本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)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(diào)電容式傳感器檢測電路；同時，本發(fā)明還設(shè)計一種雙采樣斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的閉環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器，具有較好的線性度，但是由于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(tǒng)的開環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器，由于內(nèi)建抗混疊濾波具有較好的噪聲特性，但是由于放大器輸入變化較大，因而線性度較差，并且由于不同相位間跨導(dǎo)存在失配，會引入額外的失調(diào)電壓以及相應(yīng)的零漂。

傳統(tǒng)的電容式傳感器檢測電路，一般包括一個用于將電容電荷變化轉(zhuǎn)換成電壓信號的電荷-電壓轉(zhuǎn)換器，一個adc用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，一個數(shù)字濾波器用于對信號做進一步處理。

傳統(tǒng)的閉環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器來將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。傳統(tǒng)的閉環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器使用一個寬帶放大器(opa)構(gòu)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(yīng)時間以及高直流增益，并由此獲得整個電荷-電壓轉(zhuǎn)換器對環(huán)境影響的低敏感度。如圖2所示，一個電壓方波施加于傳感器節(jié)點pm上，把從由傳感器電容傳遞過來的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號，并使得差分輸出信號的幅度正比于傳感器的電容變化。

寬帶放大器(opa)在電路內(nèi)部被配置成閉環(huán)的形式，因而此種轉(zhuǎn)換器可以獲得很高的線性度。但由于此種轉(zhuǎn)換器缺乏必要的抗混疊濾波，寬帶噪聲被采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(yīng)的信噪比衰減。

傳統(tǒng)的開環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)建抗混疊濾波，減少了寬帶噪聲折疊效應(yīng)，因此比閉環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器具有更好的噪聲特性。一般來說這種轉(zhuǎn)換器還會加入一組相關(guān)雙采樣開關(guān)用于濾除低頻噪聲，如圖3所示，電路在φ1相位對電容進行復(fù)位(rst)，在cds的第一個周期φ2對放大器(opa)的低頻噪聲和失調(diào)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(diào)電壓進行積分，最后對這次積分值相減去除放大器的低頻噪聲和失調(diào)電壓。

如圖3所示，此種類型的電荷-電壓轉(zhuǎn)換器，由于放大器(opa)被配置為開環(huán)結(jié)構(gòu)，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(fā)生比較大的電壓變化，因此影響此種轉(zhuǎn)換器的線性度。此種電荷-電壓轉(zhuǎn)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(dǎo)，α3為輸入差分對(m1/m2)跨導(dǎo)的三階非線性項，vin為差分對輸入電壓，vos為差分對失調(diào)電壓，當前cmos工藝的失調(diào)電壓vos一般在5～10mv量級，所以這種結(jié)構(gòu)會存在較大的二階失調(diào)項。

這種類型的電荷-電壓轉(zhuǎn)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(fā)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(tài)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(jié)點(pm)上的電壓變化。由于這種共模電壓的變化，會噪聲輸入差分對(m1/m2)的跨導(dǎo)(gm)在cds的兩個相鄰周期發(fā)生較大的變化，而泄露出一部分失調(diào)電壓和低頻噪聲。這兩種非理想的泄露都可以用下面公式表述。

其中，vos_leak為轉(zhuǎn)換器的等效輸入失調(diào)泄露，是轉(zhuǎn)換器的等效輸入低頻噪聲泄露。gm1是相關(guān)雙采樣(cds)第一個相位φ2輸入差分對的等效跨導(dǎo)，gm1是相關(guān)雙采樣(cds)第二個相位φ3輸入差分對的等效跨導(dǎo)。vos為差分對輸入失調(diào)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，因此不會有泄露，但當輸入共模電壓發(fā)生變化時，失調(diào)電壓和低頻噪聲都有一部分泄露。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

此外，本發(fā)明還提供一種雙采樣斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)，可提供與閉環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器相近的線性度，并且比傳統(tǒng)的開環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器更好的噪聲特性以及更低的零漂失調(diào)，實現(xiàn)了高線性度、低噪聲、低零漂失調(diào)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)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(zhuǎn)換器、雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc、數(shù)字濾波器；

所述電荷-電壓轉(zhuǎn)換器用于將電容的電荷變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)包括斬波結(jié)構(gòu)chs，斬波結(jié)構(gòu)chs用于將非線性中的偶次項調(diào)制到斬波頻率處，模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字濾波器用于濾除高頻調(diào)制偶次非線性項，從而獲得高線性度。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)還包括雙采樣結(jié)構(gòu)cds，雙采樣結(jié)構(gòu)cds用于消除部分低頻電路噪聲；所述斬波結(jié)構(gòu)chs還用于進一步將殘留的低頻電路噪聲調(diào)制到斬波頻率處；數(shù)字濾波器還用于濾除被調(diào)制到斬波頻率出的低頻噪聲，從而獲得低噪聲。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)還包括雙采樣結(jié)構(gòu)cds，雙采樣結(jié)構(gòu)cds用于消除部分電路失調(diào)電壓；所述斬波結(jié)構(gòu)chs還用于進一步將殘留的低頻電路噪聲調(diào)制到斬波頻率處；數(shù)字濾波器還用于濾除被調(diào)制到斬波頻率處的失調(diào)電壓，從而獲得更小的零漂失調(diào)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述電荷-電壓轉(zhuǎn)換器通過雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)分別連接電容式傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc，模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc連接數(shù)字濾波器；

所述雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)包括雙采樣結(jié)構(gòu)、斬波結(jié)構(gòu)；雙采樣結(jié)構(gòu)包括第一組雙采樣開關(guān)，斬波結(jié)構(gòu)包括第一組斬波開關(guān)、第二組斬波開關(guān)，電荷-電壓轉(zhuǎn)換器包括運算放大器opa，復(fù)位開關(guān)sw1，復(fù)位開關(guān)sw2，積分電容ci；第一組斬波開關(guān)、第二組斬波開關(guān)分別連接運算放大器opa的輸入端、輸出端；第二組斬波開關(guān)的輸出連接第一組雙采樣開關(guān)的輸入，第一組雙采樣開關(guān)的輸出連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc的輸入。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述電荷-電壓轉(zhuǎn)換器通過雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)分別連接電容式傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc，模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc連接數(shù)字濾波器；

所述雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)包括雙采樣結(jié)構(gòu)、斬波結(jié)構(gòu)；雙采樣結(jié)構(gòu)包括第一組雙采樣開關(guān)，斬波結(jié)構(gòu)包括第一組斬波開關(guān)、第二組斬波開關(guān)，電荷-電壓轉(zhuǎn)換器包括運算放大器opa，復(fù)位開關(guān)sw1，復(fù)位開關(guān)sw2，積分電容ci；

所述第一組雙采樣開關(guān)、第二組斬波開關(guān)通過一組開關(guān)實現(xiàn)，通過開關(guān)切換電路切換開關(guān)控制信號實現(xiàn)各自的功能；

所述第一組斬波開關(guān)、第二組斬波開關(guān)分別連接運算放大器opa的輸入端、輸出端；第二組斬波開關(guān)的輸出連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc的輸入。

一種雙采樣斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述雙采樣斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)包括斬波結(jié)構(gòu)chs、雙采樣結(jié)構(gòu)cds：

所述斬波結(jié)構(gòu)chs用于將非線性中的偶次項調(diào)制到斬波頻率處；所述雙采樣結(jié)構(gòu)cds用于消除部分電路失調(diào)電壓；所述斬波結(jié)構(gòu)chs還用于進一步將殘留的低頻電路噪聲調(diào)制到斬波頻率處。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述雙采樣斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)包括雙采樣結(jié)構(gòu)、斬波結(jié)構(gòu)；雙采樣結(jié)構(gòu)包括第一組雙采樣開關(guān)，斬波結(jié)構(gòu)包括第一組斬波開關(guān)、第二組斬波開關(guān)；第一組斬波開關(guān)、第二組斬波開關(guān)分別連接電荷-電壓轉(zhuǎn)換器的運算放大器opa的輸入端、輸出端；第二組斬波開關(guān)的輸出連接第一組雙采樣開關(guān)的輸入，第一組雙采樣開關(guān)的輸出連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc的輸入。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述雙采樣斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)包括雙采樣結(jié)構(gòu)、斬波結(jié)構(gòu)；雙采樣結(jié)構(gòu)包括第一組雙采樣開關(guān)，斬波結(jié)構(gòu)包括第一組斬波開關(guān)、第二組斬波開關(guān)；

所述第一組雙采樣開關(guān)、第二組斬波開關(guān)通過一組開關(guān)實現(xiàn)，通過開關(guān)切換電路切換開關(guān)控制信號實現(xiàn)各自的功能；

所述第一組斬波開關(guān)、第二組斬波開關(guān)分別連接電荷-電壓轉(zhuǎn)換器的運算放大器opa的輸入端、輸出端；第二組斬波開關(guān)的輸出連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc的輸入。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提出的電容式傳感器檢測電路，可提供與閉環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器相近的線性度，并且比傳統(tǒng)的開環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器更好的噪聲特性以及更低的零漂失調(diào)，實現(xiàn)高線性度、低噪聲、低零漂失調(diào)。

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(tǒng)閉環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器的電路示意圖。

圖3為開環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器的電路示意圖。

圖4為相關(guān)雙采樣-斬波級聯(lián)電荷-電壓轉(zhuǎn)換器的電路示意圖。

圖5為另外一種相關(guān)雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)的電路示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

實施例一

請參閱圖4，本發(fā)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(zhuǎn)換器，相關(guān)雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)和數(shù)字濾波器。其中電荷-電壓轉(zhuǎn)換器用于將電容的電荷變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)中的斬波結(jié)構(gòu)(chs)用于將非線性中的偶次項調(diào)制到斬波頻率處，adc用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，而數(shù)字濾波器用于濾除高頻調(diào)制偶次非線性項，從而獲得高線性度。

所述電荷-電壓轉(zhuǎn)換器通過雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)分別連接電容式傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc，模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc連接數(shù)字濾波器。

所述雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)包括雙采樣結(jié)構(gòu)、斬波結(jié)構(gòu)；雙采樣結(jié)構(gòu)包括第一組雙采樣開關(guān)，斬波結(jié)構(gòu)包括第一組斬波開關(guān)、第二組斬波開關(guān)，電荷-電壓轉(zhuǎn)換器包括運算放大器opa；第一組斬波開關(guān)、第二組斬波開關(guān)分別連接運算放大器opa的輸入端、輸出端；第二組斬波開關(guān)的輸出連接第一組雙采樣開關(guān)的輸入，第一組雙采樣開關(guān)的輸出連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc的輸入。

如圖4所示，在相關(guān)雙采樣開關(guān)之前，放大器的輸入和輸出端分別加入了一對斬波開關(guān)，斬波頻率fch一般可設(shè)置為n倍(n≥2)的相關(guān)雙采樣頻率(fch＝n·fcds)。在一般電路中的斬波開關(guān)是用于消除電路低頻噪聲和輸入失調(diào)電壓，而此發(fā)明中的斬波開關(guān)主要用于提高電路線性度，減少由于共模變化引起的失調(diào)泄露和低頻噪聲泄露。以(fch＝2·fcds)為例，其原理表述如下:

一、提高電荷-電壓轉(zhuǎn)換器線性度

連續(xù)相鄰兩次轉(zhuǎn)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(dǎo)，α3為輸入差分對(m1/m2)跨導(dǎo)的三階非線性項，vin為差分對輸入電壓，vos為差分對失調(diào)電壓，τ為積分周期，ci為積分電容。當這兩次信號通過后續(xù)的平均濾波器后，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(tǒng)開環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓中的二階非線性因子被消除，此發(fā)明提供的電荷-電壓轉(zhuǎn)換器具有更好的線性度。

二、減少等效輸入失調(diào)電壓泄露

連續(xù)相鄰兩次轉(zhuǎn)換器等效輸入失調(diào)電壓可以表述為

gm1是相關(guān)雙采樣(cds)第一個相位φ2輸入差分對的等效跨導(dǎo)，gm2是相關(guān)雙采樣(cds)第二個相位φ3輸入差分對的等效跨導(dǎo)。vos為差分對輸入失調(diào)電壓。當這兩次信號通過后續(xù)的平均濾波器后，輸入失調(diào)電壓泄露可以表述為：

可以看到相比傳統(tǒng)開環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器，等效輸入失調(diào)電壓的泄露部分被完全消除，此發(fā)明提供的電荷-電壓轉(zhuǎn)換器具有更低的輸入失調(diào)電壓，以及相應(yīng)更好的零漂失調(diào)。

三、減少等效輸入低頻噪聲泄露

連續(xù)相鄰兩次轉(zhuǎn)換器等效輸入低頻噪聲可以表述為

gm1是相關(guān)雙采樣(cds)第一個相位φ2輸入差分對的等效跨導(dǎo)，gm2是相關(guān)雙采樣(cds)第二個相位φ3輸入差分對的等效跨導(dǎo)。為差分對等效輸入低頻噪聲。當這兩次信號通過后續(xù)的平均濾波器后，等效輸入低頻噪聲泄露可以表述為：

可以看到相比傳統(tǒng)開環(huán)式電荷-電壓轉(zhuǎn)換器，等效輸入低頻噪聲的泄露部分被完全消除，此發(fā)明提供的電荷-電壓轉(zhuǎn)換器具有更低的噪聲。

實施例二

請參閱圖5，本發(fā)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(zhuǎn)換器，一個相關(guān)雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)，一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)和一個數(shù)字濾波器。其中電荷-電壓轉(zhuǎn)換器用將電容的電荷變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)中的相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)(cds)用于消除部分低頻電路噪聲，雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)中的斬波結(jié)構(gòu)(chs)用于進一步將殘留的低頻電路噪聲調(diào)制到斬波頻率處，adc用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，而數(shù)字濾波器用于濾除被調(diào)制到斬波頻率出的低頻噪聲，從而獲得低噪聲。

實施例三

本發(fā)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(zhuǎn)換器，一個相關(guān)雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)，一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)和一個數(shù)字濾波器。其中電荷-電壓轉(zhuǎn)換器用將電容的電荷變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)中的相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)(cds)用于消除部分電路失調(diào)電壓，雙采樣-斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)中的斬波結(jié)構(gòu)(chs)用于進一步將殘留的低頻電路噪聲調(diào)制到斬波頻率處，adc用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，而數(shù)字濾波器用于濾除被調(diào)制到斬波頻率處的失調(diào)電壓，從而獲得更小的零漂失調(diào)。

實施例四

一種雙采樣斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述雙采樣斬波級聯(lián)結(jié)構(gòu)包括斬波結(jié)構(gòu)chs、雙采樣結(jié)構(gòu)cds：

所述斬波結(jié)構(gòu)chs用于將非線性中的偶次項調(diào)制到斬波頻率處；所述雙采樣結(jié)構(gòu)cds用于消除部分電路失調(diào)電壓；所述斬波結(jié)構(gòu)chs還用于進一步將殘留的低頻電路噪聲調(diào)制到斬波頻率處。

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

本發(fā)明用于提高電容式傳感器的線性度；將偶次非線性項調(diào)制到斬波頻率處，然后由后級濾波器將此高頻非線性項濾除，最終獲得高線性度。

本發(fā)明同時用于提高電容式傳感器的零漂失調(diào)；將泄露出的零漂失調(diào)調(diào)制到斬波頻率處，然后由后級濾波器將此零漂失調(diào)濾除，最終獲得低零漂失調(diào)。

此外，本發(fā)明用于提高電容式傳感器的零漂失調(diào)；將泄露出的低頻噪聲調(diào)制到斬波頻率處，然后由后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(diào)。

這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其它變形和改變。