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专利名称：差分式电容电压转换电路及加速度传感器检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种差分式电容电压转换电路及加速度传感器检测系统。
背景技术：
目前很多加速度传感器采用电容的改变来表征加速度传感器所在物体的自身运动的加速度。例如加速度传感器的中心轴构成的两旁的电容值CSl和CS2会随着检测的速度的变化而产生电容值的变化，例如，CS1+AC和CS2-AC或CSl-AC和CS2+AC。这个变化的大小和方向在于加速的传感器的加速度的大小和方向。换句话说，加速度传感器把速度的大小和方向转化成正负电容差值，如果正电容差值代表CS1-CS2，那负电容差值就是CS2-CS1。而这个反映加速度大小和方向的电容差值是无法被直接被后续地处理电路直接处理的。也就是说所述反映加速度大小和方向的电容差值需要被转换成电压后才能经过后端电路来处理获得一个代表加速度的应用结果。目前很多现有的电容电压转换电路设计还是采用单端信号设计，所以无法克服外部干扰和噪声的影响，从而降低了加速度传感器的采样精度和灵敏度。而且现有的电容电压转换电路中电压放大器等器件自身的电压偏移和噪声进一步地限制了加速度传感器的采样精度和灵敏度。

实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术的电容电压转换电路的低精度和低灵敏度的缺陷，提供一种差分式电容电压转换电路，通过差分电路的方式来克服外部干扰和噪声的影响，并利用时钟信号在不同的导电通路来消除放大器自身的电压偏移和噪声，从而提高加速度传感器的采样精度和灵敏度。本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:本实用新型提供了 一种差分式电容电压转换电路，用于将一电容差值转化为一电压差值，其特点是，所述电容电压转换电路包括生成一时钟信号的一时钟信号源、一采样电路和一差分放大电路；所述差分放大电路包括一差分放大器、一第一电容、一第二电容、一第三电容和一第四电容；所述米样电路包括一第一参考电容、一第二参考电容、一第一米样输出端和一第二米样输出端；当所述时钟信号为高电平或低电平时，所述差分放大电路包括如下导电通路:所述差分放大器的正输入端和负输入端分别通过所述第一电容和所述第三电容接入一参考电压；所述差分放大器的正输入端和负输出端电连接；所述差分放大器的负输入端和正输出端电连接；所述采样电路包括如下导电通路:所述第一参考电容、第一米样输出端和一第一待测电容依次串接于一电源和地之间，所述第二参考电容、第二采样输出端和一第二待测电容依次串接于地和所述电源之间；所述第一采样输出端和第二采样输出端均与所述参考电压电连接；当所述时钟信号反相时，所述差分放大电路包括如下导电通路:所述差分放大器的正输入端与所述第一采样输出端之间串接所述第一电容，所述差分放大器的负输入端与所述第二采样输出端之间串接所述第三电容；所述第一采样输出端与所述差分放大器的负输出端之间串接所述第二电容，所述第二采样输出端与所述差分放大器的正输出端之间串接所述第四电容；所述采样电路包括如下导电通路:所述第一参考电容、第一米样输出端和一第一待测电容依次串接于地和所述电源之间，所述第二参考电容、第二采样输出端和一第二待测电容也依次串接于所述电源和地之间。所述差分信号就是两个相等幅度相反相位的信号。这两个信号之间的差异就是差分信号。由于对于外来的干扰和噪声会同时出现在这两个全差分信号线上，所以会互相抵消掉。最后会得到更好的CMRR (共模抑制比^PPSRR (电源抑制比)。所以本实用新型中利用差分信号的模式进行电容电压的转换，从而消除外来的干扰和噪声。提高检测的灵敏度。其中本实用新型在时钟信号的任一状态时及其反相状态时，分别对应于采样导电通路和放大导电通路，具体地说，例如当时钟信号在高电平时，通过在第一采样输出端和第二采样输出端接入参考电压来对待测电容充电至参考电压，从而实现对待测电容的采样。当时钟信号反相为低电平时，通过第一采样输出端和第二采样输出端接入差分放大器来实现对待测电容的电容差值的差分放大。
`[0020]而且本实用新型中在差分放大电路中通过第一电容和第三电容来去除差分放大器自身存在的零点偏移和低频噪声。具体地说，例如，在时钟信号的高电平时，即对电容采样的过程中，通过差分放大器构成的导电通路来采集零点偏移和低频噪声，并在时钟信号反相为低电平时，即对采样信号差分放大的过程中，将零点偏移和低频噪声加入差分放大器来消除差分放大器自身的零点偏移和低频噪声。 较佳地,所述差分放大电路还包括一第一差分放大器、一第五电容、一第六电容、一第七电容和一第八电容；当所述时钟信号为高电平或低电平时，所述差分放大电路还包括如下导电通路:所述第一差分放大器的正输入端和负输入端分别通过所述第五电容和所述第七电容接入所述参考电压；所述第一差分放大器的正输入端和负输入端还与所述参考电压电连接；所述第一差分放大器的正输入端和负输出端电连接；所述第一差分放大器的负输入端和正输出端电连接；当所述时钟信号反相时，所述差分放大电路还包括如下导电通路:所述第一差分放大器的正输入端与所述差分放大器的负输出端之间串接所述第五电容，所述第一差分放大器的负输入端与所述差分放大器的正输出端之间串接所述第七电容；所述第一差分放大器的正输入端与所述第一差分放大器的负输出端之间串接所述第六电容，所述第一差分放大器的负输入端与所述第一差分放大器的正输出端之间串接所述第八电容。[0026]本实用新型通过对差分放大器的输出进行进一步地放大来使得最终获得的差分信号更加符合后续电路或设备的需求。其中本实施例中所述参考电压的电压值为所述电源的电压值的一半。为了便于整个差分式电容电压转换电路输出的差分电压值的计算，所述参考电压的电压值最好设置为所述电源的电压值的一半。本实用新型还提供了一种加速度传感器检测系统，包括一加速度传感器，其特点是，所述加速度传感器检测系统还包括如上所述的差分式电容电压转换电路，其中所述差分式电容电压转换电路将所述加速度传感器的电容差值转化为电压差值。较佳地，所述加速度传感器为MEMS (微机电系统)加速度传感器。由于目前加速度传感器采用电容的改变来表征其所在物体的加速度，尤其是MEMS加速度传感器。MEMS加速度传感器两旁的电容值CSl和CS2会随着检测速度的变化而产生电容值的变化，例如CSl+ Λ C和CS2- Λ C或CSl- Λ C和CS2+ Δ C。这个变化的大小和方向在于传感器的加速度的大小和方向。换句话说，加速度传感器把速度的大小和方向转化成正负电容差值，如果正电容差值代表CS1-CS2，那负电容差值就是CS2-CS1。这个反映加速度大小和方向的电容差值需要被转换成电压后才能经过后端电路来处理获得一个代表加速度的应用结果。所以本实用新型将差分式电容电压转换电路应用于加速度传感器中，从而实现将表征加速度的电容差值转化为可后端电路处理的电压差值。在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。本实用新型的积极进步效果在于:本实用新型的差分式电容电压转换电路利用差分电路的方式来减少共模干扰，如开关引起的误差和通过芯片衬底或电源线耦合而来的噪声，所以会提高信号和噪声比例。此外，灵敏度和动态范围也会有所增加。本实用新型基于时钟信号时刻构成的不同的导电通路来实现对电容的采样和信号的放大两种电路，并在电容采样过程中，将采集并消除差分放大器自身的电压偏移和噪声，从而进一步地提高加速度传感器的采样精度和灵敏度。

图1为本实用新型的加速度传感器检测系统的较佳实施例的电路结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。如图1所示，本实施例的加速度传感器检测系统中通过一差分式电容电压转换电路将一 MEMS加速度传感器3中电容CSl和电容CS2的电容差值转化为电压差值。具体地说，如图1所示，所述差分式电容电压转换电路包括一采样电路1、一差分放大电路2和一时钟信号源(图1中未显不)。所述时钟信号源生成一时钟信号，其中在本实施例中所述时钟信号为高电平时，所有的开关Pl导通，所有的开关Ρ2断开。当所述时钟信号反相为低电平时，所有的开关Pl断开，所有的开关P2导通。其中所有的开关Pl和开关P2可以是开关管等能够实现开关的电路元件、器件或单元。此外所述开关Pl也可以在时钟信号为低电平时导通，所述开关P2均是在使得开关Pl导通的信号的反相信号时导通。本实施例通过所有的开关Pl和所有的开关P2的导通和断开，在所述采样电路I和差分放大电路2实现两条不同的导电通路，从而实现本实施例中将电容差值转化为电压差值的功能。其中所述采样电路I中使用电容CRl作为MEMS加速度传感器3的电容CSl的参考电容，使用电容CR2作为电容CS2的参考电容。如图1所示，本实施例中当所有的开关Pl导通、所以开关P2断开时，所述采样电路I的导电通路是:所述电源VDD既通过依次串接的电容CRl、采样端CP和电容CSl接地，也通过依次串接的电容CR2、采样端CM和电容CS2接地。而且所述采样端CP和采样端CP均与参考电压VCM电连接，所述参考电压VCM的电压值为电源VDD的电压值的一半。也即是说，电容CRl和电容CR2都被连接到电源VDD，而电容CSl和电容CS2连接到地。采样端CP和采样端CP被连接到的参考电压VCM=VDD/2。因此，在这个阶段，电容CSl和电容CS2充电到VDD/2，而电容CRl和电容CRl充电到-VDD/2。存储在任何电容器中的电荷Q都等于电容值和电容两端的电压差相乘。Q=C*V。其中C是电容值，V是电容两端的电压差值。本实施例中所述差分放大电路2为两级放大器，其中第一级放大器包括一差分放大器U1、电容CAZl、电容CAZ2、电容CFl和电容CF2。第二级放大器包括一差分放大器U2、电容Cgil、电容Cgi2、电容Cgfl和电容Cgf2。同样在当所有的开关Pl导通、所以开关P2断开时，所述差分放大电路2和所述采样电路I是完全断开的，同样所述差分放大电路2的第一级放大器和第二级放大器之间也是完全断开的，所以所述采样电路1、第一级放大器和第二级放大器之间不存在相互干扰。而且此时第一级放大器的导电通路是:所述差分放大器Ul的正输入端通过所述电容CAZl接入参考电压VCM，所述差分放大器Ul的负输入端通过所述电容CAZ2接入参考电压VCM。所述差分放大器Ul的正输入端和负输出端Voutnl电连接,所述差分放大器Ul的负输入端和正输出端Voutpl电连接。此时会把差分放大器Ul的零点偏移和低频噪声会分别存放在电容CAZl和电容CAZ2中。这样差分放大器Ul的零点偏移和低频率噪声，可在对采样电路I输出的采样电压的放大过程中被删除。所以本实施例通过电容CAZl和电容CAZ2把零点偏移和低频率噪声做成输出偏差，从而在此后对采样电路I输出的采样电压的放大过程中，就会因这个预先存放在电容CAZl和电容CAZ2中的零点偏移和低频率噪声和所述差分放大器Ul在对采样电路I输出的采样电压的放大过程中出现的零点偏移和低频率噪声互相抵消掉。因此，所述差分放大器Ul的零点偏移和低频率噪声对输出的影响也就被删除掉了。同样，所述第二级放大器中的导电通路是:所述差分放大器U2的正输入端通过电容Cgi I接入所述参考电压VCM，所述差分放大器U2的负输入端通过电容Cgi2接入所述参考电压VCM。而且所述差分放大器U2的正输入端和负输入端还与所述参考电压VCM电连接。所述差分放大器U2的正输入端和负输出端Voutn2电连接，并且所述差分放大器U2的负输入端和正输出端Voutp2电连接。此时第二级放大器和第一放大器的原理相同，对其自身的电压偏移等进行校正，具体的原理请参照第一级放大器，此处就不再赘述。如上所述，在所有的开关Pl导通，所有的开关P2断开时，本实施例的采样电路I对加速度传感器中的电容CSl和电容CS2进行采样，同时差分放大电路2中的第一级放大器和第二级放大器进行电压偏移等校正。并且通过隔离采样电路I和差分放大电路2中的第一级放大器和第二级放大器来防止各个电路之间的串扰等。本实施例中当所有的开关Pl断开，所有的开关P2导通时，所述采样电路I和差分放大电路2中的第一级放大器和第二级放大器电连接，所以将所述采样电路I采集的电容CSl和电容CS2的差值转化并放大为电压差值。具体地说，当所有的开关Pl断开，所有的开关P2导通时，所述采样电路I中的导电通路是:所述电源VDD既通过依次串接的电容CSl、采样端CP和电容CRl接地，也通过依次串接的电容CS2、采样端CM和电容CR2接地。而且所述采样端CP通过电容CAZl与差分放大器Ul的正输入端电连接。所述米样端CM通过电容CAZ2与差分放大器Ul的负输入端电连接。即电容CRl和电容CR2都被连接到地，而电容CSl和电容CS2连接到电源VDD。由于在所有的开关Pl导通，所有的开关P2断开时，所述采样端CP和采样端CM已被控制在VCM=VDD/2。根据电荷守恒的原理，电荷在所述采样端CP和采样端CM上应保持不变。因此，电容CSl和电容CRl中电荷差异(Qcsl-Qcrl)在此时被转移到电容CFl。电容CS2和电容CR2的电荷差异(Qcs2-Qcr2)在此时被转移到电容CF2。若本实施例中电容CRl的电容值等于电容CR2的电容值时，最终所述电容CFl和电容CF2之间的电荷差值实际上就是差分电荷(Qcsl-Qcrl) - (Qcs2-Qcr2) = (Qcsl_Qcs2)。同样，当所有的开关Pl断开，所有的开关P2导通时，所述差分放大电路2的第一级放大器和第二级放大器之间也是完全电连接的。其中所述第一级放大器的导电通路是:所述差分放大器Ul的正输入端与所述采样端CP之间串接所述电容CAZ1，所述差分放大器Ul的负输入端与所述采样端CM之间串接所述电容CAZ2。所述采样端CP与所述差分放大器Ul的负输出端Voutnl之间串接所述电容CF1，所述采样端CM与所述差分放大器Ul的正输出端Voutpl之间串接所述电容CF2。此时第一级放大器的导电通路就是现有的差分放大器的放大电路，所以根据差分放大器的放大原理，所述差分放大器Ul的正输出端Voutpl的输出为:Voutpl = (VDDX (CSl-CRl)+CF2XVCM)/CF2所述差分放大器Ul的负输出端Voutnl的输出为:Voutnl = (VDDX (CS2-CR2)+CFlXVCM)/CFl若本实施例中所述电容CFl的电容值等于电容CF2的电容值，即CF1=CF2=CF时，通过上述公式可以得到通过所述第一级放大器得到的电压差值AVoutl为:AVoutl =(Voutpl-Voutnl) = (VDDX (CS1-CS2))/CF[0068]若将AC定义为电容CSl和电容CS2的电容差值时，即Λ C=CS1_CS2时，可以得到AVoutl = VDDX AC/CF同理此时，所述第二级放大器的导电通路是:所述差分放大器U2的正输入端与所述差分放大器Ul的负输出端Voutnl之间串接所述电容Cgil，所述差分放大器U2的负输入端与所述差分放大器Ul的负输出端Voutpl之间串接所述电容Cgi2。所述差分放大器U2的正输入端与所述差分放大器U2的负输出端Voutn2之间串接所述电容Cgfl，所述差分放大器U2的负输入端与所述差分放大器U2的正输出端Voutp2之间串接所述电容Cgf2。同样，此时所述第二级放大器的导电通路也是现有的差分放大器的放大电路，若此时所述电容Cgil的电容值与电容Cgi2的电容值相同，即Cgil = Cgi2=Cgi，所述电容Cgfl的电容值与电容Cgf2的电容值相同，即Cgfl=Cgf2=Cgf。所以根据差分放大器的放大原理以及在所述第一级放大器所具体描述的计算原理，可以得到最终输出的电压差值AVout2 为:Δ Vout2 = (Voutp2-Voutn2) = VDDX ( Δ C/CF) X (Cgi/Cgf)从上述公式能看出这个差分输出电压AVout2是和加速度传感器的电容差值AC成正比。所以Λ Vout2能够表征加速度传感器的电容差值Λ C的变化，而且采用本实施例中的差分放大的形式，以及放大电路和采样电路的隔离的方式，能够有效地减少干扰和噪声。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型保护范围内。
权利要求1.一种差分式电容电压转换电路，用于将一电容差值转化为一电压差值，其特征在于，所述电容电压转换电路包括生成一时钟信号的一时钟信号源、一采样电路和一差分放大电路； 所述差分放大电路包括一差分放大器、一第一电容、一第二电容、一第三电容和一第四电容；所述米样电路包括一第一参考电容、一第二参考电容、一第一米样输出端和一第二米样输出端； 当所述时钟信号为高电平或低电平时，所述差分放大电路包括如下导电通路:所述差分放大器的正输入端和负输入端分别通过所述第一电容和所述第三电容接入一参考电压；所述差分放大器的正输入端和负输出端电连接；所述差分放大器的负输入端和正输出端电连接； 所述采样电路包括如下导电通路: 所述第一参考电容、第一米样输出端和一第一待测电容依次串接于一电源和地之间，所述第二参考电容、第二采样输出端和一第二待测电容依次串接于地和所述电源之间；所述第一采样输出端和第二采样输出端均与所述参考电压电连接； 当所述时钟信号反相时，所述差分放大电路包括如下导电通路: 所述差分放大器的正输入端与所述第一采样输出端之间串接所述第一电容，所述差分放大器的负输入端与所述第二采样输出端之间串接所述第三电容；所述第一采样输出端与所述差分放大器的负输出端之间串接所述第二电容，所述第二采样输出端与所述差分放大器的正输出端之间串接所述第四电容； 所述采样电路包括如下导电通路: 所述第一参考电容、第一米样输出端和一第一待测电容依次串接于地和所述电源之间，所述第二参考电容、第二采样`输出端和一第二待测电容也依次串接于所述电源和地之间。
2.如权利要求1所述的差分式电容电压转换电路，其特征在于，所述差分放大电路还包括一第一差分放大器、一第五电容、一第六电容、一第七电容和一第八电容； 当所述时钟信号为高电平或低电平时，所述差分放大电路还包括如下导电通路: 所述第一差分放大器的正输入端和负输入端分别通过所述第五电容和所述第七电容接入所述参考电压；所述第一差分放大器的正输入端和负输入端还与所述参考电压电连接；所述第一差分放大器的正输入端和负输出端电连接；所述第一差分放大器的负输入端和正输出端电连接； 当所述时钟信号反相时，所述差分放大电路还包括如下导电通路: 所述第一差分放大器的正输入端与所述差分放大器的负输出端之间串接所述第五电容，所述第一差分放大器的负输入端与所述差分放大器的正输出端之间串接所述第七电容；所述第一差分放大器的正输入端与所述第一差分放大器的负输出端之间串接所述第六电容，所述第一差分放大器的负输入端与所述第一差分放大器的正输出端之间串接所述第八电容。
3.一种加速度传感器检测系统，包括一加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器检测系统还包括如权利要求1或2所述的差分式电容电压转换电路，其中所述差分式电容电压转换电路用于将所述加速度传感器的电容差值转化为电压差值。
4.如权利要求3所述的加速度传感器检测系统，其特征在于，所述加速度传感器为MEMS加速度 传感器。
专利摘要本实用新型公开了一种差分式电容电压转换电路及加速度传感器检测系统。所述差分式电容电压转换电路，用于将一电容差值转化为一电压差值，并包括生成一时钟信号的一时钟信号源、一采样电路和一差分放大电路；所述差分放大电路包括一差分放大器、一第一电容、一第二电容、一第三电容和一第四电容；所述采样电路包括一第一参考电容、一第二参考电容、一第一采样输出端和一第二采样输出端，上述各个部件构成两个导电回路。本实用新型还公开了一种使用所述差分式电容电压转换电路的加速度传感器检测系统。本实用新型通过差分电路的方式来克服外部干扰和噪声，并利用不同的导电通路来消除放大器自身的电压偏移和噪声，从而提高采样精度和灵敏度。
文档编号G01P15/125GK202948026SQ201220633470
公开日2013年5月22日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者戴忠伟, 陈家驹 申请人:微动科技(杭州)有限公司