[发明专利]一种用于传感器的读出电路

说明书

技术领域

本发明涉及CMOS模拟集成电路设计领域，特别涉及一种传感器的读出电路。

背景技术

在自然界中，任何温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射，测定它的强度并将其转换为其他形式的能量以便应用，就是红外探测器的主要任务。热电堆作为最重要的红外探测器之一，目前已经广泛应用到红外成像、红外预警、红外检测等领域。随着微电子技术的快速发展，半导体材料作为热电堆基体的方案日趋成熟，目前已成功发展了利用微机械工艺制造的硅基热电堆。

热电堆红外传感器可以通过与标准硅基工艺集成，进一步降低芯片的制作成本和提高整个探测系统性能。而在整个单片集成红外传感系统中，信号读出电路是一个很重要的方面，对最终的系统性能有很重要的影响。在相关的集成热电堆红外传感器设计中，在电路方面的设计还比较少，国外比较成功的是利用斩波技术对红外传感器产生的低频信号进行低噪声处理，提高系统的性能。一般传统的热电堆红外传感器读出电路增益级都采用开环的运算放大器结构，增益容易随工艺、温度和设计而发生变化，可靠性较低。

图1示出了目前已有的热电堆红外传感器读出电路结构图。参照附图1所示，该结构采用两级开环运算放大器的系统架构，通过斩波技术消除运放的失调电压和1/f噪声，从而实现了传感器微弱信号的放大。但该方案有以下三点不足：(1)由于采用开环运算放大器的系统架构，整体系统增益易受工艺、温度等条件的变化而变化，导致增益与温度呈非线性变化，温度检测精度有限；(2)系统中引入带通滤波器对残余失调电压进行消除，在提高一定检测精度的同时，增益了电路复杂性，使系统的可靠性降低；(3)该方案中没有集成模数转换器，在系统实现时还需要在系统电路板中加入模数转换器电路进行量化，规模较大，增加了系统应用的难度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的是提供一种高精度、高可靠、单片集成的热电堆红外传感器读出电路。解决的技术问题主要有以下三个方面：

(1)针对原读出电路方案采用开环结构，导致增益与温度呈非线性变化的缺点，本发明采用闭环运放与斩波技术结合的增益结构，使系统增益只由闭环结构中的电阻比值决定，增益几乎与检测温度无关；同时斩波技术能有效的运放的失调电压和1/f噪声，提高了检测精度。

(2)在系统中去除了带通滤波器电路，将残余失调电压消除交由Sigma-Delta模数转换器电路中数字滤波器完成。由数字电路实现的滤波器可靠性远大于模拟滤波器，降低了电路复杂性，在降低电路功耗的同时提高了电路可靠性。

(3)在读出电路中加入片上集成Sigma-Delta模数转换器，对传感器检测电压信号直接进行量化、编码，降低了系统应用难度，实现高集成度的传感器读出电路。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高可靠的传感器读出电路，其包括：两级运算放大器(100)、输入斩波器(110)、输出斩波器(111)、缓冲器(120、121)和2阶多位量化Sigma-Delta模数转换器(130)；其中，所述两级运算放大器用于在闭环工作状态下，通过电阻比将传感器输出的微弱电压信号放大；输入、输出斩波器分别接在所述两级运算放大器的输入端和输出端，用于降低所述两级运算放大器的直流失调电压和低频1/f噪声；缓冲器对所述两级运算放大器的输出信号进行隔离保护；2阶多位量化Sigma-Delta模数转换器将放大后的传感器电压信号转换为数字码，并输出至DSP进行处理。

(三)有益效果

本发明提供的高可靠用于传感器的读出电路，采用闭环运算放大器增益结合斩波技术，以及2阶多位量化Sigma-Delta模数转换器单芯片全集成的方式，通过闭环运算放大器中的电阻比将传感器输出的微弱电压信号放大，解决开环运放增益结构造成的温度与增益非线性变化的问题，提高了增益的稳定性和可靠性；通过采用斩波技术，有效降低了读出电路的失调电压和1/f噪声；通过采用无带通滤波器的结构，将残余失调电压消除交由Sigma-Delta模数转换器电路中数字滤波器完成，解决了电路复杂度问题，提高了系统可靠性；通过采用2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器与读出电路单片集成的方式，在避免高阶调制器造成电路稳定性问题的同时、节约了功耗，实现了高的输出信噪比，提高了电路的可靠性。该读出电路具有检测精度高，可靠性强、功耗低、集成度高的优点。

附图说明

图1为现有方案中传感器读出电路的结构示意图；