[发明专利]传感器中的寄生不敏感采样

说明书

描述了用于减轻传感器中随时间变化的损害的方法和装置。详细描述了这种方法和装置对于面临由于水滴引起的随时间变化的寄生电容的压力传感器的应用。还描述了所公开的装置中采用的自动归零技术的益处。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年3月6日提交的题为“Parasitic Insensitive Sampling InSensors”的美国专利申请第16/294,824号的优先权，该美国专利申请的内容通过引用整体并入。

背景技术

(1)技术领域

本公开内容涉及寄生不敏感传感器，并且更具体地涉及用于对具有随时间变化的寄生的传感器进行采样的方法和设备。

(2)背景技术

通常，实现传感器的电子电路的性能可能由于环境对传感器引起的损害而降低。这样的损害可能是随时间变化的，因而带来更多的设计挑战。通过示例的方式，电容式压力传感器可能受到由在部署时出现在这种压力传感器上的水滴产生的随时间变化的寄生电容的影响。需要解决方案来帮助减轻随时间变化的损害对实现传感器的电路的性能的负面影响。本公开内容中所描述的方法和装置解决了该问题并提供了针对该问题的解决方案。

整个公开内容中使用的概念和术语的描述

在下文中，定义和描述了稍后由本公开内容中提出的方法和装置采用的一些概念。

a)开关电容器电路

在整个本公开内容中，术语“开关电容器电路”将用于描述包括电容器和开关的电子电路，其中，当开关断开或闭合时电荷移入和移出电容器。图1A示出了示例性开关电容器电路，其中，三个开关控制操作：开关S1和开关S3分别将电容器C1的左板连接至Vin和地，并且S2提供单位增益反馈。在充电阶段，S1和S2接通而S3断开，从而在C1两端产生等于Vin的电压。这是因为反相输入显示为虚拟接地。在积分阶段，S1和S2断开而S3接通，将节点A拉至地。在该阶段期间，并且如图1B所示，通过C2的负反馈将运算放大器(OA)输入差分电压以及因此C1两端的电压驱动至零。然后，必须将充电阶段期间存储在C1上的电荷转移至C2，产生等于的输出。换言之，在1个时钟周期内(对应于上面描述的2个阶段)Vout变化了

b)自动归零技术

在整个本公开内容中，术语“自动归零”用于描述在电子电路中使用的用于消除这样的电路中存在的可能的偏移或噪声的技术。偏移的示例是运算放大器的输入电压偏移。图2A至图2B图示了该技术，其中，Vos表示运算放大器的输入处的偏移电压。在第一阶段，开关S1和S2闭合而开关S3断开，意味着Vout＝Vos。换言之，偏移电压存储在电容器Caz中。在第二阶段，开关S3闭合而开关S1和S2断开。在第二阶段，输出是可用的。对于具有有限直流(DC)增益为A的放大器，剩余偏移可以被计算为Vos/(A+1)。对于大多数运算放大器，增益A是大的数字，并且因此大多使用该技术消除剩余偏移。

c)∑-Δ模数转换器(ADC)和多级噪声整形(MASH)调制器

在整个本公开内容中，术语∑-ΔADC用于描述基于∑-Δ调制概念操作的ADC。图3示出了典型∑-ΔADC的框图。与更传统的ADC不同，∑-ΔADC是以比输入信号的奈奎斯特频率大的采样率操作的过采样转换器。∑-ΔADC主要用于针对诸如消耗者和专业音频、通信系统、传感器和精密测量装置的应用实现高分辨率且具有成本效益的ADC。

在整个本公开内容中，术语“MASH调制器”(其中，首字母缩写词代表多级噪声整形)用于描述通过级联低阶∑-Δ调制器而设计的电子电路。MASH调制器的益处在于克服了高阶∑-Δ调制器固有的一些不稳定性问题。本领域已知的典型MASH调制器的示例是2-1、2-2、2-1-1或更高阶的MASH调制器。例如，这也将适用于Δ-∑调制器的其他拓扑，例如具有更高阶(例如第3和第4)调制器的CIFF(具有加权前馈系数的积分器的链)。