[发明专利]单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，是一种MEMS与CMOS集成设计单片集成接口电路。

背景技术

锁相技术已经被电子设备所广泛使用，其具有很多优点。MEMS传感器是当今发展的另一个热点，其输出信号一般比较微弱，需要斩波，相关双采样等技术提供信号强度。

图1为常规的锁相技术的框图，其有四个部分构成，主要关系是信号通道同参考通道接受同一个规定的调制频率调制，信号通道包括一些放大和滤波的电路，用于将目标信号放大到满意的范围，在参考通道里，包括相移电路以及驱动电路，用于产生同频率和满足相位的参考频率，最后在相敏放大器和低通滤波器中将噪声部分去除，得到放大后的信号。

如果将MEMS和CMOS锁相放大技术结合起来，将有很好的输出特性和应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路，将MEMS与CMOS融合设计。

按照本发明提供的技术方案，所述单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路包括：交流调制信号发生器、MEMS电容电桥、前置放大器、滤波电路、交流放大电路、相敏检测器、低通滤波器、方波驱动电路、移相电路和参考触发电路；所述调制信号发生器输出端连接MEMS电容电桥输入端和参考触发电路输入端，交流调制信号发生器产生交流调制信号，其信号频率同时调制MEMS电容电桥和参考触发电路；在信号通道上，MEMS电容电桥输出连接下一级的前置放大器的输入端，前置放大器的输出连接滤波电路的输入端，经过滤波，滤波电路输出与交流放大电路的输入端相接，交流放大电路的输出与相敏检测器的一个输入端相接；在参考通道上，参考触发电路的输出接移相电路的输入端，移相电路输出端接方波驱动电路的输入端，方波驱动电路的输出接相敏检测器的另一个输入端；经过相敏检测器的相关性检测，相敏检测器的输出连接低通滤波器输入端，最后低通滤波器输出最终的信号。

所述单片集成MEMS电容传感器锁相放大电路包括MEMS器件部分和CMOS读出电路部分，MEMS器件部分包括：所述MEMS电容电桥；CMOS读出电路部分包括：所述前置放大器、滤波电路、交流放大电路、相敏检测器、低通滤波器、方波驱动电路、移相电路、参考触发电路；通过单片集成技术将所述MEMS器件部分和CMOS读出电路部分同时在硅片上实现。

所述CMOS读出电路部分采用单端输出、单端输入的结构，或采用双端输入和双端输出的全差分结构。

所述CMOS读出电路部分通过CMOS工艺实现，采用CMOS器件或NMOS管、PMOS管。

所述MEMS电容电桥包括：第一可变电容、第三可变电容、第二可变电容和第四可变电容按顺序首尾相接，其中第一可变电容和第二可变电容属于同种类型电容，第三可变电容和第四可变电容属于同种类型电容；第一可变电容和第二可变电容可以由固定容值电容代替，第三可变电容和第四可变电容也可以由固定容值电容代替。

所述相敏检测器可以是开关形式，包括：第一调制开关、第三调制开关、第二调制开关、第四调制开关按顺序首尾相接，所述第一调制开关两端为相敏检测器正端，第二调制开关两端为相敏检测器负端；其中第一调制开关和第二调制开关受相同时钟CLK调制，第三调制开关和第四调制开关受所述时钟CLK的反向时钟调制。

所述相敏检测器也可以采用不带开关的模拟乘法器。

所述滤波电路采用低通滤波器或是高通滤波或是带通滤波器。

所述参考触发电路的输出端可以通过倍频电路与移相电路的输入端相连。也可以省略倍频电路。

所述低通滤波器能够由无限积分时间积分滤波器所代替。

本发明的优点是：本发明是建立在MEMS与CMOS融合设计的平台，通过差分电容电桥的变化，加上频率调制，实现MEMS与CMOS单片集成，同时为了降低MEMS器件的噪声和影响，使用锁相技术，优点是能够将寄生参数等不理想特性减小到最理想的情况，通过滤波和互相关技术去掉噪声的影响。

附图说明

图1为常规锁相放大电路。

图2为本发明的MEMS与CMOS单片集成锁相放大电路。

图3为MEMS电容电桥的详细结构。

图4为相敏检测器的开关形式电路。

图5为本发明的积分器形式输出的整体电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。