，dc反饋通路具有低通特性，這樣就不會對信號和ac校準通路產(chǎn)生影響；ac通路用來校準MEMS傳感器本身帶來的失調(diào)。如圖3所示的兩級運算放大器，信號的輸入Vin可以表示為Vsig+Vdc+Vac，經(jīng)過兩級放大器后，輸出信號可以表示為:
Vout=AinAmianVsig+ AinAmainVdc/(1+Adc)+AinAmainVac-AcalVcal (I)
由公式I可見，信號的放大倍數(shù)為AinAmain,如果Adc足夠大，dc失調(diào)電壓可以被很大程度的衰減，Vcal信號用來消除ac信號帶來的失調(diào)。
[0019]解調(diào)電路由開關S7-S10組成，解調(diào)電路將前面斬波調(diào)制到高頻的信號被解調(diào)到低頻。這樣，殘留的dc噪聲被調(diào)制到高頻，最后在輸出端通過低通濾波被濾除。
【權(quán)利要求】
1.一種電容型傳感器接口電路，其特征在于，包括: MEMS電容驅(qū)動電路，所述MEMS電容驅(qū)動電路與MEMS電容連接，用于調(diào)制加在MEMS電容上的交流激勵信號； 直流穩(wěn)定電路，所述直流穩(wěn)定電路與MEMS電容連接和第一級緩沖放大器連接，用于穩(wěn)定與接口電路接點的直流電壓； 第一級緩沖放大器，用于優(yōu)化輸入級的噪聲并提供一定的增益； 差分差值放大器，所述差分差值放大器與第一級緩沖放大器連接，用于動態(tài)消除直流和交流失調(diào)； 解調(diào)電路，所述解調(diào)電路與差分差值放大器連接，用于將調(diào)制的高頻信號解調(diào)到低頻。
2.如權(quán)利要求1所述的電容型傳感器接口電路，其特征在于:所述MEMS電容驅(qū)動電路為方波驅(qū)動電路。
3.如權(quán)利要求2所述的電容型傳感器接口電路，其特征在于:所述方波驅(qū)動電路由S1、S2、S3和S4組成，該電路的斬波頻率為幾十到幾百KHZ。
4.如權(quán)利要求1所述的電容型傳感器接口電路，其特征在于:所述直流穩(wěn)定電路由直流偏置開關S5和S6組成，所述直流偏置開關每隔16個時鐘周期導通一次。
5.如權(quán)利要求1所述的電容型傳感器接口電路，其特征在于:所述第一級緩沖放大器對信號提供小于10倍的放大倍數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的電容型傳感器接口電路，其特征在于:所述差分差值放大器還包括dc校準通路和ac校準通路，其中dc校準通路用于消除電路本身的直流失調(diào)，具有低通特性；ac校準通路用于校準MEMS傳感器本身帶來的失調(diào)。
【文檔編號】G01D5/24GK104406612SQ201410624541
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】蔣振雷 申請人:無錫納訊微電子有限公司