使用用于传感器接口的专用比较器的输入共模控制

摘要

本发明公开了一种使用用于传感器接口的专用比较器的输入共模控制。具体而言，本发明的多个实施例允许电容性传感器前端放大器中的低噪声、高性能输入共模电压控制。在某些实施例中，通过在并联前馈路径中实现全电压摆幅共模电压比较器以补偿大共模输入信号变化而克服了现有技术中的缺点。

说明书

技术领域

本发明涉及共模控制，以及控制电容性惯性传感器电路中的共模电压 的系统、设备和方法。

背景技术

电容性感测电路用于陀螺仪、压力传感器、加速度计等，用以感测由 线性或旋转运动所引起的电容值的变化。差分变化可以由差分运算放大器 检测，它输出成比例的电压，该电压随后转换为要检测的预期物理量，例 如旋转、压力或加速度。

电容性感测电路通过驱动信号（如电压阶跃（step））操作，所述信号 提供给电容性传感器和读取并放大传感器信号的前端放大器。通常使用全 差分输入电荷放大器，因为全差分放大器更可靠、准确且相对不易受由电 源产生的噪声的影响。然而，全差分电荷放大器通常需要通过专用电路的 输入共模电压的控制，其会对放大器的性能具有显著的负面影响。常常使 用开关电容器电路来实现用于电容性惯性传感器的全差分前端电荷放大器 及其共模电压控制。

开关电容器输入共模电压控制电路需要相当大的反馈电容，其增大了 总输入前端电容，从而增大了系统噪声并降低了放大器的性能。另外，共 模反馈放大器迅速且准确地恢复预期共模电压的能力的不足减小了前端电 子设备的最大可获得运行速度。需要克服上述限制的共模电压控制。

发明内容

本发明的多个实施例提供了一种低噪声方案，用于电容性传感器前端 电子设备中的输入共模电压控制。具体地，本发明的某些实施例允许系统 集成商使得总放大器输入电容最小化，从而优化了放大器噪声性能。

本发明的某些实施例利用全电压摆幅共模电压比较器电路，其被配置 为与共模反馈控制电路并联，以校正由驱动电容性传感器的激励引起的大 部分输入共模电压变化。比较器电路充当并联前馈支路，其有助于更迅速 且有效地补偿共模输入信号变化，用以优化总体系统性能。

在此总体上说明了本发明的某些特征和优点；但考虑了本发明的附图、 说明书及权利要求书后，本文提出的另外的特征、优点和实施例对于本领 域技术人员来说是显而易见的。因此，应理解，本发明的范围不受这个发 明内容部分中公开的特定实施例的限制。

附图说明

将参考本发明的实施例，其实例在附图中示出。这些附图旨在是说明 性的，而非限制性的。尽管总体上在这些实施例的背景下说明了本发明， 但应理解，其并非旨在将本发明局限于这些特定实施例。

图1示出了现有技术的用于差分电容性传感器的电荷放大器前端电路。

图2示出了现有技术的使用共模反馈放大器的共模电压控制的前端电 子设备架构。

图3示出了现有技术的“惠斯通电桥”输入共模控制电路。

图4是典型“惠斯通电桥”电路的总体图示说明。

图5示出了根据本发明多个实施例的基于比较器的共模电压控制电路。

图6是根据本发明实施例的用于噪声消除的示例性过程的流程图。

具体实施方式

在以下说明中，出于解释的目的，阐明了特定细节，以便提供对本发 明的理解。但显然，对于本领域技术人员来说，可以无需这些细节来实践 本发明。本领域技术人员会认识到以下说明的本发明实施例可以以各种方 式并使用各种手段来执行。本领域技术人员还会认识到另外的修改、应用 和实施例也在其范围内，对于本发明可以提供使用的其他领域也是一样。 因此，下述的实施例是本发明特定实施例的举例说明，意图避免使得本发 明难以理解。

说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及表示结合实施例说明 的特定特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中。短语 “在一个实施例中”、“在实施例中”等在说明书中多个位置的出现不一定 指的是相同的实施例。

此外，附图中在部件之间或方法步骤之间的连接并非局限于直接起作 用的连接。作为替代，附图中示出的在部件或方法步骤之间的连接可以通 过添加到其的中间部件或方法步骤来修改或改变，而不会脱离本发明的教 导。

在本文献中，互换地使用术语“传感器”和“感测电路”。

图1示出了现有技术的用于差分电容性传感器的电荷放大器前端电路。 图1举例说明了通常用于电容性传感器应用中的全差分前端电荷放大器100 的基本功能。

电压激励V_D通常以脉冲函数的形式施加到传感器104的端子102。电 压激励在电荷放大器108的输入端处产生差分信号和共模信号。产生的共 模信号对预期的读出值没有贡献。共模信号的变化构成了不想要的干扰。 在一些情况下，共模电压可以呈现很高的值，以至于电荷放大器108的输 入共模电压范围饱和。由于放大器通常设计为工作在其线性范围内，一旦 电荷放大器108饱和，它就不再能够在放大差分信号时适当地运行。通常 使用输入共模反馈控制电路110来避免在电荷放大器108的输入端处的共 模电压电平从预期的V_{CM_REF}值111变化过大。

另外，在全差分电荷放大器108的输入端子105、106处存在寄生电容 C_P112、113。寄生输入电容112、113包括传感器和前端放大器寄生电容。 寄生电容112、113的影响是增大放大器108的总输入电容。由于电容性传 感器前端电子设备的噪声性能对于输入电容极为敏感，应使得寄生电容112 和113最小化，以便减小噪声性能的降级。

前端放大器108的输入噪声在输出端118处由与(C_P+C_F+C_O)/C_F成 比例的系数放大，其中，C_F是反馈电容器115、116的电容值。定义为电荷 放大器108的输出电压118与电容性传感器104的电容变化的比的信号增 益与δC/C_F成比例。本领域技术人员会认识到，一方面，希望得到反馈电容 器115、116的小电容值C_F以实现增大的信号增益，但另一方面，小C_F值 导致高寄生输入电容112、113，其严重影响噪声增益。因此，使得全差分 电荷放大器108的总输入电容最小化对于使得系统噪声最小化并增大总统 系统性能是至关重要的。

图2示出了现有技术的使用共模反馈放大器的共模电压控制的前端电 子设备架构。在图2所示的前端电路200中的布局用于需要共模电压控制 的特定传感器应用中，例如全差分开关电容器放大器电路。差分电容性传 感器204在端子202处接收驱动信号V_D。激励信号是电压阶跃函数，其驱 动电荷通过感测电容器205和206，改变在前端放大器输入端处的共模电压。 电荷等价于激励信号的电压幅度乘以感测电容器205、206的电容。共模反 馈放大器225必须注入电荷以补偿在输入端子217、218处的共模电压变化。 理论上，在输入端子217、218处的电压一直保持恒定。

可以由共模反馈放大器225补偿的电荷等于放大器225的动态输出范 围乘以反馈电容器226、227的电容值。放大器225的动态输出范围局限于 小于电源电压的值。放大器225的输出范围的限制需要反馈电容器226、227 的大电容值，以便充分补偿由激励信号V_D注入的电荷。反馈电容器226、 227的最小电容值取决于感测电容器205、206和施加到端子202的电压V_D。 不幸的是，反馈电容器226、227的电容显著地增大了总输入电容，其增大 了放大的噪声，并导致前端放大器208的噪声性能的降级。相反，本发明 的一些实施例使用了利用轨到轨比较器电路的低电容输入共模电压控制方 案。

图3示出了另一个现有技术的输入共模控制电路。图3中的布局是现 有技术的电容性“惠斯通电桥”共模电压控制电路，具有可任选的输入共 模反馈放大器。相对于施加到感测电容器305、306的激励阶跃电压V_D302 的等量但极性相反的驱动阶跃电压328施加到控制电容器326、327。控 制电容器C_p0a326、327充当无源共模控制电路332。这个布局利用了图4 中所示的常见惠斯通电桥的特性。在电容性惠斯通电桥共模电压控制电路 300中，以固定控制电容器C_p0326、327替换惠斯通电桥的全部固定电阻器， 以传感器304的可变电容器305、306替换惠斯通电桥的全部可变电阻器。

图4是典型“惠斯通电桥”电路的总体图示说明。在完美补偿的结构 中，固定电阻器404的值调整为与典型可变电阻器R₀402的值匹配，以使 得输出电压V_OUT是与电压V_D的幅度成比例的差分输出，并将在端子405、 406处的共模电压设定为预期电平。

现在返回到图3所示的电容性惠斯通电桥布局。这个电路包括开环系 统，其不感测放大器308的输入端。相反，它对差分信号施加开环校正， 而与出现在放大器308的输入端处的电压变化无关。使用这个设计的一个 问题是感测电容器305、306的感测电容C₀通常是未知的。控制电容器C_p0326、327的电容可以设计为与感测电容C₀的典型值匹配。

电容性惠斯通电桥设计的另一个缺点是定时偏斜误差，它是当在302 和328的两个阶跃电压V_D和以相对彼此的定时延迟而分别施加时引起 的。制造过程中不可避免的变化可以导致这两个阶跃电压的不同延迟。在 放大器输入端处的结果得到的定时偏斜误差尽管短，但必须解决并控制以 避免不想要的过多输入共模电压脉冲变化。本发明的多个实施例克服了电 容性惠斯通电桥设计和其他现有技术解决方案的定时偏斜控制的局限。

图5示出了根据本发明多个实施例的基于比较器的共模电压控制电路。 全差分检测电路500是基于比较器的共模电压控制电路，包括可任选的有 源输入共模反馈（ICMFB）放大器514。检测电路500包括传感器502、包 括反馈电容器524、526的前端放大器540、包括反馈电容器510、511的输 入共模反馈比较器（ICMFBC）518、和包括反馈电容器512、513的ICMFB 放大器514。为了清楚，省略了ICMFBC518的细节。传感器502可以是能 够产生差分输出信号的任何传感器。

如图5所示，差分电容性传感器502接收驱动信号V_D506。信号V_D506 例如是电压阶跃，其施加到传感器502以驱动电荷通过一对感测电容器503、 504。电荷与驱动信号V_D506乘以感测电容器503、504的电容中的变化成 比例。感测电容器503、504测量差分电容，它是由布置在传感器502内的 电极的线性或旋转运动所引起的。结果得到的感测电容器503、504与参考 电容的电容失衡导致电容器503的值的增大和电容器504的电容的等量减 小，参考电容是传感器502不工作时所呈现的。传感器502检测感测电容 器503、504随差分变化的失配，并响应于它，产生差分输出信号。在差分 前端放大器540的输入端处接收传感器502的差分输出信号。

传感器502的第一输出端子将感测电容器503耦合到前端放大器540 的非反相输入端子508。传感器502的第二输出端子将感测电容器504耦合 到前端放大器540的反相输入端子509。放大器540接收差分输出信号，例 如电压，其与传感器502中的电容变化成比例，并产生输出电压信号544， 由此可以得到要检测的预期物理量。前端放大器540的输出经由反馈电容 器524、526反馈到各个输入端508、509，反馈电容器524、526在产生输 出电压信号544时充当积分电容器。检测电路500进一步包括ICMFB放大 器514和全摆幅ICMFBC518。

ICMFBC518耦合在传感器502与前端放大器540之间，包括两个差分 输入端，它们耦合到放大器540的相应的非反相和反相输入端子508、509。 ICMFBC518进一步包括参考输入端子，其被耦合以接收参考电压522。 ICMFBC518的反馈电压538经由反馈电容器510、511耦合到前端放大器 540的输入端子508、509。反馈电容器510、511共用公共端，其在ICMFBC 518的输出端处耦合到反馈电压538。

由于例如在制造过程中的传感器502的变化，ICMFBC518的反馈电容 器510、511的准确值可能是难以确定的。在一个实施例中，可任选的ICMBF 放大器514用于准确控制输入共模电压。ICMBF放大器514是有源电路， 其在第一回路结构中耦合在传感器502与前端放大器540之间。放大器514 包括：两个差分输入端，它们分别耦合到放大器540的非反相和反相输入 端子508、509；及参考输入端子，其耦合到参考电位520。放大器514的 反馈电压536经由反馈电容器512、513耦合到前端放大器540的输入端子。 反馈电容器512、513彼此共用公共端子，公共端子在ICMBF放大器514 的输出端处耦合到反馈电压536。放大器514检测在前端放大器540的非反 相与反相输入端子508、509之间的电压差，并输出反馈电压536，以补偿 没有由ICMFBC518完全恢复的共模电压变化。

在一个实施例中，比较器518是全摆幅比较器，其充当ICMBF放大器 514的前馈支路。ICMFBC518可以实现为专用轨到轨比较器，其利用整个 电源范围来补偿输入共模变化，从而提供快速的恢复。比较器518将放大 器540的非反相和反相输入端子508、509的共模电压与参考电压522相比 较。一旦与预期电平的输入共模电压差超过预定阈值，ICMFBC518就通过 传送电荷来迅速做出反应，所述电荷反馈到放大器540的输入端，以补偿 共模输入变化。例如，ICMFBC518可以设计为当输入共模电压变化阈值超 过10mV时向共模信号施加校正信号，以使得变化低于比较器的阈值。 ICMFBC518比ICMBF放大器514相对更快。另外，由于ICMFBC518利 用轨到轨输出动态范围，因为与现有技术设计相比更低的输入电容，它可 以相对更快地恢复它在前端放大器540的输入端处检测的共模电压信号。

此外，当ICMBF放大器514用于准确控制输入共模电平变化时，与没 有比较器518相比，它需要产生量减少的电荷，以克服共模电压变化。与 现有技术设计相比，这允许共模反馈电容器512、513的减小。

另一个益处是增加ICMFBC518允许放大器514具有比现有技术设计 更低的带宽。增加ICMFBC518的再另一个益处是，与上述的图3的惠斯 通电桥布局中的不同，不需要对在施加到传感器的信号与施加到电桥电容 器的反极性的额外信号之间的定时偏斜的准确控制。这相当大地简化了传 感器502的重新设计和调谐，因为定时偏斜误差不影响阈值电压，因此不 必考虑在内。作为替代，检测电路500可以设计为对预定电压阈值做出反 应，以控制输入共模变化。本领域技术人员会理解，ICMFBC518的不同实 现方式是可能的。比较器518例如可以实现为时钟比较器。

图6是根据本发明多个实施例的控制输入共模电压的示例性过程的流 程图。用于控制输入共模信号的过程在步骤602开始，此时差分放大器在 差分输入端处例如从传感器电路的输出端处接收输入共模信号。在一个实 施例中，差分放大器是全差分放大器。

在步骤604处，输入共模比较器感测在差分放大器的差分输入端处的 输入共模电压。

在步骤606处，输入共模比较器将输入共模电压与第一共模参考电压 相比较，以确定差值是否超过预定阈值。

在步骤608处，输入共模比较器通过将前馈电流注入差分前馈电路路 径中来产生校正信号，以调整输入共模电压。

在步骤610处，输入共模放大器感测在差分放大器的输入端处的输入 共模信号。

在步骤612处，输入共模放大器将输入共模电压与第二共模参考电压 相比较，以确定残余差分值。

最后，在步骤614处，输入共模放大器产生共模反馈信号，以经由耦 合在反馈回路中的反馈电容器调整输入共模电压，以迫使输入共模电压接 近第二共模参考电压。

本领域技术人员会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，更少或额 外的步骤可以与本文所示的步骤合并。本文流程图或说明书中的块的布置 并非暗示特定的顺序。

会理解，在前的实例和实施例是示例性的，目的在于清楚和理解，而 并非限制本发明的范围。其意图是基于说明书的阅读和附图的研究，对于 本领域技术人员来说都是显而易见的、对本发明的所有置换、增强、等价 物、组合和改进也包括在本发明的范围内。因此其意图是权利要求包括属 于本发明的真实精神和范围内的所有这种修改、置换和等价物。