基于对合并式MEMS加速计传感器斩波的降噪方法及电子电路技术

本发明专利技术公开了基于对合并式MEMS加速计传感器斩波的降噪方法及电子电路。其中，电子电路包括被配置为电连接到微机电系统(MEMS)传感器电路的电容-电压转换电路。所述电容-电压转换电路包括：差分斩波电路通路，被配置为接收差分MEMS传感器输出信号并对所述差分斩波电路通路的极性进行反转；以及差分sigma-delta模数转换器(ADC)电路，被配置为对所述差分MEMS传感器输出信号进行采样并提供表示所述MEMS传感器中电容变化的数字信号。

【技术实现步骤摘要】
基于对合并式MEMS加速计传感器斩波的降噪方法及电子电路
本专利技术大体上涉及电子电路，尤其涉及MEMS传感器电路。
技术介绍
微机电系统(MEMS)包括执行电功能和机械功能的小型机械装置，所述小型机械装置通过与制作集成电路使用的技术相似的光刻技术制作而成。一些MEMS装置是检测动作的传感器(如加速计)，或是检测角速度的传感器(如陀螺仪)。加速计是一种经受响应于作用在其上的加速度的可测变化的装置。MEMS加速计包括压电性加速计、压阻性加速计和电容性加速计。由于MEMS传感器尺寸小，因而被包含在电子装置(例如，视频游戏控制器和智能手机)中。响应于加速度，电容性加速计的电容发生变化。感应电路用于感应MEMS传感器中的电容变化。这些感应电路的设计对噪声的降低和尺寸的最小化提出了挑战。
技术实现思路
除其它情况之外，本专利技术讨论了降低MEMS传感器中噪声的系统和方法。装置实例为电子电路，其包括被配置为电连接于MEMS传感器电路的电容-电压转换电路。所述电容-电压转换电路包括差分斩波电路通路和差分Sigma-delta模数转换器(ADC)电路，所述差分斩波电路通路被配置为接收差分MEMS传感器输出信号，并对所述差分斩波电路通路的极性进行反转；所述差分Sigma-delta模数转换器(ADC)电路被配置为对差分MEMS传感器输出信号进行采样，并提供表示所述MEMS传感器的电容变化的数字信号。本专利技术还提供了另一种电子电路，包括：电容-电压转换电路，被配置为电连接到MEMS传感器电路。所述电容-电压转换电路包括：差分电路通路，被配置为接收差分MEMS传感器输出信号；差分sigma-deltaADC电路，被配置为对所述差分MEMS传感器输出信号进行采样并提供表示所述MEMS传感器电路中电容变化的数字信号，其中，所述差分sigma-deltaADC电路包括比较器电路；以及伪随机噪声发生电路，电连接到所述比较器电路且被配置为将抖动噪声加至所述比较器电路的输入端。本专利技术还提供了一种降低信号噪声的方法，所述方法包括：对微机电系统(MEMS)传感器的输出进行感应以产生差分传感器输出信号；将所述MEMS传感器的输出加至差分斩波电路通路，其中，按照时间间隔对所述差分斩波电路通路的极性进行反转；以及，使用差分sigma-delta模数转换器(ADC)电路对斩波后的MEMS传感器输出信号进行采样，以产生表示所述MEMS传感器中电容变化的数字信号。该部分旨在概述本专利申请的主题，而非排他性或穷尽性解释本专利技术。本文包含了具体实施方式以提供有关本专利申请的进一步信息。附图说明在附图(其不一定按比例绘制)中，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示同类部件的不同例子。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所论述的各个实例。图1为MEMS传感器和用于监测MEMS传感器输出端中变化的感应电路的实例部分的结构示意图；图2示出了斩波开关矩阵电路的实例；图3示出了具有差分斩波电路通路的电容-电压转换电路的另一实例；图4为MEMS加速计感应电路中降低噪声的方法流程图。具体实施方式图1为MEMS传感器电路105和感应电路110的实例部分的结构示意图，其中，感应电路110电连接于MEMS传感器电路105以监测MEMS传感器输出端的变化。MEMS传感器电路105可为电容性加速计，感应电路110对所述电容性加速计中响应于作用在传感器上的加速度的传感器的电容变化作出监测。典型的MEMS电容性加速计包括具有电容性元件的可移动检测质量块(proofmass)，所述电容性元件通过机械悬吊件连接在参考结构中。如图1所示，MEMS传感器的两个电容性元件为电路电容器，标记为C1mem和C2mem。实际的电容性元件可由电连接(如并联)的多个极板构成，以产生图中电容器C1mem和C2mem所表示的总的电容值。所述电容器形成从MEMS传感器电路105的两个输出端到公共电路节点145之间的桥梁，所述公共电路节点145可表示到所述可移动检测质量块的电路连接。每个电容器的一个极板或极板组能够连接于可移动检测质量块，同时另外一个极板或极板组静止不动。通过对电容器C1mem、C1ofs、C2mem和C2ofs形成的差分电容桥两侧的电荷不平衡的检测来感应加速度信号。电容器C1mem和C1ofs形成差分电容桥的一个桥臂，电容器C2mem和C2ofs形成差分电容桥的第二桥臂。所述差分桥的两个输入端为：1)电路节点145，其为由驱动电路140驱动的MEMS检测质量块连接；以及2)以与节点145反相的方式被驱动的电路节点150。所述差分桥的输出端为电路节点155和160。这样，节点155和160形成感应电路110的传感器输入端。所述电容桥电路中电容器的任何差分失衡将以差分电荷的形式在节点155和160处显现出来，感应电路110将测量该差分电荷。MEMS加速计上的加速度引起所述检测质量块的移动。所述检测质量块的位移改变电容器极板之间的间距。所述位移约与两电容性元件之间引起的电容值之差成正比。将所述检测质量块和机械悬吊件作为弹性元件，这使得加速度可根据胡克定律(Hooke’sLaw)由位移来确定。一般来说，电容器对的电容变化与一个方向的线性加速度相关。垂直于所述第一电容器对的另一电容器对可使第二方向上的加速度被确定。这能够提供两轴加速计。三个电容器对可实现三轴或三维(3D)加速计。感应电路110感应MEMS传感器的电容变化，并将电容性变化转换为电压。因此，感应电路110起到电容-电压转换电路或电容-电压(C2V)传感器的作用。所述电容-电压转换电路从MEMS传感器电路105接收MEMS传感器输出信号。所述电容-电压转换电路包括差分sigma-delta模数转换器(ADC)电路，所述差分sigma-delta模数转换器(ADC)电路对差分MEMS传感器输出信号进行采样，并提供表示MEMS传感器电路105中电容变化的数字信号。由图中可见，MEMS传感器电路105中的电容器与偏置电容器C1ofs和C2ofs一同作为sigma-deltaADC的感应电容器来使用；有效地将电容-电压感应与sigma-deltaADC电路融合在一起。在图1所示的实例中，sigma-deltaADC电路包括积分电路和比较器电路120。实例中的所述积分电路为一阶积分电路，且包括运算放大器(opamp)电路125。在某些实例中，所述积分电路包括更高阶(如二阶)的积分电路。所述比较器电路提供数字输出信号，且其后设置有低通滤波器用以降低对MEMS传感器输出进行采样产生切换噪声。所述电容-电压转换电路还包括差分斩波电路通路，所述差分斩波电路通路接收差分MEMS传感器输出信号并对差分斩波电路通路的极性进行反转。感应MEMS传感器输出的其他方法包括对所述MEMS传感器输出信号进行相关双采样。在MEMS加速计模拟前端感应电路中，斩波方法提高了1/f噪声的降噪。斩波方法还采用比相关双采样方法更少的电容器。电容器数量的减少降低了热噪声(KT/C)且减少了集成电路(如专用集成电路或ASIC)上电容-电压转换电路的使用面积。电容器数量的减少还能够减少放大器(例如，积分电路中使用的opamp)的稳定时间(settl本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子电路，包括：电容?电压转换电路，被配置为电连接到微机电系统(MEMS)传感器电路，所述电容?电压转换电路包括：差分斩波电路通路，被配置为接收差分MEMS传感器输出信号并对所述差分斩波电路通路的极性进行反转；以及差分sigma?delta模数转换器(ADC)电路，被配置为对所述差分MEMS传感器输出信号进行采样并提供表示所述MEMS传感器电路中电容变化的数字信号。

【技术特征摘要】
2012.04.04 US 61/620,0191.一种电子电路，包括：电容-电压转换电路，被配置为电连接到微机电系统MEMS传感器电路，所述电容-电压转换电路包括：差分斩波电路通路，被配置为接收差分MEMS传感器输出信号并对所述差分斩波电路通路的极性进行反转；以及差分sigma-delta模数转换器ADC电路，被配置为对所述差分MEMS传感器输出信号进行采样并提供表示所述MEMS传感器电路中电容变化的数字信号；其中，所述差分sigma-delta模数转换器ADC电路包括运算放大器opamp电路；以及所述电子电路进一步包括：第一斩波开关矩阵电路，被配置为在所述opamp电路的输入端对所述差分斩波电路通路的极性进行反转；以及第二斩波开关矩阵电路，被配置为在所述opamp电路的输出端对所述差分斩波电路通路的极性进行反转；其中，所述电子电路进一步包括：相位时钟电路，被配置为产生第一运算时钟相位和第二运算时钟相位，其中，在所述第一运算时钟相位期间，所述第一斩波开关矩阵电路被配置为将所述MEMS传感器电路与所述差分sigma-delta模数转换器ADC电路电隔离以使得所述第二斩波开关矩阵电路保持所述差分MEMS传感器输出信号的原先值；以及其中，在所述第二运算时钟相位期间，所述第一斩波开关矩阵电路和所述第二斩波开关矩阵电路被配置为将所述差分斩波电路通路的极性进行反转；其中，所述电子电路进一步包括斩波时钟电路，所述斩波时钟电路被配置为向所述差分斩波电路通路提供伪随机时钟信号。2.根据权利要求1所述的电子电路，其中，所述差分sigma-delta模数转换器ADC电路包括比较器电路；以及所述电子电路进一步包括伪随机噪声发生电路，所述伪随机噪声发生电路电连接到所述比较器电路且被配置为将抖动噪声加至所述比较器电路的输入端。3.根据权利要求1所述的电子电路，该电子电路进一步包括：第三斩波开关矩阵电路，被配置为转换所述差分sigma-delta模数转换器ADC电路中差分反馈电路通路的极性，以及其中，所述差分反馈电路通路从所述第二斩波开关矩阵电路的输出端延伸到所述第三斩波开关矩阵电路的输入端。4.根据权利要求1所述的电子电路，该电子电路进一步包括差分反馈电路通路，所述差分反馈电路通路从所述第二斩波开关矩阵电路的输出端延伸到所述第一斩波开关矩阵电路的输入端。5.根据权利要求1所述的电子电路，该电子电路进一步包括：电连接于所述MEMS传感器电路的驱动电路，其中，所述驱动电路被配置为将方波激励信号加至所述MEMS传感器电路的驱动输入端；以及其中，所述第一运算时钟相位和所述第二运算时钟相位具有与所述方波激励信号相同的频率和占空比。6.根据权利要求1至5中任一项所述的电子电路，该电子电路进一步包括所述MEMS传感器电路，其中，所述MEMS传感器电路被配置为响应于第一方向上的线性加速度而改变电容。7.一种电子电路，包括：电容-电压转换电路，被配置为电连接到微机电系统MEMS传感器电路，所述电容-电压转换电路包括：差分电路通路，被配置为接收差分MEMS传感器输出信号；差分sigma-delta模数转换器ADC电路，被配置为对所述差分MEMS传感器输出信号进行采样并提供表示所述MEMS传感器电路中电容变化的数字信号，其中，所述差分sigma-delta模数转换器ADC电路包括比较器电路；以及伪随机噪声发生电路，电连接到所述比较器电路且被配置为将抖动噪声加至所述比较器电路的输入端；其中，该电子电路进一步包括：开关电路，电连接到所述MEMS传感器电路；驱动电路，电连接到所述MEMS传感器电路且被配置为将方波激励信号加至所述MEMS传感器电路的驱动输入端；相位时钟电路，电连接到所述开关电路且被配置为产生第一运...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森·亚当·克莱克斯，约恩·奥普里斯，贾斯廷·森，
申请(专利权)人：快捷半导体苏州有限公司，快捷半导体公司，
类型：发明
国别省市：