基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路制造技术

本发明专利技术公开了一种基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，包括振荡器，其输出端与待测差分电容的中间极板相连；全差分运放单元，其同相输入端、反相输入端分别连接待测差分电容的上极板、下极板；开关电容低通滤波器，其输入端与全差分运放单元的输出端相连；可调增益缓冲器，其输入端与开关电容低通滤波器的输出端相连，其输出端输出同待测电容值成正比的差分电压信号。本发明专利技术在全差分运放单元的输入端和输出端设有斩波开关，利用斩波稳定调制技术，降低了读出电路的低频噪声，实现了高精度的电容读出。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，包括振荡器，其输出端与待测差分电容的中间极板相连；全差分运放单元，其同相输入端、反相输入端分别连接待测差分电容的上极板、下极板；开关电容低通滤波器，其输入端与全差分运放单元的输出端相连；可调增益缓冲器，其输入端与开关电容低通滤波器的输出端相连，其输出端输出同待测电容值成正比的差分电压信号。本专利技术在全差分运放单元的输入端和输出端设有斩波开关，利用斩波稳定调制技术，降低了读出电路的低频噪声，实现了高精度的电容读出。【专利说明】
本专利技术涉及一种电容检测读出电路，特别涉及一种基于全差分开关电容原理的电 容式传感器检测读出电路。 基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路
技术介绍
由于微机电系统（MEMS)技术取得了很大的进步，电容式微机电传感器得以广泛 的应用，它体积小、响应快、功耗低和易于集成的优点，使得国际学术与工业界对它的关注 度越来越高。采用该技术研究得到的压力传感器、加速度传感器和角速度计等产品在民用 与军用领域均得到了很大的应用。 传感器通常可以等效为一对差分电容，其电容的变化量直接反应了外界待测电容 物理量的大小。微机电传感器输出的电容信号非常微弱，一般仅在0. OlpF数量级，这样对 读出电路提出了更高的设计要求。读出电路的噪声水平决定了能够检测的最小电容，低噪 声的读出电路设计成为了实现高分辨的关键。 目前针对电容读出电路的设计分为以下三个方式：连续时间电压式、连续时间电 流式和开关电容式。开关电容式因为其主要电路结构简单、兼容性好，所以被广泛的使用。 在开关电容检测电路中由于使用了开关进行周期性采样与保持，所以在时间上是离散，使 得很大一部分的噪声会折叠到信号的通带内，限制了读出电路的精度。连续时间读出电路 噪声优越性，通过各种噪声消除技术，可以实现仅有的热噪声与信号发生了混叠，连续时间 电流读出方式的难点在于反馈电阻的实现，连续时间电压式电容读出电路的设计难点在于 其与待测电容连接的偏置实现。 差分电容寄生电容的问题必会对高精度电容读出提出了更加苛刻的要求，这是在 很多应用领域中存在的共同问题，给电容读出的设计带来了不小的挑战。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种能够消除低频噪声实现高精度读出的基 于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路。 本专利技术解决上述问题的技术方案：一种基于全差分开关电容原理的电容式传感器 检测读出电路，包括用于产生时钟信号的振荡器，其输出端与待测差分电容的中间极板相 连；全差分运放单元，其同相输入端、反相输入端分别连接待测差分电容的上极板、下极板， 其输出端输出同待测电容值成正比的调幅电压信号；开关电容低通滤波器，其输入端与全 差分运放单元的输出端相连，其输出端输出同待测电容值成正比的差分电压信号；可调增 益缓冲器，其输入端与开关电容低通滤波器的输出端相连，其输出端输出同待测电容值成 正比的差分电压信号；电压参考源，用于产生两路基准电压；所述全差分运放单元的输入 端和输出端设有斩波开关。 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路中，所述电压参考源 的输出端与待测差分电容的中间极板之间设有第一单刀双掷开关，第一单刀双掷开关具有 两个不动端和一个动端，其两个不动端分别连接电压参考源，其动端连接待测差分电容的 中间极板，所述振荡器的输出端与第一单刀双掷开关的动端相连。 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路还包括第一电容补 偿阵列、第二电容补偿阵列、第二单刀双掷开关和第五开关，所述第五开关、第二电容补偿 阵列、第一电容补偿阵列依次相连后串接于待测差分电容的上极板与下极板之间，所述第 二单刀双掷开关具有两个不动端和一个动端，其两个不动端分别连接第一单刀双掷开关的 两个不动端，其动端连接于第一电容补偿阵列与第二电容补偿阵列之间，所述振荡器的输 出端与第二单刀双掷开关的动端相连。 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路中，所述第一单刀双 掷开关与第二单刀双掷开关构成一个单联双控开关。 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路还包括第一电容和 第二电容，所述第一电容的一端与全差分运放单元的同相输入端相连，另一端与全差分运 放单元的第一输出端相连，所述第二电容的一端与全差分运放单元的反相输入端相连，另 一端与全差分运放单元的第二输出端相连。 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路还包括第十二开关 和第十三开关，所述第十二开关与第一电容并联，所述第十三开关与第二电容并联。 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路中，所述全差分运放 单元输入端的斩波开关包括第八开关、第九开关、第十开关和第十一开关，所述第八开关位 于待测差分电容的上极板与全差分运放单元的同相输入端之间，所述第九开关位于待测差 分电容的上极板与全差分运放单元的反相输入端之间，所述第十开关位于待测差分电容的 下极板与全差分运放单元的同相输入端之间，所述第十一开关位于待测差分电容的下极板 与全差分运放单元的反相输入端之间。 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路中，所述全差分运放 单元输出端的斩波开关包括第十四开关、第十五开关、第十六开关和第十七开关，所述第 十四开关位于全差分运放单元的第一输出端与开关电容低通滤波器的第一输入端之间，所 述第十五开关位于全差分运放单元的第一输出端与开关电容低通滤波器的第二输入端之 间，所述第十六开关位于全差分运放单元的第二输出端与开关电容低通滤波器的第一输入 端之间，所述第十七开关位于全差分运放单元的第二输出端与开关电容低通滤波器的第二 输入端之间。 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路还包括第十八开关 和第十九开关，所述第十八开关位于全差分运放单元的反相输入端与电压参考源的输出端 之间，所述第十九开关位于全差分运放单元的同相输入端与电压参考源的输出端之间。 上述基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路还包括时序控制电 路，时序控制电路的输入端与振荡器的输出端相连，时序控制电路的输出端分别与第八开 关、第九开关、第十开关、第i^一开关、第十二开关、第十三开关、第十四开关、第十五开关、 第十六开关、第十七开关、第十八开关、第十九开关的控制端相连。 本专利技术的有益效果在于： 1、本专利技术在全差分运放单元的输入端和输出端设有斩波开关，利用斩波稳定调制 技术，降低了读出电路的低频噪声，实现了高精度的电容读出； 2、本专利技术在全差分运放单元的输出端设有开关电容低通滤波器，通过开关电容低 通滤波器可以滤除斩波开关调制到高频的低频噪声与失调电压，达到降低噪声的目的； 3、本专利技术电压参考源的温漂系数为10ppm/°C，能够有效控制参考电压值不随温度 的变化而发生变化，以便实现整个读出电路的最优化。 【专利附图】【附图说明】 图1为本专利技术的整体电路图。 图2为本专利技术开关电容低通滤波器的电路图。 图3为本专利技术可调增益缓冲器的电路图。 【具体实施方式】 下面结合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于全差分开关电容原理的电容式传感器检测读出电路，其特征在于：包括用于产生时钟信号的振荡器，其输出端与待测差分电容的中间极板相连；全差分运放单元，其同相输入端、反相输入端分别连接待测差分电容的上极板、下极板，其输出端输出同待测电容值成正比的调幅电压信号；开关电容低通滤波器，其输入端与全差分运放单元的输出端相连，其输出端输出同待测电容值成正比的差分电压信号；可调增益缓冲器，其输入端与开关电容低通滤波器的输出端相连，其输出端输出同待测电容值成正比的差分电压信号；电压参考源，用于产生两路基准电压；所述全差分运放单元的输入端和输出端设有斩波开关。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金湘亮，刘孟良，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43