一种基于保持误差校正技术的高精度电容电压变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于保持误差校正技术的高精度电容电压变换器，包括：电压激励源、外部电容传感器、共模电荷控制器、差分电荷放大器、增益误差矫正器、保持误差矫正器；电压激励源用于产生激励信号以激发外部电容传感器产生电荷信号；共模电荷控制器用于吸收电荷信号中的共模分量，以抑制共模电荷干扰；差分电荷放大器用于将电荷信号的差分分量转换为电压信号；增益误差矫正器用于对差分电荷放大器产生的增益误差进行矫正；保持误差矫正器用于对增益误差矫正器中的保持误差进行矫正。本发明专利技术能够抑制保持误差带来的输出电压损失，提高增益精度。益精度。益精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于保持误差校正技术的高精度电容电压变换器


[0001]本专利技术属于集成电路
，具体涉及一种基于保持误差校正技术的高精度电容电压变换器。

技术介绍

[0002]随着半导体工艺不断进步，器件尺寸不断缩小，对MEMS(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System，微机电系统)电容型传感器接口电路的精度的要求越来越高。而现代的高能效放大器如Inverter
‑
based amplifier(IBA)、Dynamic amplifier(DA)等，由于开环增益低，因而无法应用于高精度的MEMS电容型传感器接口电路。
[0003]具体说来，由于寄生电容原因，接口电路前端放大器的闭环反馈系数非常低(例如
‑
40dB)，这需要放大器具有高增益(例如80dB)来达到低增益误差(例如<1％)以及低增益漂移。而高能效放大器如IBA开环增益通常极低(例如30dB左右)，因而无法满足增益误差要求。即使传统的MEMS电容型传感器电容电压变换电路使用增益误差矫正器来提升等效增益，由于增益误差矫正器中存在保持误差，实际上仅仅能将等效增益提升2阶(即30dB提升到60dB)，这仍然无法满足增益误差需求。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于保持误差校正技术的高精度电容电压变换器。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0005]一种基于保持误差校正技术的高精度电容电压变换器，所述变换器包括：电压激励源、外部电容传感器、共模电荷控制器、差分电荷放大器、增益误差矫正器、保持误差矫正器；其中，电压激励源连接外部电容传感器，用于产生激励信号以激发外部电容传感器产生电荷信号；共模电荷控制器连接外部电容传感器，用于吸收电荷信号中的共模分量，以抑制共模电荷干扰；差分电荷放大器连接共模电荷控制器，用于将电荷信号的差分分量转换为电压信号；增益误差矫正器连接差分电荷放大器，用于对差分电荷放大器产生的增益误差进行矫正；保持误差矫正器连接增益误差矫正器和差分电荷放大器，用于对增益误差矫正器中的保持误差进行矫正。
[0006]在本专利技术的一个实施例中，所述外部电容传感器包括第一传感电容和第二传感电容；其中，第一传感电容的一个极板和第二传感电容的一个极板连接，形成传感单元的公共电极；第一传感电容的另一个极板和第二传感电容的另一个极板分别形成传感单元的第一差分电极和第二差分电极，其中，第一差分电极和第二差分电极连接到差分电荷放大器的输入端，以形成全差分电容电压结构。
[0007]在本专利技术的一个实施例中，所述共模电荷控制器包括共模放大器、共模反馈电容；共模放大器的输入端跨接第一差分电极和第二差分电极；两个差分反馈电容跨接共模放大器输出端、第一差分电极和第二差分电极。
[0008]本专利技术的有益效果：
[0009]本专利技术能够抑制保持误差带来的输出电压损失，提高增益精度。
[0010]以下将结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。
附图说明
[0011]图1是本专利技术实施例提供的一种基于保持误差校正技术的高精度电容电压变换器结构示意图；
[0012]图2是传统电容电压变换器中的电荷电压转换网络电路示意图；
[0013]图3是本专利技术实施例提供的基于保持误差矫正技术的电容电压变换电路中的电荷电压变换网络电路示意图；
[0014]图4是本专利技术实施例提供的一种保持误差校正技术的电路结构示意图；
[0015]图5是本专利技术实施例提供的一种采用两级保持误差矫正器的电容电压变换器内部连接关系电路图。
[0016]附图标记说明：
[0017]101
‑
电容传感器；102
‑
电压激励源；103
‑
共模电荷控制器；104
‑
差分电荷放大器；105
‑
保持误差矫正器；106
‑
增益误差矫正器；201
‑
保持误差采样网络；202
‑
保持误差矫正网络；203
‑
差分放大器。
具体实施方式
[0018]下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0019]参见图2，图2是传统电容电压变换器中的电荷电压转换网络电路示意图。
[0020]该电路架构包括：差分电荷放大器104和增益误差矫正器106，其中，差分电荷放大器104由积分电容C
I
和差分放大器A0构成，增益误差矫正器106由保持电容C
H0
和校准电容C
C0
构成。该接口电路共有两个工作相位Φ1和Φ2。在第一个周期的Φ1阶段，所有的电容包括传感电容都被置位，输出电压在保持电容的作用下处于保持状态；在第一个周期的Φ2阶段，电容传感器101中的传感电容通过差分端口被相位相反的阶跃电压信号V
R
所激励，产生代表电容差值的电荷信号，该电荷信号被传输至差分电荷放大器，理想情况下，该电荷被积分电容C
I
全部吸收并转换为输出电压信号，输出电压表达式为：
[0021][0022]其中，ΔC为物理信号激励下电容传感器中传感电容产生的电容值变化，V
R
为激励源产生的阶跃电压信号的幅值。
[0023]在实际情况中，由于实际运放增益不是无穷大，因而会产生增益误差，结果使得输出电压值表达式变为：
[0024][0025]其中，σ
d
为恶化因子，其表达式为：
[0026][0027]在第二个周期的Φ1阶段，电容C
H0
和电容C
C0
相连接并和放大器形成反馈回路，使得第一个采样周期内电容C
H0
采到的输出电压作为增益误差并储存在校准电容C
C0
中。随着运算周期的逐渐增加，误差项逐步被吸收，而输出逐步爬升向理想值，其表达式为：
[0028][0029]然而，传统的电容
‑
电压变换电路中的实际响应还存在保持误差现象，即从Φ2阶段切换到Φ1阶段的时候由于保持电容C
H0
的左极板出现电压跳变，导致输出电压存在一个非预期的电平掉落，从而输出电压值表达式变为：
[0030][0031]计算其增益精度的百分比误差为：
[0032][0033]由公式(6)可知，MEMS电容型传感器的电容
‑
电压变换电路提高增益精度的能力有限，由于保持误差的存在，只能将放大器的等效增益提升2阶，无法满足增益误差需求。
[0034]为解决传统MEMS电容型传感器的电容电压变换电路提高增益精度能力有限的问题，本专利技术提出保持误差矫正技术，通过消除增益误差矫正器产生的保持误差，进一步提高增益精度。
[0035]实施例
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于保持误差校正技术的高精度电容电压变换器，其特征在于，所述变换器包括：电压激励源、外部电容传感器、共模电荷控制器、差分电荷放大器、增益误差矫正器、保持误差矫正器；其中，电压激励源连接外部电容传感器，用于产生激励信号以激发外部电容传感器产生电荷信号；共模电荷控制器连接外部电容传感器，用于吸收电荷信号中的共模分量，以抑制共模电荷干扰；差分电荷放大器连接共模电荷控制器，用于将电荷信号的差分分量转换为电压信号；增益误差矫正器连接差分电荷放大器，用于对差分电荷放大器产生的增益误差进行矫正；保持误差矫正器连接增益误差矫正器和差分电荷放大器，用于对增益误差矫正器中的保持误差进行矫正。2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述外部电容传感器包括第一传感电容和第二传感电容；其中，第一传感电容的一个极板和第二传感电容的一个极板连接，形成传感单元的公共电极；第一传感电容的另一个极板和第二传感电容的另一个极板分别形成传感单元的第一差分电极和第二差分电极，其中，第一差分电极和第二差分电极连接到差分电荷放大器的输入端，以形成全差分电容电压结构。3.根据权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟龙杰，商鹏鹏，刘术彬，朱樟明，梁宇华，沈易，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：