一种基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路制造技术

一种基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路，由信号调制器、共模反馈电荷放大器、解调器以及低通滤波器四部分构成；所述共模反馈电荷放大器采用基于开关电容式共模反馈运算放大器替换传统的放大器。所述开关电容共模反馈电荷放大器主要由一个全差分运算放大器A2，两个积分电容C

【技术实现步骤摘要】
一种基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路


[0001]本专利技术涉及一种用于电容型MEMS硅微陀螺传感器的C/V(电容/电压)转换电路，特别是基于电荷放大器的C/V转换电路，属于电容测量


技术介绍

[0002]传感器的待检测电容变化量的日益减小对C/V(电容/电压)转换电路提出了低噪声、高精度、宽电容范围检测等挑战。
[0003]三种常见的C/V转换电路包括，基于电荷放大器的连续时间电压调制式C/V转换电路、基于跨阻放大器的连续时间电流调制式C/V转换电路和基于开关电容技术的离散时间式C/V转换电路。其中，如图1所示的基于电荷放大器的连续时间电压调制式C/V转换电路，以其低噪声、高精度、低功耗等优良性能成为电容式MEMS硅微陀螺传感器检测电路结构首选。另一方面，通常高精度的MEMS硅微陀螺传感器的待检测电容变化量为差分信号，其电路等效模型如图1所示，C0为传感器的静态电容，ΔC为传感器的变化电容信号。因此，基于全差分电荷放大器的C/V转换电路以其显著抑制共模噪声的优点成为该传感器检测电路的主要实现方法，其中电荷放大器的主要构成器件运算放大器需要输出共模反馈控制电路来获得稳定的输出共模信号。而传统电荷放大器中全差分运算放大器通常采用连续时间共模反馈电路来实现输出共模信号控制，即基于连续时间共模反馈电荷放大器的C/V转换电路。
[0004]如图1所示，为上述传统基于连续时间共模反馈电荷放大器的C/V转换电路结构，主要由信号调制器、连续时间共模反馈电荷放大器、解调器以及低通滤波器四个部分构成，电源电压为VDD，输入时钟信号为clk_cv，输出载波信号为V
c
(与传感器差分电容公共端相连)，传感器差分输入信号为VIP和VIN(分别与传感器差分电容非公共端相连)，输入参考共模信号为V
cm
，C/V转换电路差分电压输出信号为Vop_cv和Von_cv。clk_cv通过信号调制器产生载波信号V
c
，进而将传感器的变化电容信号调制到高频以降低低频处电路噪声对电容信号的影响。调制到高频的电容信号通过电荷放大器实现电容电压信号转换，输出电压信号为Vop和Von，解调器再将高频电容电压信号搬移至低频，解调后输出的电压信号为Vop_d和Von_d，并通过最终的低通滤波电路滤除高频噪声，从而输出电压信号Vop_cv和Von_cv，最终完成电容信号至电压信号转换。
[0005]如图1所示，该连续时间共模反馈电荷放大器主要由一个全差分运算放大器A1,两个积分电容C
int
和两个反馈电容R
b
构成，其中A1由连续时间共模反馈电路和主放大器电路(A1_core)构成,如图2所示。M1～M4为尺寸相等的PMOS晶体管，M5和M6为尺寸相等的NMOS晶体管，源耦合对M1～M2和M3～M4共同检测输出共模电压，并产生一个与输出共模和理想共模参考电压V
cm
的差值成比例的电压值V
cmfb
。该电路结构能正常工作的前提是M1～M4总工作在放大区且Vop
‑
V
cm
和Von
‑
V
cm
的差值能看作是小信号输入。若输出电压V
op
、V
on
的变化范围过大，就有可能导致在某一时刻两者与V
cm
的差值过大从而导致M1～M4中的任一管子截止，则在该段输出部分的共模反馈环路将受到影响，此种结构一般采取增大功耗来增强反馈力度。因此，在传统基于连续时间共模反馈电荷放大器的C/V转换电路往往在功耗方面明显有
所提升，对整体信号的处理能力也相对一般。
[0006]如图3所示，为该C/V转换电路的工作时序图，其中载波信号V
c
、调制控制信号clk_m/clk_mb和解调控制信号clk_dm/clk_dmb由clk_cv通过一定的逻辑电路产生。调制控制信号clk_m/clk_mb通过对开关的控制，实现载波信号V
c
，V
c
将低频电容信号搬移到高频处。调制到高频的有用电容信号以电荷的形式通过积分电容C
int
进行转移，并在电荷放大器的作用下以电压信号的形式在运算放大器的输出端输出(Vop和Von)。解调部分将高频处转换后的有用电压信号恢复到基带，其中低占空比的解调控制信号clk_dm/clk_dmb是使系统有足够充分的时间将解调出来的有用信号进行稳定输出(Vop_d和Von_d)。最后，低通滤波将高频噪声分量滤除，获得对应转换电压信号(Vop_cv和Von_cv)。理想情况下，C/V转换器输出的电压可表示为
[0007][0008]综上，在常见的C/V转换电路中，基于电荷放大器的连续时间电压调制式C/V转换电路主要采用连续时间共模反馈电路结构的运算放大器，由于调制型结构的高频载波V
c
会通过传感器电容C0、积分电容C
int
甚至传感器的寄生电容C
P
分压从而造成电荷放大器输入端的共模电平发生偏移，使得共模反馈部分往往需要更高的功耗来稳定共模值，在较大程度上增加了系统功耗。

技术实现思路

[0009]本专利技术目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路；保证在原有结构的前提下对基于连续时间共模反馈电路的全差分运算放大器的共模控制部分进行改进。
[0010]本专利技术的技术方案
[0011]一种基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路，由信号调制器、共模反馈电荷放大器、解调器以及低通滤波器四个部分构成，其中，所述的共模反馈电荷放大器采用开关电容共模反馈电荷放大器替换传统式连续时间共模反馈电荷放大器。
[0012]本专利技术为了降低C/V转换电路的系统功耗，提出采用离散时间式电容开关型输出共模反馈电路(SC
‑
CMFB)代替传统连续时间输出共模反馈电路，即只对整体C/V转换电路结构中的运算放大器进行改进，由图2的基于连续时间共模反馈电路结构的运算放大器改进为图5的基于开关电容式共模反馈电路结构的运算放大器，调整后的整体C/V转换电路结构如图4所示。其中，电源电压为VDD，地为GND，输入时钟信号为clk_cv，输出载波信号为V
c
与传感器差分电容公共端相连，传感器差分输入信号为VIP和VIN分别与传感器差分电容非公共端相连，理想共模参考电压为V
cm
，C/V转换电路差分电压输出信号为Vop_cv和Von_cv。
[0013]所述开关电容共模反馈电荷放大器由一个全差分运算放大器A2，两个积分电容C
int
和两个反馈电阻R
b
构成；运算放大器A2的两个输入端分别与积分电容和反馈电阻的一侧相连，同时连接待检测变化电容的一侧，而运算放大器的两个输出端与积分电容和反馈电阻的另一侧相连，同时连接解调器。
[0014本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路，由信号调制器、共模反馈电荷放大器、解调器以及低通滤波器四个部分构成，其特征在于，所述共模反馈电荷放大器采用开关电容共模反馈电荷放大器替换传统式连续时间共模反馈电荷放大器。2.根据权利要求1所述的基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路，其特征在于，所述开关电容共模反馈电荷放大器由一个运算放大器A2，两个积分电容C
int
和两个反馈电阻R
b
构成；运算放大器A2的两个输入端分别与积分电容和反馈电阻的一侧相连，同时连接待检测变化电容的一侧，而运算放大器的两个输出端与积分电容和反馈电阻的另一侧相连，同时连接解调器。3.根据权利要求2所述的基于开关电容式共模反馈电荷放大器的C/V转换电路，其特征在于，电荷放大器中所用的运算放大器A2由电容开关共模反馈控制电路SC_CMFB和主放大器电路A2_core构成，该运算放大器采用开关电容式共模反馈结合全差分输入对管的组合形式，构成了基于电荷放大器结构C/V转换电路的运算放大电路；其中SC_CMFB电路由四个完全相同的CMOS构成第一和第二两组开关(S1、S2)和第一至第四4个NMOS器件(M1～M4)以及两组两两相同的第一和第二电容(C1、C2)构成；两组开关(S1、S2)选用CMOS开关是为了避免单个NMOS开关的时钟馈通效应导致的输出共模电压与时钟信号同频率的波动问题，两相不交叠时钟信号clk1/clk1d、clk2/clk2d控制CMOS开关组以及4个NMOS器件的闭合与断开，全差分运算放大器的输出电压为V
op
和V
on
；该基于开关电容式共模反馈的运算放大器A2的主运放内部连接方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：段权珍，周向奇，孔大猛，孟真，黄胜明，张国辉，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：