[发明专利]基于斩波技术的传感器阵列读出电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种读出电路，尤其是一种基于斩波技术的传感器阵列读出电路，属于微弱信号检测的技术领域。

背景技术

随着科技水平的不断提高，集成电路的工艺技术得到了发展，这为传感器和读出电路集成在一起的微系统提供了保障。随着微机电系统在国民各个领域应用的不断深入，人们对微机电系统的性能要求也越来越高。具体表现在更高的集成度，更高的信噪比等。

对于传感器信号检测来说，首先要考虑的性能是传感器系统的信噪比。在传统的传感器阵列检测系统中，采用电容跨阻（CTIA）电路来减少读出电路的噪声，以此来提高系统的信噪比，如图1所示（赵玲，李跃进 一种新型的相关焦平面CMOS读出电路 《红外技术》 Vol.28 No.1 2006）。该方法存在的问题是传感器的偏移电压无法消除，需要在CTIA电路后边加上相关双采样电路（CDS）。

为了消除传感器的偏移电压，进一步提高系统的信噪比，在另一传统的传感器读出电路中引入斩波调制电路，如图2所示（C. Menolfi, Qiuting Huang “A Low CMOS Instrumentation Amplifier for Thermoelectric Infrared Detectors” IEEE J. Solid-State Circuit, Vol.32 No.7 1997）。该电路通过将偏移电压和低频噪声调制到高频再滤波消除的方式来消除偏移电压并提高系统的信噪比。

然而，传统的传感器读出电路如图1那样，无法直接消除偏移电压，需要加入复杂的相关双采样电路。而如图2那样，采用传统的斩波技术的读出电路虽然能够消除偏移电压并降低低频噪声，但因为采用了滤波电路，使得电路的速度受到限制，无法用于传感器阵列读出电路。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于斩波技术的传感器阵列读出电路，其结构简单，消除偏移电压及低频噪声，提高系统的集成度和信噪比，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述基于斩波技术的传感器阵列读出电路，包括全差分输入级，所述全差分输入级的输入端与信号调制开关，全差分输入级的输出端通过信号解调开关与差分至单端信号转换级相连，所述差分至单端信号转换级通过第一补偿电容与输出缓冲级的输出端相连，且差分至单端信号转换级的输出端与输出缓冲级的反相端相连，差分至单端信号转换级的同相端通过第二补偿电容与输出缓冲级的输出端相连；差分至单端信号转换级的反相端通过第三补偿电容接地，输出缓冲级的同相端接地。

所述全差分输入级采用全差分共源共栅及共模反馈的运算放大器，所述全差分输入级将信号调制开关调制成的高频信号进行高增益放大及噪声隔离后通过信号解调开关输入值差分至单端信号转换级。

所述全差分输入级的增益不小于100dB。所述输出缓冲级采用AB类运算放大器。

所述信号调制开关包括两组由第一CMOS开关和第二CMOS开关构成的调制开关，所述两组调制开关分别与全差分输入级的输入端对应连接；每组调制开关内对应的第一CMOS开关与第二CMOS开关分别由正相和反相时钟控制。

所述信号解调开关包括两组由第三CMOS开关和第四CMOS开关构成的解调开关，所述两组解调开关分别与差分至单端信号转换级的输入端对应连接，每组解调开关内对应的第三CMOS开关与第四CMOS开关分别由正相和反相时钟控制。

所述差分至单端信号转换级采用差分输入单端输出并采用电流镜负载的运算放大器。

所述第一CMOS开关和第二CMOS开关采用最小工艺尺寸制造的CMOS开关。

所述第三CMOS开关和第四CMOS开关采用最小工艺尺寸制造的CMOS开关。

所述输出缓冲级将差分至单端信号转换级输出的功率传输给读出电路的电阻或电容负载。

本发明的优点：传感器阵列输出的信号经过信号调制开关及全差分输入级调制高频信号，通过斩波调制高频信号后能消除偏移电压与低频噪声，全差分输入级同时能实现噪声隔离，无需滤波器即可完成斩波电路的功能，适用于传感器阵列的高速读出电路。经过全差分输入级后的高频信号通过解调开关及差分至单端信号转换级进行解调放大，并经过输出缓冲级进行第三次放大，经过三次放大后经读出的传感器阵列信号输出传输到读出电路的小电阻或大电容负载上，实现传感器阵列信号的读取；结构简单，消除偏移电压及低频噪声，提高系统的集成度和信噪比，适应范围广，安全可靠。

附图说明

图1为现有采用电容跨阻电路的传统传感器阵列读出电路的原理图。