[发明专利]电容式传感器检测电路及双采样斩波级联结构

说明书

本发明揭示了一种电容式传感器检测电路及双采样斩波级联结构，所述传感器检测电路包括：电容式传感器、电荷‑电压转换器、双采样‑斩波级联结构、模数转换器ADC、数字滤波器；所述电荷‑电压转换器用于将电容的电荷变化转换成电压变化，双采样‑斩波级联结构包括斩波结构CHS，斩波结构CHS用于将非线性中的偶次项调制到斩波频率处，模数转换器ADC用于将模拟信号转换成数字信号，数字滤波器用于滤除高频调制偶次非线性项，从而获得高线性度。本发明提出的电容式传感器检测电路，可提供与闭环式电荷‑电压转换器相近的线性度，并且比传统的开环式电荷‑电压转换器更好的噪声特性以及更低的零漂失调，实现高线性度、低噪声、低零漂失调。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种电容式传感器检测电路，尤其涉及一种高线性度低噪声低零漂失调电容式传感器检测电路；同时，本发明还设计一种双采样斩波级联结构。

背景技术

传统的闭环式电荷-电压转换器，具有较好的线性度，但是由于其使用的宽带放大器缺乏足够的抗混叠滤波，因而噪声较差。传统的开环式电荷-电压转换器，由于内建抗混叠滤波具有较好的噪声特性，但是由于放大器输入变化较大，因而线性度较差，并且由于不同相位间跨导存在失配，会引入额外的失调电压以及相应的零漂。

传统的电容式传感器检测电路，一般包括一个用于将电容电荷变化转换成电压信号的电荷-电压转换器，一个ADC用于将模拟信号转换成数字信号，一个数字滤波器用于对信号做进一步处理。

传统的闭环式电荷-电压转换器来将电容变化转换为电压变化。传统的闭环式电荷-电压转换器使用一个宽带放大器(OPA)构成一个电荷-电容反馈电路，此宽带放大器一般具有很短的相应时间以及高直流增益，并由此获得整个电荷-电压转换器对环境影响的低敏感度。如图2所示，一个电压方波施加于传感器节点PM上，把从由传感器电容传递过来的电荷转换为电压信号，并使得差分输出信号的幅度正比于传感器的电容变化。

宽带放大器(OPA)在电路内部被配置成闭环的形式，因而此种转换器可以获得很高的线性度。但由于此种转换器缺乏必要的抗混叠滤波，宽带噪声被采样操作积分到信号所处的基带，会带入了较大的等效输入噪声，以及相应的信噪比衰减。

传统的开环式电荷-电压转换器内建抗混叠滤波，减少了宽带噪声折叠效应，因此比闭环式电荷-电压转换器具有更好的噪声特性。一般来说这种转换器还会加入一组相关双采样开关用于滤除低频噪声，如图3所示，电路在Φ1相位对电容进行复位(RST)，在CDS的第一个周期Φ2对放大器(OPA)的低频噪声和失调电压进行积分，在CDS的第二个周期同时对信号和放大器低频噪声/失调电压进行积分，最后对这次积分值相减去除放大器的低频噪声和失调电压。

如图3所示，此种类型的电荷-电压转换器，由于放大器(OPA)被配置为开环结构，特别是在传感器输入信号较大的时候，其输入差分对M1和M2的输入端电压会发生比较大的电压变化，因此影响此种转换器的线性度。此种电荷-电压转换器的输出电压可以用以下公式表述：

其中的非线性部分为：

其中α₁为放大器等效输入跨导，α₃为输入差分对(M1/M2)跨导的三阶非线性项，v_in为差分对输入电压，v_os为差分对失调电压，当前CMOS工艺的失调电压v_os一般在5～10mV量级，所以这种结构会存在较大的二阶失调项。

这种类型的电荷-电压转换器，其输入共模电压在CDS的两个相邻周期Φ2和Φ3之间会发生比较大的变化，此共模输入电压变化值可以用公式表示为：