一种电容到数字量直接转换的前端电路制造技术

本发明专利技术公开了一种电容到数字量直接转换的前端电路，该前端电路包括加速度计敏感结构、基准电压Vref、2相非交叠的时钟控制信号Φ1和时钟控制信号Φ2、运算放大器和开关组件；通过时钟控制信号Φ1控制开关组件，利用施加在敏感结构上的基准电压作用在变化电容上，产生正比于变化电容的电荷；然后通过时钟控制信号Φ2控制开关组件，使得上述得到的电荷通过运算放大器进行放大，即可得到正比于敏感结构的变化量。本发明专利技术结构简单、无需专门的模数转换电路，也能达到直接电容到数字量的转换。

【技术实现步骤摘要】
一种电容到数字量直接转换的前端电路
本专利技术涉及传感器
，具体涉及一种应用于加速度计的电容到数字量直接转换的前端电路。
技术介绍
随着MEMS技术的发展，惯性传感器在过去的几年中成为应用最广泛的微机电系统器件之一，其中微加速度计已经被广泛用于测量物体加速度的惯性装置、汽车、工业自动化、航空航天及其它众多领域。但是传统加速度计功耗大、电路复杂、需要专门的模数转换模块才能完成电容到数字量的转换，是影响MEMS加速度计功耗和电路复杂程度的最重要原因之一。传统的模拟加速度计外加模数转换模块构成的数字加速度计电路(见图2(a)及图2(b))采用的CV(电容到电压转换)、VD(电压到数字量转换)。因其采用易受噪声和温度影响的CV模块，从而无法避免环境因素对电压的影响，并且系统的功耗较大。
技术实现思路
为了解决传统的数字加速度计电路易受噪声和温度等环境因素对电压的影响，且功耗大的技术问题，本专利技术提供了一种电容到数字量直接转换的前端电路。本专利技术通过将敏感结构的电容作为sigma-delta调制器的采样电容，来实现电容到数字量的直接转换，无需采用电容电压转换模块，降低了环境因素对电压的影响，提高了测量可靠性，且降低了功耗。本专利技术通过下述技术方案实现：一种电容到数字量直接转换的前端电路，该前端电路包括加速度计敏感结构、基准电压Vref、2相非交叠的时钟控制信号Φ1和时钟控制信号Φ2、运算放大器和开关组件；通过时钟控制信号Φ1控制开关组件，利用施加在敏感结构上的基准电压作用在变化电容上，产生正比于变化电容的电荷；然后通过时钟控制信号Φ2控制开关组件，使得上述得到的电荷通过运算放大器进行放大，即可得到正比于敏感结构的变化量。本专利技术的工作原理：利用电容的充放电特性，通过两相非交叠时钟信号对开关组件进行控制，在时钟控制信号Φ1控制阶段，利用施加在敏感结构上的基准电压作用在变化的电容上，产生正比于变化电容的电荷；然后再时钟控制信号Φ2控制阶段，将时钟控制信号Φ1控制阶段采样得到的电荷通过运算放大器进行放大输出，即可得到正比于敏感结构电容的变化量。整个阶段，信号输出有一个周期的延迟。为了进一步提高前端电路输出的稳定性，本专利技术还设置了用于补偿敏感结构的补偿电容。本专利技术的前端电路还包括补偿电容Cc1和补偿电容Cc2，2个补偿电容用于补偿敏感结构的基础电容。本专利技术的前端电路还包括积分电容Cf1和积分电容Cf2，所述积分电容Cf1连接在运算放大器的负输出端与正输入端之间；所述积分电容Cf2连接在运算放大器的正输出端与负输入端之间。本专利技术的开关组件包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、开关S7和开关S8，其中，开关S1一端与基准电压Vref连接，开关S1另一端连接敏感结构的中间节点和开关S2的一端，开关S2的另一端接地；补偿电容Cc1和补偿电容Cc2串联之后再与敏感结构的上下端并联，开关S7一端连接基准电压Vref，开关S7连接开关S8一端，且开关S7另一端还连接补偿电容Cc1和补偿电容Cc2的公共连接端，开关S8另一端接地；敏感结构的上端还连接开关S3一端和开关S5一端，开关S3另一端接地，开关S5另一端与运算放大器的负输入端连接；敏感结构的下端还连接开关S4一端和开关S6一端，开关S4另一端接地，开关S6另一端与运算放大器的正输入端连接。本专利技术的前端电路通过输入时钟控制信号Φ1控制开关S1、开关S8、开关S3和开关S4闭合，而开关S2、开关S5、开关S6和开关S7保持断开，此阶段基准电压Vref作用在敏感结构的变化的电容上，产生正比于变化电容的电荷；然后输入时钟控制信号Φ2控制开关S2、开关S5、开关S6和开关S7闭合，开关S1、开关S8、开关S3和开关S4断开，此阶段，将上一阶段得到的电荷通过运算放大器进行放大输出。本专利技术的前端电路的输出表示如下：其中，YP为运算放大器的正输出端，YN为运算放大器的负输出端，Cs为敏感结构的基础电容，ΔC为加速度计敏感结构上下极板等量相反的电容变化量。本专利技术具有如下的优点和有益效果：1、本专利技术相较于传统的数字加速度计电路，本专利技术无需额外的ADC模块就可以直接进行误差矫正和补偿。2、本专利技术结构简单、无需专门的模数转换电路，也能达到直接电容到数字量的转换。3、本专利技术无易受噪声和温度影响的CV模块，从而降低了环境因素对电压的影响，并且节省了模块的功耗。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为本专利技术的前端电路原理图。图2为传统数字加速度计结构框图。(a)为一种传统数字加速度计结构；(b)为另一种传统数字加速度计结构。具体实施方式在下文中，可在本专利技术的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所专利技术的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本专利技术的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。在本专利技术的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。在本专利技术的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本专利技术的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。在本专利技术的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本专利技术的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本专利技术的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关
中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本专利技术的各种实施例中被清楚地限定。为使本专利技术的目的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容到数字量直接转换的前端电路，其特征在于，该前端电路包括加速度计敏感结构、基准电压Vref、2相非交叠的时钟控制信号Φ1和时钟控制信号Φ2、运算放大器和开关组件；通过时钟控制信号Φ1控制开关组件，利用施加在敏感结构上的基准电压作用在变化电容上，产生正比于变化电容的电荷；然后通过时钟控制信号Φ2控制开关组件，使得上述得到的电荷通过运算放大器进行放大，即可得到正比于敏感结构的变化量。/n

【技术特征摘要】
1.一种电容到数字量直接转换的前端电路，其特征在于，该前端电路包括加速度计敏感结构、基准电压Vref、2相非交叠的时钟控制信号Φ1和时钟控制信号Φ2、运算放大器和开关组件；通过时钟控制信号Φ1控制开关组件，利用施加在敏感结构上的基准电压作用在变化电容上，产生正比于变化电容的电荷；然后通过时钟控制信号Φ2控制开关组件，使得上述得到的电荷通过运算放大器进行放大，即可得到正比于敏感结构的变化量。


2.根据权利要求1所述的一种电容到数字量直接转换的前端电路，其特征在于，还包括补偿电容Cc1和补偿电容Cc2，2个补偿电容用于补偿敏感结构的基础电容。


3.根据权利要求2所述的一种电容到数字量直接转换的前端电路，其特征在于，还包括积分电容Cf1和积分电容Cf2，所述积分电容Cf1连接在运算放大器的负输出端与正输入端之间；所述积分电容Cf2连接在运算放大器的正输出端与负输入端之间。


4.根据权利要求3所述的一种电容到数字量直接转换的前端电路，其特征在于，所述开关组件包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、开关S7和开关S8，其中，开关S1一端与基准电压Vref连接，开关S1另一端连接敏感结构的中间节点和开关S2的一端，开关S2的另一端接地；补偿电容Cc1和补偿电容Cc2串联之...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏全，李荣宽，周骏，
申请(专利权)人：四川知微传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51