[发明专利]一种高精度全差分电容-电压转换电路系统

说明书

本发明涉及MEMS惯性器件领域，具体涉及一种高精度全差分电容‑电压转换电路系统。包括驱动信号产生部，全差分电荷放大器，电容补偿阵列；整体转换电路与传感器敏感结构仍然采用具单端连接的输出的方式，通过分时复用实现全差分电路结构；电路采用开关电容结构消除寄生电容的影响，主要信号通路均通过相关双采样技术消除低频噪声和失调，电容补偿阵列可对传感器敏感结构的失调和非线性进行校准。本发明能够有效的抑制寄生电容影响，降低开关电荷注入和衬底噪声产生的共模干扰，减小电路的谐波失真，提高加速度计系统的线性度，抑制零点漂移。

技术领域

本发明涉及MEMS惯性器件领域，具体涉及一种高精度全差分电容-电压转换电路系统。

背景技术

加速度传感器可以将微弱的加速度物理信号转化成能够检测的电学信号，高精度加速度传感器被广泛应用在地震检测，汽车安全，航空航天，空间微重力测量等需要高精度的测量领域中。人们很早就开始对加速度传感器的结构和制造技术进行研究，随着近年来MEMS技术的发展和普及，将微电子技术与机械工程融合到一起，使得加速度传感器不论在结构上还是在性能上，都有很大的提升和进步。电容式加速度传感器是目前研究最多的一类加速度传感器，它主要由固定电极和活动电极组成，两者采用插指结构。当存在加速度时，固定电极与活动电极之间的距离发生改变，使静态电容变化，通过对电容变化的测量来测定加速度的大小。电容式加速度传感器具有很多优点：精度高、功耗低、灵敏度高、噪声少、温漂低、体积小、结构比较简单等。

由于加速度传感器检测电路的研发是加速度传感器研究的重要组成部分，具有实现传感器的实用化的重要意义。并且传感器敏感结构为三端器件，即两个固定电极和作为输出的中间活动电极，因此当前普遍采用单端检测方式对该输出信号进行处理，其优点是结构简单、控制时钟少，反馈易于实现，其缺点是零点漂移比较严重，驱动信号噪声对输出影响比较严重。通过在中间活动电极上施加驱动信号，将两个固定电极作为敏感结构的输出，实现全差分检测电路结构，这样可以减小开关电荷注入和衬底噪声产生的共模干扰，降低谐波失真，但是此结构存在的一个主要问题：驱动信号在变化时，所产生运放输入共模的变化，对输出信号造成影响，无法得到高精度检测。

目前，通过在电路中增加参考电容，可实现一种全桥结构，在参考电容公共端接入与敏感电容相反的驱动电压，使得驱动信号对共模的干扰相互抵消，但该方法需要参考电容和敏感电容精确匹配，导致整体系统的功耗和面积的增加；并且敏感电容的温度系数与参考电容的温度系数的不一致，会导致在不同温度下产生偏差。

发明内容

本发明提供了一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，通过应用于电容式加速度计，该电路系统通过分时复用的方式实现全差分结构，能够有效降低共模噪声和谐波失真的干扰，并消除寄生电容的影响；内置电容补偿阵列，能够对传感器敏感结构的非线性和失调进行修复；内置传感器过载检测，当输出信号幅度过大，产生置位信号。

本发明的目的是这样实现的：

一种高精度全差分电容-电压转换电路系统，包括：驱动信号产生部301，全差分电荷放大器303，电容补偿阵列304、305；

驱动信号产生部301，包括：开关306、307、308、309以及加速度计敏感结构302；其中，开关306的一端连接电源VDD，另一端连接在加速度计敏感结构302的上极板TOP；开关307的一端连接地VSS，另一端连接在加速度计敏感结构302的下极板DOWN；开关308的一端连接地VSS，另一端连接在加速度计敏感结构302的上极板TOP；开关309的一端连接电源VDD，另一端连接在加速度计敏感结构302的下极板DOWN；