电容电压转换器及传感器电子系统技术方案

本发明专利技术提供一种电容电压转换器及传感器电子系统，涉及MEMS传感器技术领域。该电容电压转换器包括：时钟源、第一被测电容、第二被测电容、环形二极管结构、第三充放电电容、第四充放电电容、第一偏置电阻、第二偏置电阻、电压源和仪表放大器，其中：时钟源的输出端分别通过第一被测电容和第二被测电容连接于环形二极管结构的一对对角节点上，环形二极管结构的另一对对角节点分别连接于第三充放电电容和第四充放电电容；第三充放电电容的两端并联有第一偏置电阻，第三充放电电容与第一偏置电阻远离环形二极管结构的一端通过电压源接地，第三充放电电容与第一偏置电阻靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器的正相输入端。构的一端连接于仪表放大器的正相输入端。构的一端连接于仪表放大器的正相输入端。

【技术实现步骤摘要】
电容电压转换器及传感器电子系统


[0001]本公开涉及MEMS传感器
，尤其涉及一种电容电压转换器及传感器电子系统。

技术介绍

[0002]微机电系统(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System，MEMS)传感器具有体积小、重量轻、功耗低、成本低等显著优点，已经在消费电子、汽车应用、工业控制等领域实现了大规模应用。而电容式MEMS传感器，诸如MEMS倾角传感器、MEMS陀螺仪、MEMS加速度计等，因为具有极高的品质因数、较低的温度系数、可与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)硅基工艺集成等优点，被越来越广泛地研究和开发。电容式MEMS传感器要实现高性能，就离不开高性能的微弱电容读出系统。在电容读出系统中，作为直接与MEMS传感器直接连接的第一级，电容电压转换器的设计对整个检测系统起到决定性作用。
[0003]一般地，电容电压转换器有三种常见的基本架构，即跨阻放大器、电荷放大器和基于环形二极管的架构。相对于其他两种，环形二极管结构不仅具有更低的噪声，而且还能将调制的信息解调到低频处，省去了后续解调电路。因此，环形二极管结构具有器件精简、噪声低等优点。
[0004]在实现以上方案的过程中，专利技术人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：目前利用环形二极管结构形成的电容电压转换器，容易造成仪表放大器的输入偏置电压为0。而在单电源供电的电路系统中，仪表放大器的输入共模范围一般为0V到电源电压。所以，此种输入偏置方式，会导致仪表放大器工作在输入共模范围的边界上，会大幅度降低仪表放大器的性能，严重时会引起仪表放大器工作失常。

技术实现思路

[0005]针对上述技术缺陷，本公开提供了一种电容电压转换器及传感器电子系统。
[0006]本公开第一方面提供了一种电容电压转换器，包括时钟源V
CK
、第一被测电容C1、第二被测电容C2、环形二极管结构、第三充放电电容C3、第四充放电电容C4、第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2、直流偏置电压源VS和仪表放大器IA，其中：时钟源V
CK
的输出端分别通过第一被测电容C1和第二被测电容C2连接于环形二极管结构的一对对角节点上，环形二极管结构的另一对对角节点分别连接于第三充放电电容C3和第四充放电电容C4；第三充放电电容C3的两端并联有第一偏置电阻R1，第三充放电电容C3与第一偏置电阻R1远离环形二极管结构的一端通过直流偏置电压源VS接地，第三充放电电容C3与第一偏置电阻R1靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器IA的正相输入端；第四充放电电容C4的两端并联有第二偏置电阻R2，第四充放电电容C4与第二偏置电阻R2远离环形二极管结构的一端通过直流偏置电压源VS接地，第四充放电电容C4与第二偏置电阻R2靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器IA的负相输入端。
[0007]根据本公开的实施例，时钟源V
CK
为调制方波，高电平V
CC
＞0，低电平为0V，占空比为50％；直流偏置电压源VS的电压值为V
CC
/2。
[0008]根据本公开的实施例，时钟源V
CK
包括矩形波、正弦波或锯齿波。
[0009]根据本公开的实施例，仪表放大器IA采用FET输入型芯片，供电电源的电压值为V
CC
。
[0010]根据本公开的实施例，第一被测电容C1和第二被测电容C2均包含一个静态电容和一个动态电容，第一被测电容C1与第二被测电容C2的动态电容呈现差分动作。
[0011]根据本公开的实施例，环形二极管结构包括首尾依次相连的第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4和第三二极管D3，第一被测电容C1接入第一二极管D1与第二二极管D2之间，第二被测电容C2接入第三二极管D3与第四二极管D4之间。
[0012]根据本公开的实施例，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4均采用肖特基二极管。
[0013]根据本公开的实施例，第一被测电容C1、第二被测电容C2、第三充放电电容C3和第四充放电电容C4的电容值均为皮法量级，第三充放电电容C3和第四充放电电容C4的电容值均为第一被测电容C1或第二被测电容C2电容值的10倍及以上。
[0014]根据本公开的实施例，第三充放电电容C3和第四充放电电容C4的电容值相等，第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2的阻值相等。
[0015]根据本公开的实施例，直流偏置电压源VS的两端还并联有滤波电容，用于对直流偏置电压源VS进行噪声、干扰、纹波滤除操作。
[0016]本公开第二方面提供了一种电容电压转换器，包括：时钟源V
CK
、第一被测电容C1、第二被测电容C2、环形二极管结构、第三充放电电容C3、第四充放电电容C4、第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2、直流偏置电压源VS和仪表放大器IA，其中：时钟源V
CK
的输出端分别通过第一被测电容C1和第二被测电容C2连接于环形二极管结构的一对对角节点上，环形二极管结构的另一对对角节点分别连接于第三充放电电容C3和第四充放电电容C4；第三充放电电容C3远离环形二极管结构的一端接地，第三充放电电容C3靠近环形二极管结构的一端连接于第一偏置电阻R1的一端，第一偏置电阻R1的另一端通过直流偏置电压源VS接地，第三充放电电容C3与第一偏置电阻R1靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器IA的正相输入端；第四充放电电容C4远离环形二极管结构的一端接地，第四充放电电容C4靠近环形二极管结构的一端连接于第二偏置电阻R2的一端，第二偏置电阻R2的另一端通过直流偏置电压源VS接地，第四充放电电容C4与第二偏置电阻R2靠近环形二极管结构的一端连接于仪表放大器IA的负相输入端。
[0017]本公开又一方面提供了一种传感器电子系统，包括前述第一方面或第二方面提供的电容电压转换器中的任意一种。
[0018]与现有技术相比，本公开提供的电容电压转换器及传感器电子系统，至少具有以下有益效果：
[0019]本公开提供的电容电压转换器及传感器电子系统，通过将充放电电容和偏置电阻的末端接一个合适的直流偏置电压源VS，或者将偏置电阻的末端接一个合适的直流偏置电压源VS。在此基础上，仪表放大器的两个输入端通过偏置电阻同时都被偏置到该直流偏置电压源VS，不超出仪表放大器的输入共模范围。并且，还可以通过合理设计，使得该直流偏
置电压源VS处于最佳偏置状态，从而使得仪表放大器处于最佳工作状态，有利于提升整个电容电压转换器，乃至整个传感器电子系统的性能。
附图说明
[0020]通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0021]图1示意性示出了根据本公开第一实施例的电容电压转换器的电路原理图；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电容电压转换器，其特征在于，包括时钟源(V
CK
)、第一被测电容(C1)、第二被测电容(C2)、环形二极管结构、第三充放电电容(C3)、第四充放电电容(C4)、第一偏置电阻(R1)、第二偏置电阻(R2)、直流偏置电压源(VS)和仪表放大器(IA)，其中：所述时钟源(V
CK
)的输出端分别通过第一被测电容(C1)和第二被测电容(C2)连接于所述环形二极管结构的一对对角节点上，所述环形二极管结构的另一对对角节点分别连接于第三充放电电容(C3)和第四充放电电容(C4)；所述第三充放电电容(C3)的两端并联有所述第一偏置电阻(R1)，所述第三充放电电容(C3)与所述第一偏置电阻(R1)远离所述环形二极管结构的一端通过所述直流偏置电压源(VS)接地，所述第三充放电电容(C3)与所述第一偏置电阻(R1)靠近所述环形二极管结构的一端连接于所述仪表放大器(IA)的正相输入端；所述第四充放电电容(C4)的两端并联有所述第二偏置电阻(R2)，所述第四充放电电容(C4)与所述第二偏置电阻(R2)远离所述环形二极管结构的一端通过所述直流偏置电压源(VS)接地，所述第四充放电电容(C4)与所述第二偏置电阻(R2)靠近所述环形二极管结构的一端连接于所述仪表放大器(IA)的负相输入端。2.根据权利要求1所述的电容电压转换器，其中，所述时钟源(V
CK
)为调制方波，高电平V
CC
＞0，低电平为0V，占空比为50％；所述直流偏置电压源(VS)的电压值为V
CC
/2。3.根据权利要求1所述的电容电压转换器，其中，所述时钟源(V
CK
)包括矩形波、正弦波或锯齿波。4.根据权利要求2所述的电容电压转换器，其中，所述仪表放大器采用FET输入型芯片，供电电源的电压值为V
CC
。5.根据权利要求1所述的电容电压转换器，其中，所述第一被测电容(C1)和第二被测电容(C2)均包含一个静态电容和一个动态电容，所述第一被测电容(C1)与第二被测电容(C2)的动态电容呈现差分动作。6.根据权利要求1所述的电容电压转换器，其中，所述环形二极管结构包括首尾依次相连的第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第四二极管(D4)和第三二极管(D3)，所述第一被测电容(C1)接入第一二极管(D1)与第二二极管(D2)之间，所述第二被测电容(C2)接入第三二极管(D3)与第四二极管(D4)之间。7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈华，钟燕清，李继秀，刘珂，孟真，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：