一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路的制作方法

1.本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路。


背景技术：

2.随着微机电系统（mems）技术的发展，mems传感器在过去的几年中成为应用最广泛的微机电系统器件之一，传感器犹如人的眼睛和皮肤，在人们的生活和工作中起着重要的作用，其中mems加速度计传感器、陀螺仪传感器和压力传感器等被广泛用于测量物体的加速度、角速度和压力，在汽车、工业自动化、航空航天及其它众多领域得到了广泛的应用。
3.但是现有的传感器电路技术存在设计复杂（需输入共模反馈、解调器、滤波器等模块）、传感器适配性差、功耗大，线性度差、电容到电压转换漏电大、时序复杂等缺点、使得应用于系统时，系统发热大，影响系统温度系数，影响测试精度，导致传感器的功耗和电路复杂程度不够理想。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，以解决如何提升电容到电压转换精度和线性度的技术问题。
5.本发明是采用以下技术方案实现的：一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，包括敏感电容结构、基础电容结构和运算放大电路，所述敏感电容结构和基础电容结构之间还设置有修调电容结构，所述基础电容结构与运算放大电路相连接，分别在敏感电容结构和基础电容结构两侧输入基准电压vref以及两相非交叠时钟信号φ1和φ2，在φ1阶段，利用施加在敏感电容结构上的基准电压vref，产生正比于变化电容的电荷，在φ2阶段，通过运算放大电路，完成电容到电压的转换。
6.进一步的，所述基准电压vref与敏感电容结构之间设置有导通开关s1和接地开关s2，所述敏感电容结构包括敏感电容cs1和cs2，基准电压vref接入敏感电容cs1和cs2之间，导通开关s1的相位与φ1相同，接地开关s2的相位与φ2相同。
7.进一步的，所述基准电压vref与基础电容结构之间设置有导通开关s3和接地开关s4，所述基础电容结构包括基础电容cc1和cc2，基准电压vref接入基础电容cc1和cc2之间，基础电容cc1与敏感电容cs1相连接，基础电容cc2与敏感电容cs2相连接，导通开关s3的相位与φ2相同，接地开关s4的相位与φ1相同。
8.进一步的，所述修调电容结构包括多个修调电容，所述修调电容通过一系列开关分别连接于敏感电容结构和基础电容结构之间。
9.进一步的，所述修调电容的中间节点接于基础电容cc1和cc2之间。
10.进一步的，所述运算放大电路包括运算放大器a，所述运算放大器a的正输入端与基础电容cc2相连接，所述运算放大器a的负输入端与基础电容cc1相连接。
11.进一步的，所述运算放大电路还包括反馈电容cf1和cf2，反馈电容cf1一端与运算
放大器a的负输入端相连接，另一端与输出节点voutp相连接；反馈电容cf2一端与运算放大器a的正输入端相连接，另一端与输出节点voutn相连接。
12.进一步的，所述反馈电容cf1两端设置有开关srt1，所述反馈电容cf2两端设置有开关srt2，所述开关srt1和开关srt2的相位与φ2相同。
13.进一步的，反馈电容cf1和反馈电容cf2的电荷变化量如下式所示：qcf=vref*(cs+δc)-vref*cc=vref*δc=cf*vout；其中，cs为敏感电容结构的基础电容；cc为平衡电容；δc为敏感电容结构上下传感到的电容变化量，vout=voutp-voutn。
14.本发明的有益效果在于：本发明结构简单、无需专门的输入共模反馈电路结构，采用电荷转移平衡式结构也能达到电容到电压的成功转换；无需额外的解调器、滤波器等模块就能进行电容到电压转换，一个运放就能满足要求，降低电路复杂度；无易受噪声和温度影响的电阻器件置于转换电压的反馈支路中，而是放置一开关于反馈支路，从而降低了环境因素对电压的影响，消除了电阻器造成的漏电，提高了转换精度和线性度。本发明通过编程调节平衡电容的大小，实现各种电容大小的传感器机械结构的匹配，适配性良好。本发明电容到电压的转换精度高、噪声低、电路结构简单实用，受温度影响可忽略。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
16.图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
18.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
19.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
20.实施例1参见图1，一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，包括2个敏感电容cs1和cs2，2个平衡敏感电容的基础电容cc1和cc2，2个运放反馈电容cf1、cf2，多个修调电容（包括：cm11、cm12、cm13
…
cm1n；cm21、cm22、cm23
…
cm2n），两相非交叠时钟信号φ1和φ2，多个开关（包括：s1、s2、s3、s4；srt1、srt2；sw11、sw12、sw13
…
sw1n；sw21、sw22、sw23
…
sw2n），1个基准电压vref，1个运算放大器a。该电路结构的电压输出正比于敏感结构电容的变化量，其中s1、s4的相位同φ1，s2、s3、srt1、srt2的相位同φ2。利用电容的充放电特性，得到电荷的
转移特性，在φ1阶段，利用施加在敏感结构电容上的基准电压作用在变化的电容上，产生正比于变化电容的电荷，在φ2阶段，上一阶段采样得到的电荷通过运放算放大器a进行放大，从而得到所需的电容到电压的转换关系。
21.在本实施例当中，输入基准电压vref连接s1的一端，s1的另一端连接s2的一端和敏感结构中间节点于节点1；cs1和cc1、cm11、cm12、cm13
…
cm1n通过一系列开关sw（包括sw11、sw12、sw13
…
sw1n）后连接于同一点2，cs2和cc2、cm21、cm22、cm23
…
cm2n通过一系列开关sw（包括sw21、sw22、sw23
…
sw2n）后连接于同一点3。
22.在本实施例当中，输入基准电压vref连接s3的一端，s3的另一端连接s4的一端和一系列平衡电容的中间节点于节点4，cf1的一端和开关srt1的一端与运算放大器a的负输入端相连于节点2，另一端相连于节点voutp，cf2的一端和开关srt2的一端与运算放大器a的正输入端相连于节点3，另一端相连于节点voutn。
23.通过离散时间电路的分析可得到srt1和srt2导通时，电荷存储关系式为：qc=vref*cc，qs=0；srt1和srt2断开时，电荷存储关系式为：qs=vref*(cs+δc)，qc=0；通过上述两个关系式，在srt1和srt2开关导通断开的过程中，cf1、cf2的电荷变化量如下式所示：qcf=vref*(cs+δc)-vref*cc=vref*δc=cf*vout；其中cs为加速度计敏感结构的基础电容，cc为与表头相应的平衡电容，δc为加速度计敏感结构上下传感到的相反的电容变化量，vout=voutp-voutn。
24.基于上述实施例，本发明至少具有以下技术效果：本发明结构简单、无需专门的输入共模反馈电路结构，采用电荷转移平衡式结构也能达到电容到电压的成功转换；无需额外的解调器、滤波器等模块就能进行电容到电压转换，一个运放就能满足要求，降低电路复杂度；无易受噪声和温度影响的电阻器件置于转换电压的反馈支路中，而是放置一开关于反馈支路，从而降低了环境因素对电压的影响，消除了电阻器造成的漏电，提高了转换精度和线性度。本发明通过编程调节平衡电容的大小，实现各种电容大小的传感器机械结构的匹配，适配性良好。本发明电容到电压的转换精度高、噪声低、电路结构简单实用，受温度影响可忽略。
25.需要说明的是，术语“连接”、“设置”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“连接”、“设置”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“连接”、“设置”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。并且对于前述的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本技术所必须的。
26.上述实施例中，描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说
明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，其特征在于，包括敏感电容结构、基础电容结构和运算放大电路，所述敏感电容结构和基础电容结构之间还设置有修调电容结构，所述基础电容结构与运算放大电路相连接，分别在敏感电容结构和基础电容结构两侧输入基准电压vref以及两相非交叠时钟信号φ1和φ2，在φ1阶段，利用施加在敏感电容结构上的基准电压vref，产生正比于变化电容的电荷，在φ2阶段，通过运算放大电路，完成电容到电压的转换。2.如权利要求1所述的一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，其特征在于，所述基准电压vref与敏感电容结构之间设置有导通开关s1和接地开关s2，所述敏感电容结构包括敏感电容cs1和cs2，基准电压vref接入敏感电容cs1和cs2之间，导通开关s1的相位与φ1相同，接地开关s2的相位与φ2相同。3.如权利要求2所述的一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，其特征在于，所述基准电压vref与基础电容结构之间设置有导通开关s3和接地开关s4，所述基础电容结构包括基础电容cc1和cc2，基准电压vref接入基础电容cc1和cc2之间，基础电容cc1与敏感电容cs1相连接，基础电容cc2与敏感电容cs2相连接，导通开关s3的相位与φ2相同，接地开关s4的相位与φ1相同。4.如权利要求3所述的一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，其特征在于，所述修调电容结构包括多个修调电容，所述修调电容通过一系列开关分别连接于敏感电容结构和基础电容结构之间。5.如权利要求4所述的一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，其特征在于，所述修调电容的中间节点接于基础电容cc1和cc2之间。6.如权利要求5所述的一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，其特征在于，所述运算放大电路包括运算放大器a，所述运算放大器a的正输入端与基础电容cc2相连接，所述运算放大器a的负输入端与基础电容cc1相连接。7.如权利要求6所述的一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，其特征在于，所述运算放大电路还包括反馈电容cf1和cf2，反馈电容cf1一端与运算放大器a的负输入端相连接，另一端与输出节点voutp相连接；反馈电容cf2一端与运算放大器a的正输入端相连接，另一端与输出节点voutn相连接。8.如权利要求7所述的一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，其特征在于，所述反馈电容cf1两端设置有开关srt1，所述反馈电容cf2两端设置有开关srt2，所述开关srt1和开关srt2的相位与φ2相同。9.如权利要求7所述的一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，其特征在于，反馈电容cf1和反馈电容cf2的电荷变化量如下式所示：qcf=vref*(cs+δc)-vref*cc=vref*δc=cf*vout；其中，cs为敏感电容结构的基础电容；cc为平衡电容；δc为敏感电容结构上下传感到的电容变化量，vout=voutp-voutn。

技术总结
本发明公开了一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路，包括敏感电容结构、基础电容结构和运算放大电路，所述敏感电容结构和基础电容结构之间还设置有修调电容结构，所述基础电容结构与运算放大电路相连接，分别在敏感电容结构和基础电容结构两侧输入基准电压VREF以及两相非交叠时钟信号Φ1和Φ2，在Φ1阶段，利用施加在敏感电容结构上的基准电压VREF，产生正比于变化电容的电荷，在Φ2阶段，通过运算放大电路，完成电容到电压的转换。本发明结构简单、无需专门的输入共模反馈电路结构，采用电荷转移平衡式结构也能达到电容到电压的成功转换。转换。转换。


技术研发人员：魏全 段晓敏
受保护的技术使用者：成都市晶蓉微电子有限公司
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/7/7