[发明专利]电容式传感器接口电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容式传感器接口电路。

背景技术

由于微机电(MEMS)技术以及应用的快速发展，将被感知的物理量（例如气压，加速度，湿度等）的变化转换成电容值的变化的传感器大量出现。这种电容的变化范围通常仅为0.01pF～1pF，同时还有零点，灵敏度不一致甚至会随温度变化，因此一般会同时配上一个带有电容检测的接口电路，将电容变化转换成可以进行后续处理的电压或者数字信号。传统的电容式传感器接口电路通常利用电荷守恒原理，使用一级运算放大器得到电容进行充放电后的电荷变化量来计算出电容值。参见图1，电容式传感器由两个待检测电容C_A和C_B组成，接口电路由一个运算放大器，一个反馈电容C_s以及两组开关组成。通常C_A和C_B的变化方向相反或者其中一个固定不变，C_A和C_B的电容值的差反映了传感器测量的物理量大小。为了测量出C_A和C_B的电容差值，接口电路测量时分为两个阶段：重置阶段和放大阶段。重置阶段，在C_A和C_B的两个非公共端加上相位相反的信号VREFP和VREFN，跨接在运算放大器输入与输出两端的反馈电容C_s通过两组开关短接到共模电压Vcm上。放大阶段，C_A和C_B的两个非公共端信号被反相，由于运算放大器的虚地特性，根据电荷守恒原理，可以计算出运算放大器输出端电压变化为Vout=Vcm+(VREFP-VREFN)*( C_A-C_B)/ C_s，从而得到一个与C_A, C_B差值成比例的电压输出。

此接口电路的缺点主要有以下三点：

首先，噪声性能不好。重置阶段，开关、运算放大器，传感器布线寄生电阻的宽带热噪声被采样到运算放大器输入端，形成所谓的kT/C噪声，由于传感器上一般有较大的寄生电容，整体结构的反馈系数F很小，这个kT/C噪声在放大阶段会被1/F倍，从而大大限制了输出信号的噪声性能。同时电路的低频噪声如闪烁噪声也会体现在输出上。

其次，运算放大器的失调电压以及开关的失配也会在输出信号上引入失调信号。

再次，由于运算放大器工作在单端模式，对电源噪声，外部干扰和寄生变化会比较敏感。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种改善噪声性能、降低外部干扰敏感度的电容式传感器接口电路。

本发明电容式传感器接口电路，所述电容式传感器接口电路采用基于相关双采样的三级放大结构，将传感器的差分电容信号读出，其中： 

第一级包括第一全差分运算放大器A1、反馈电容C_s11、反馈电容C_s12和开关， 所述第一全差分运算放大器A1的两个输入端分别连接传感器差分电容C_A和C_B的非公共端，所述第一全差分运算放大器A1的正向输入端与反向输出端之间并联反馈电容C_s11，反馈电容C_s11两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第一全差分运算放大器A1的反向输入端与正向输出端之间并联反馈电容C_s12，反馈电容C_s12两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第一全差分运算放大器A1的正向输出端通过电容与第二全差分运算放大器A2的反向输入端连接，第一全差分运算放大器A1的反向输出端通过电容与第二全差分运算放大器A2的正向输入端连接；

第二级包括第二全差分运算放大器A2、反馈电容C_s21、反馈电容C_s22和开关，所述第二全差分运算放大器A2的正向输入端与反向输出端之间并联反馈电容C_s21，反馈电容C_s21两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第二全差分运算放大器A2的反向输入端与正向输出端之间并联反馈电容C_s22，反馈电容C_s22两端均通过开关与共模电压Vcm连接，所述第二全差分运算放大器A2的正向输出端通过电容与第三全差分运算放大器A3的反向输入端连接，第二全差分运算放大器A2的反向输出端通过电容与第三全差分运算放大器A3的正向输入端连接；