差动电容的感测电路及方法技术

本发明专利技术公开了一种差动电容的感测电路及方法，该感测电路包含有电荷储存电路产生与该差动电容的两端的电容值相关的第一输出电压及第二输出电压，以及放大级，其中该放大级包含运算放大器，其正输入端连接共同参考电压源，连接于该运算放大器的负输入端及输出端之间的开关，一端连接于该负输入端及另一端输入该第一输出电压或该第二输出电压的第一取样电容，以及一端连接于该负输入端及另一端藉开关连接共同参考电压源或该输出端的第二取样电容，而该放大级以一类关联双取样技术的操作方式，分次输入第一输出电压及第二输出电压，利用第二取样电容储存该非理想特性的误差值来抵减运算放大器的非理想特性。

【技术实现步骤摘要】
差动电容的感测电路及方法本申请为申请号201110160912.1、申请日2011年6月15日、专利技术名称《差动电容的感测电路及方法》的分案申请。
本专利技术是有关一种差动电容的感测电路，特别是关于一种差动电容的感测电路及方法，可抵减运算放大器内部的非理想效应。
技术介绍
差动电容(differentialCapacitance)又称为电极电容，是针对两电极各自形成的电容的差值大小作感测，广泛地应用于感测压力、加速度、直线位移、旋转角度等物理作用所造成的电容变化的感测器(sensor)，其电路结构依感测量的要求不同而不同，但基本皆是以感测器中两电极各自形成的电容的差异来产生感测值。图1是现有量测差动电容10的感测电路，于美国专利公告第6,949,937号所提出，包含有切换式电容前端电路12及放大级(AmplifierStage)14。差动电容10为两电极之间的电容，可视为由一对可变电容CT1、CT2组成。切换式电容前端电路12具有切换电路16及电荷储存电路18，于感测端Input1、Input2分别连接电容CT1、CT2，利用切换电路16中开关S1～S8的切换，让电容CT1、CT2连接电源VDD和VSS以供应适当的电荷，再重复将电容CT1、CT2的电荷转移至电荷储存电路18中的电容C1、C2中，最后将电容C1、C2中的电荷储存于一浮接的电容CD两端，以电容CD两端的电位差VCD对应电容CT1、CT2的差值，最后将电容CD的两端连接放大器14的输入，将此电位差VCD由放大级14放大输出，达到感测差动电容10的效果。图2a～图2e所示是图1中切换式电容前端电路12的操作示意图。而此现有技术更以过取样(Over-sampling)的方式，在不重置开关SR1及SR2的情况下重复图2a～图2d的动作，对电容CT1及CT2重复充放电，并重复转移电荷至内部的单一储存电容C1或C2中，用以于前端的切换式电容前端电路12中进行平均以抑制RF干扰或电源噪声后，之后，如图2e将电容C1、C2中的电荷储存于电容CD两端，最后，由图1中后端的放大级(AmplifierStage)14连接电容CD的两端，放大输出。由于此现有技术是重复操作前端的切换式电容前端电路12以进行平均，并不是重复操作整个电路后再平均，具有节省功率消耗的效果。但是上述的操作方式，却无法有效地平均，以降低噪声。以经由电荷守恒计算可得n次电荷转移后，以C1电容为例，其输出电压VOUT1如下：VOUT1＝Vn+Vn-1·X+Vn-2·X2+…+V1·Xn-1，公式1公式2公式3其中，X的数值通常位于0.1～0.5之间，VDDi可视为包含RF干扰及电源噪声影响而等效电源VDD于各时间点产生不同数值。由公式1～3可知，经n次取样电荷转移后，除第n次取样转移外，其他次取样皆受一系数X所影响，且因X<1，使得越前取样的结果对输出影响程度越少，亦即VOUT1将近似于Vn，因此在此架构下进行过取样，并无法有效平均降低噪声。此外，放大级14是利用运算放大器直接将对应输出电压VOUT1、VOUT2的差值VCD放大，会同时将运算放大器的非理想效应一并于输出端输出，如偏移(Offset)、闪烁噪声(FlickerNoise)、有限增益的错误(FiniteGainerror)…等，使得感测结果受到影响。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提出一种差动电容的感测电路及方法，可抵减运算放大器内部的非理想效应。根据本专利技术，一种差动电容的感测电路包含连接该差动电容的两端的第一感测端及第二感测端，连接该第一感测端及该第二感测端的切换电路，经由切换使该差动电容的两端连接于高电压源、低电压源或是进行电荷转移，耦接该切换电路的电荷储存电路，配合该切换电路的切换，储存该差动电容所转移的电荷，产生与该差动电容的两端的电容值相关的第一输出电压及第二输出电压，以及放大级，根据该第一输出电压及该第二输出电压的差异产生感测值，其中该放大级包含运算放大器，其正输入端连接共同参考电压源，用以输入该第一输出电压的第一开关，用以输入该第二输出电压的第二开关，第一取样电容，一端连接于该运算放大器的负输入端，另一端连接该第一开关及该第二开关，连接于该运算放大器的负输入端及输出端之间的第三开关，以及第二取样电容，一端连接于该运算放大器的负输入端，另一端藉第四开关及第五开关连接该共同参考电压源或该运算放大器的输出端。根据本专利技术，一种差动电容的感测方法包含切换开关使该差动电容的两端连接于高电压、低电压或是进行电荷转移，储存该差动电容所转移的电荷，产生与该差动电容的两端的电容值相关的第一输出电压及第二输出电压，重置第一取样电容，并同时于运算放大器的负输入端储存该运算放大器的非理想误差值于第二取样电容中，利用该第一取样电容对该第一输出电压取样，以及再利用该第一取样电容对该第二输出电压取样，并使该第二取样电容连接于该运算放大器的负输入端与输出端之间，产生与该第一输出电压及该第二输出电压的差异相关的该感测值。本专利技术实施例的有益效果在于，本专利技术能够抵减运算放大器的非理想特性。附图说明图1是现有量测差动电容的感测电路；图2a～图2e所示是图1中切换式电容前端电路12的操作示意图；图3是本专利技术差动电容感测电路的第一实施例；图4a～图4c是图3中放大级22的操作示意图；图5是使用二阶层电容的电荷储存电路20的第二实施例；图6是本专利技术差动电容感测电路的第三实施例；以及图7是本专利技术差动电容感测电路的第四实施例。附图标号：10差动电容12切换式电容前端电路14放大级16切换电路18电荷储存电路20电荷储存电路22放大级24储存电路26储存电路28运算放大器30电荷储存电路32储存电路34储存电路36储存电路具体实施方式本专利技术以一类关联双取样技术(PseudoCorrelatedDoubleSampling)的操作方式，分次输入前端电路取样的电压，并利用一电容储存该非理想特性的误差值来抵减运算放大器的非理想特性。图3是本专利技术差动电容感测电路的第一实施例。图中的感测电路具有切换电路16、电荷储存电路20以及放大级22，其中电荷储存电路20具有多个储存电容，操作时以开关控制将每次取样所转移的电荷储存于不同储存电容中，最后再将储存电容并联输出，达到对输入及噪声取样平均的效果。切换电路16于感测端Input1、Input2分别连接电容CT1、CT2，利用切换电路16中开关S1～S8的切换，让电容CT1、CT2连接低电压源或高电压源，于本说明时的所有实施例皆以电源VSS为低电压源，电源VDD为高电压源，以供应适当的电荷，再重复将电容CT1、CT2的电荷转移至电荷储存电路20中(过程如图2a～图2d所示)。电荷储存电路20具有储存电路24、26，而储存电路24与储存电路26具有完全相同的结构，储存电路24包含多个电容CS11、CS12、CS13，操作时以开关SC11、SC12、SC13控制，将电容CT1不同次取样所转移的电荷储存于不同的电容CS11、CS12、CS13中，最后同时导通开关SC14、SC15、SC16将所有电容并联产生输出电压VOUT1，而储存电路26包含多个电容CS21、CS22、CS23，操作时以开关SC21、SC22、SC23控制，将电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种感测差动电容的感测电路，其特征在于，所述的感测电路包含：第一感测端及第二感测端，连接所述差动电容切换电路，连接所述第一感测端及所述第二感测端，经由切换使所述差动电容连接于高电压源、低电压源或是进行电荷转移；电荷储存电路，耦接所述切换电路，配合所述切换电路的切换，储存所述差动电容所转移的电荷，产生与所述差动电容的两端的电容值相关的第一输出电压及第二输出电压；以及放大级，根据所述第一输出电压及所述第二输出电压的差异产生感测值，包含：运算放大器，其正输入端连接共同参考电压源；第一开关，用以输入所述第一输出电压；第二开关，用以输入所述第二输出电压；第一取样电容，一端连接于所述运算放大器的负输入端，另一端连接所述第一开关及所述第二开关；第三开关，连接于所述运算放大器的负输入端及输出端之间；以及第二取样电容，一端连接于所述运算放大器的负输入端，另一端藉第四开关及第五开关连接所述共同参考电压源或所述运算放大器的输出端。

【技术特征摘要】
2011.04.29 TW 1001151391.一种感测差动电容的感测电路，其特征在于，所述的感测电路包含：第一感测端及第二感测端，连接所述差动电容的两端；切换电路，连接所述第一感测端及所述第二感测端，经由切换使所述差动电容连接于高电压源、低电压源或是进行电荷转移；电荷储存电路，耦接所述切换电路，配合所述切换电路的切换，储存所述差动电容所转移的电荷，所述电荷储存电路包含：一第一储存电容，用以重复储存所述差动电容的一端的电荷，产生第一输出电压；以及一第二储存电容，用以重复储存所述差动电容的另一端的电荷，产生第二输出电压；以及放大级，根据所述第一输出电压及所述第二输出电压的差异产生感测值，包含：运算放大器，其正输入端连接共同参考电压源；第一开关，用以输入所述第一输出电压；第二开关，用以输入所述第二输出电压；第一取样电容，一端连接于所述运算放大器的负输入端，另一端连接所述第一开关及所述第二开关；第三开关，连接于所述运算放大器的负输入端及输出端之间；以及第二取样电容，一端连接于所述运算放大器的负输入端，另一端藉第四开关连接所述共同参考电压源或藉第五开关连接所述运算放大器的输出端；其中，所述放大级的所述第一开关与所述第二开关并不同时导通。2.一种感测差动电容的感测电路，其特征在于，所述的感测电路包含：第一感测端及第二感测端，连接所述差动电容的两端；切换电路，连接所述第一感测端及所述第二感测端，经由切换使所述差动电容连接于高电压源、低电压源或是进行电荷转移；电荷储存电路，耦接所述切换电路，配合所述切换电路的切换，储存所述差动电容所转移的电荷，所述电荷储存电路包含：第一储存电路，储存所述差动电容的一端的电荷，以产生第一输出电压；以及第二储存电路，储存所述差动电容的另一端的电荷，以产生第二输出电压；其中，所述第一储存电路与所述第二储存电路各自包含多个不同的第一阶储存电容耦接多个不同的第二阶储存电容，所述第一储存电路或第二储存电路将电荷分次储存于所述多个不同的第一阶电容中，并分次将所述多个不同的第一阶电容并联后的电荷储存于所述多个不同的第二阶电容中，并联所述第一储存电路的所述多个不同的第二阶储存电容以及所述第二储存电路的所述多个不同的第二阶电容以获得所述第一输出电压及所述第二输出电压；以及放大级，根据所述第一输出电压及所述第二输出电压的差异产生感测值，包含：运算放大器，其正输入端连接共同参考电压源；第一开关，用以输入所述第一输出电压；第二开关，用以输入所述第二输出电压；第一取样电容，一端连接于所述运算放大器的负输入端，另一端连接所述第一开关及所述第二开关；第三开关，连接于所述运算放大器的负输入端及输出端之间；以及第二取样电容，一端连接于所述运...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨昭锜，彭士豪，
申请(专利权)人：义隆电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71