[发明专利]低功率传感器系统的电容接口电路

说明书

技术领域

本发明涉及传感器接口电路，且更具体地涉及低功率传感器系统的电容接口电路。

背景技术

在微机械系统中，诸如微机电系统(MEMS)传感器，可变电容器用作传感器与测量电路之间的接口，传感器例如加速计、陀螺仪、压力传感器、湿度传感器或其它类型的微机械传感器。这种传感器具有各种各样广泛的应用，包括工业监测、环境监测、和/或生理监测。生理监测具有各种生物医学的应用，包括姿势、活动、步调、静脉压、颅内压力、心音等等。

在加速计中，例如，电容板可以由耦合到检测质量(proof mass)的梁结构上的指以及耦合到惯性框的定指形成。该组指相互交叉并且用作电连接的电容器板，以形成可变的、差分电容器。通过弹簧将检测质量悬挂在衬底上方。由于检测质量以特定方向偏转，因此连接到检测质量的梁状指以及耦合到惯性框的相应的定指中的一个指之间的测量的电容会发生变化，表示特定方向的加速度。

由于沿着一个轴的加速度而导致的电容变化被电容接口电路转换成输出电压，该电容接口电路作为感测电路。对于加速计，电容接口电路处理来自可变电容器的信号以产生表示对运动的测量的传感器信号。加速计可以感测沿着一个轴、两个轴或三个轴的运动。

通常，传感器中的可变、差分电容器可大致为平行板电容器，其中板的重叠区域或者板之间的间隔是梁状指的位移的函数。典型的夹层结构的电容器电容感测电路的输出电压可以利用以下方程计算：vo=ΔCCIVS]]>其中，v_o是电容感测电路的输出电压，C_I是与感测电路有关的反馈电容，ΔC是可变电容器的电容变化，而V_S是电源电压。

由于对微机械系统中的感测元件的尺寸限制，可变电容器的电容和电容的变化是很小的，例如，接近几百毫微微法(fF)到1-100微微微法(aF)。当反馈电容与感测电容的大小接近相同时，输出电压范围大约是10μV到1mV并且包括采样噪声(kT/C噪声)。一般说来，kT/C噪声表示存在过滤电容器时的热噪声。kT/C噪声是由夹层结构的电容器电路的复位开关引起的，并且被采样到电路的感测节点上。结果，放大器的输出端的传感器信号可能包括破坏传感器准确性和性能的放大器偏移、闪烁(1/f)噪声和kT/C噪声。

发明内容

本公开描述了用于低功率系统的电容接口电路。电容接口电路被配置成实现了对基于电容的换能器的很低的噪声感测，诸如基于微机电系统(MEMS)的传感器，并具有高分辨率和低功率损耗。电容接口电路使用差分放大器和相关的三重采样(CTS)用以显著降低kT/C噪声和闪烁(1/f)噪声以及抑制放大器偏移和漂移。放弃kT/C噪声允许较低的接口时钟并会导致功率降低。电容接口电路可进一步包括输出级，输出级通过允许放大器输出中的瞬变稳定来降低输出信号中的假信号(glitching)。

在一实施例中，本发明提供了一种方法，该方法包括放大差分传感器信号以产生输出信号，将输出信号存储在采样电容器上，以及施加相关的三重采样过程以降低输出信号中的一种或多种噪声分量。

在另一实施例中，本发明提供了一种传感器设备，其包括：传感器；差分放大器，其放大从传感器接收的传感器信号，以产生一输出信号；存储输出信号的采样电容器；和相关的三重采样电路，其降低输出信号中的一种或多种噪声分量。

在另一实施例中，本发明提供了电容接口电路，其包括：差分放大器，其放大传感器信号以产生输出信号；存储输出信号的采样电容器；和相关的三重采样电路，其降低输出信号中的一种或多种噪声分量采样。

附图说明

图1是图示传感器设备的框图。

图2是图示用于图1的传感器设备的接口电路的框图。

图3是图示图1的传感器设备中的传感器的示例模型的电路图。

图4是图示用于图1的传感器设备的接口电路的一个示例的电路图。

图5是图示用于图1的传感器设备的接口电路的另一个示例的电路图。

图6是图示用于图1的传感器设备的接口电路的又一个示例的电路图。