[发明专利]一种交叉采样电荷二次求和的全差分电容读出电路

说明书

技术领域

本发明涉及电容读出电路，而更详细地涉及高精度的电容式微机电传感器的读出电路，如微陀螺仪和微加速度计等。

背景技术

电容式传感器是一种被广泛应用的传感器，如电容式压力传感器、加速度计和陀螺仪等。电容式传感器大多是差分结构，因此其通常可等效为一对差分可变电容，其电容的变化量直接反映了外界待测物理量的大小。陀螺仪和加速度计是一种被广泛应用的惯性传感器，用于检测运动物体的角速度和加速度，它们在国防技术、航空航天、汽车电子、工业控制等领域有着广泛的应用。随着信息技术和微制造技术的进步，传感器系统的微型化、集成化、智能化和网络化已成为技术发展的主要趋势，微机电系统(MEMS)传感器因具有体积小、重量轻、价格便宜和功耗低等优点而备受青睐，它不仅在传统的传感领域中得到广泛的应用，而且还应用在了一些新兴领域中，如智能鼠标，高级玩具，智能手机，医疗监护等，具有非常广阔的应用前景和市场。

MEMS电容传感器体积微小，其输出的信号非常微弱，如体硅MEMS陀螺仪电容变化的范围一般在10^-18-10^-12法拉量级，要检测出如此小的电容变化量，对读出电路提出了非常苛刻的要求。因为传感器系统所能探测的最小信号幅度由传感器及其读出电路的噪声决定，其中读出电路噪声(包括1/f噪声和热噪声等)占主要部分，是制约传感器检测精度的首要因素，因此探索消除和抑制电路噪声的理论和方法，成为了提高电容传感器检测精度和分辨率的必要途径和方法；其次，由于制造工艺的偏差，差分传感电容存在失配，读出电路器件尺寸参数也同样存在失配，因此，其读出电路需要通过一定的方法来补偿或抑制由于器件失配所带来的误差；此外，由于温度和环境因素的影响，器件参数、电源电压和共模电压等参数都会随之产生漂移，传统电容读出电路对温度漂移十分敏感，且其相应的温度补偿电路和方法也十分复杂，增加了系统的面积和功耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交叉采样电荷二次求和的全差分电容读出电路，以改进公知技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供的交叉采样电荷二次求和的电容读出电路，为对称的电路结构，主要包括：

一对差分变化的电容传感器，具有传感器电容C_S1和C_S2；

两个大小可调的参考电容阵列C_R1和C_R2，且C_R1＝C_R2

用于消除读出电路失调和抑制低频噪声的电容C_D1和C_D2，且C_D1＝C_D2；

两个对称的大小可调的积分电容阵列，分别由用于存储转移电荷的积分电容C_I1和C_I2，以及用于调节电路增益的积分电容C_I3和积分电容C_I4组成；

一个全差分跨导运算放大器；

其中：

传感器电容C_S1的一端接共模电压，另一端同开关1、开关2、开关9和开关11相连，开关1的另一端接电源，开关2的另一端接公共端；开关1和开关2用于为传感器电容C_S1充电；

参考电容阵列C_R1的一端接共模电压，另一端连接开关3、开关4和开关10的一端，开关3的另一端接公共端，开关4的另一端接电源，开关3和开关4用于为参考电容阵列C_R1充电；

开关9、开关10和开关12的另一端同电容C_D1的一端相连；

开关15和开关16的一端同电容C_D1与用于电荷转移的开关9、开关10和开关12相连接的一端连接，开关16的另一端连接共模电压；

消除失调和抑制低频噪声的电容C_D1与开关19的一端连接全差分跨导的正相输入端；

开关15和开关19的另一端连接积分电容C_I1和积分电容C_I3的一端，积分电容C_I3的另一端连接开关22的一端，积分电容C_I1的另一端与开关22的另一端连接全差分跨导运算放大器的反相输出端；

开关21跨接在积分电容C_I1的两端；