电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路的制作方法

本实用新型涉及传感器技术领域，特别是涉及一种电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路。

背景技术：

电容型MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）惯性传感器包含MEMS陀螺和加速度计，是将物体运动角速度或加速度转换为电容值的微型传感器，具有微型化、低功耗、低成本等优势。目前常见电容型MEMS惯性传感器接口电路有开环检测和闭环检测两种方式。闭环检测是将电容检测结果通过静电力反馈到传感器敏感质量块上构成负反馈环路，达到传感器质量块在中心位置附近变化的效果。闭环检测相对于开环检测具有线性度高、可靠性高、精度高等优势。

闭环检测时，驱动脉冲可以通过寄生电容耦合到检测端口，影响检测准确性，现有的电容-电压转换电路缺少针对于这种耦合现象的克服措施。另外现存技术中电容-电压的噪声过高，转换精度不够，能检测的电容一般只能达到fF级别。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路，检测准确性高、噪声低且转换精度高。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路，包括输入共模反馈模块、第一放大模块和第二放大模块；

所述输入共模反馈模块的反相输入端与电容型MEMS惯性传感器的输出端和所述第一放大模块的输入端电连接；所述输入共模反馈模块的反馈输出端与所述电容型MEMS惯性传感器的输出端和所述第一放大模块的输入端电连接；所述输入共模反馈模块的正相输入端接地；

所述第一放大模块的输出端与所述第二放大模块的输入端电连接；

所述第一放大模块还与第一复位信号输入端连接，所述第二放大模块还与第二复位信号输入端连接；在所述第一复位信号输入端停止输入第一复位信号预设时间后，所述第二复位信号输入端再停止输入第二复位信号。

优选的，所述输入共模反馈模块包括第一放大器、第一电容C1和第二电容C2；

所述第一放大器的反相输入端分别与所述电容型MEMS惯性传感器的两个输出端电连接，正相输入端接地；

所述第一电容C1的一端连接所述第一放大器的输出端，另一端电连接所述电容型MEMS惯性传感器的第一输出端和所述第一放大模块的输入端；

所述第二电容C2的一端连接所述第一放大器的输出端，另一端电连接所述电容型MEMS惯性传感器的第二输出端和所述第一放大模块的输入端。

优选的，所述第一放大模块包括第二放大器、第三电容C3和第四电容C4；

所述第二放大器的反相输入端和正相输入端与所述电容型MEMS惯性传感器的两个输出端电连接；所述第二放大器的正相输出端通过所述第三电容器C3与所述第二放大器的反相输入端电连接；所述第二放大器的反相输出端通过所述第四电容器C4与所述第二放大器的正相输入端电连接；

所述第三电容C3两端和所述第四电容C4两端均还与第一复位信号输入端连接。

优选的，所述第二放大模块包括第三放大器、第五电容C5和第六电容C6；

所述第三放大器的正相输出端通过所述第五电容C5与所述第三放大器的反相输入端电连接；所述第三放大器的反相输出端通过所述第六电容C6与所述第三放大器的正相输入端电连接；

所述第五电容C5两端和所述第六电容C6两端均还与第二复位信号输入端连接。

优选的，所述第二放大模块还包括第七电容C7和第八电容C8；所述第三放大器的反相输入端通过所述第七电容C7与所述第二放大器的正相输出端电连接；所述第三放大器的正相输入端通过所述第八电容C8与所述第二放大器的反相输出端电连接。

优选的，还包括斩波模块；所述斩波模块的输入端与所述电容型MEMS惯性传感器的输出端电连接；所述斩波模块的输出端与所述输入共模反馈模块的输入端和所述第一放大模块的输入端电连接。

优选的，所述斩波模块包括多个自举开关；每个所述自举开关的控制信号端与外接控制信号电连接；每个所述自举开关的输入/输出端分别与电容型MEMS惯性传感器的输出端和第一放大模块的输入端电连接。

优选的，每个所述自举开关包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管MN5、第六NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第十一电容C11和反相器INV；

所述第一NMOS管的源极与所述第十一电容C11的第一端、所述第四NMOS管的漏极和所述第五NMOS管的源极电连接；所述第一NMOS管的栅极与所述第一PMOS管的栅极、所述第二PMOS管的栅极、所述第二PMOS管的漏极和所述第六NMOS管的栅极连接；所述第一NMOS管的漏极与所述第六NMOS管的漏极连接，并与所述自举开关的输入端电连接；

所述第一PMOS管的源极接外部电源，所述第一PMOS管的漏极与所述第十一电容C11的第二端电连接；

所述第二PMOS管的源极与所述第十一电容C11的第二端电连接；所述第二PMOS管的漏极还与所述第二NMOS管的漏极电连接；所述第二PMOS管的栅极还与所述第三PMOS管的漏极和所述第二NMOS管的漏极电连接；

所述第二NMOS管的栅极与外部电源连接，所述第二NMOS管的源极与所述第三NMOS管的漏极电连接；

所述第三NMOS管的栅极与所述第四NMOS管的栅极和所述反相器INV的输出端电连接，所述第三NMOS管的源极接地；

所述第四NMOS管的栅极还与所述反相器的输出端电连接，所述第四NMOS管的源极接地，所述第四NMOS管的漏极还与所述第五NMOS管的源极电连接；

所述第五NMOS管的栅极与所述反相器INV的输入端和所述第三PMOS管的栅极电连接，并与所述自举开关的输入端电连接；所述第五NMOS管的漏极还与所述第三PMOS管的漏极电连接；

所述第三PMOS管的源极接外部电源；

所述第六NMOS管的源极作为所述自举开关的输出端。

优选的，还包括配平电容模块；所述配平电容模块的输出端与所述电容型MEMS惯性传感器的输出端电连接；所述配平电容模块的输入端与外部信号设备连接。

优选的，所述配平电容模块包括相并联的第九电容C9和第十电容C10。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：上述电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路，输入共模反馈模块能够将由电容型MEMS惯性传感器传送来的信号经过处理后反馈回去，然后两个放大模块对经过反馈后的信号进行处理，在第一复位信号输入端停止输入第一复位信号预设时间后，第二复位信号输入端再停止输入第二复位信号，使得整个电路的检测精度高且能够降低噪声。

附图说明

图1是本实用新型电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路一个实施例中的电路示意图；

图2是本实用新型电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路一个实施例中的自举开关的电路示意图；

图3是本实用新型电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路一个实施例中控制时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参见图1，一个实施例中，电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路可以包括输入共模反馈模块100、第一放大模块200和第二放大模块300。输入共模反馈模块100的反相输入端与电容型MEMS惯性传感器600的输出端和第一放大模块200的输入端电连接。输入共模反馈模块100的反馈输出端与电容型MEMS惯性传感器600的输出端和第一放大模块200的输入端电连接。输入共模反馈模块100的正相输入端接地。第一放大模块200的输出端与第二放大模块300的输入端电连接。第一放大模块200还与第一复位信号输入端连接，第二放大模块300还与第二复位信号输入端连接。在第一复位信号输入端停止输入第一复位信号预设时间后，第二复位信号输入端再停止输入第二复位信号。

作为一种可实施方式，输入共模反馈模块100可以包括第一放大器A1、第一电容C1和第二电容C2。第一放大器A1的反相输入端分别与电容型MEMS惯性传感器600的两个输出端电连接。第一放大器A1的正相输入端接地。第一电容C1的一端连接第一放大器A1的输出端，另一端电连接电容型MEMS惯性传感器600的第一输出端和第一放大模块200的输入端。第二电容C2的一端连接第一放大器A1的输出端，另一端电连接电容型MEMS惯性传感器600的第二输出端和第一放大模块200的输入端。

作为一种可实施方式，第一放大模块200可以包括第二放大器A2、第三电容C3和第四电容C4。第二放大器A2的反相输入端和正相输入端与电容型MEMS惯性传感器600的两个输出端电连接。第二放大器A2的正相输出端通过第三电容器C3与第二放大器A2的反相输入端电连接。第二放大器A2的反相输出端通过第四电容器C4与第二放大器A2的正相输入端电连接。第三电容C3两端和第四电容C4两端均还与第一复位信号输入端连接。

作为一种可实施方式，第二放大模块300可以包括第三放大器、第五电容C5和第六电容C6。第三放大器A3的正相输出端通过第五电容C5与第三放大器A3的反相输入端电连接。第三放大器A3的反相输出端通过第六电容C6与第三放大器A3的正相输入端电连接。第五电容C5两端和第六电容C6两端均还与第二复位信号输入端连接。

其中，第二放大模块300的复位信号在第一放大模块200的复位信号结束一段时间后再结束，可以将第一级低频噪声存储在第二级的输入电容上，完成对低频噪声的相关双采样，从而降低整体噪声。

进一步的，第二放大模块300还可以包括第七电容C7和第八电容C8。第三放大器A3的反相输入端通过第七电容C7与第二放大器A2的正相输出端电连接。第三放大A3的正相输入端通过第八电容C8与第二放大器A2的反相输出端电连接。

优选的，电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路还可以包括斩波模块400。斩波模块400的输入端与电容型MEMS惯性传感器600的输出端电连接。斩波模块400的输出端与输入共模反馈模块100的输入端和第一放大模块200的输入端电连接。采用斩波技术，将有用信号两次调制，低频噪声一次调制高频信号处，然后通过滤波可以降低电路整体噪声。

优选的，斩波模块400可以包括多个自举开关。每个自举开关的控制信号端与外接控制信号电连接。每个自举开关的输入/输出端分别与电容型MEMS惯性传感器的输出端和第一放大模块200的输入端电连接。自举开关的输入/输出端包括输入端和输出端。其中，自举开关的输入端和输出端可互换。

参见图1，一个实施例中，每个自举开关可以包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第十一电容C11和反相器INV。

其中，第一NMOS管MN1的源极与第十一电容C11的第一端、第四NMOS管MN4的漏极和第五NMOS管MN5的源极电连接。第一NMOS管MN1的栅极与第一PMOS管MP1的栅极、第二PMOS管的栅极MP2、第二PMOS管的漏极MP2和第六NMOS管MN6的栅极连接。第一NMOS管MN1的漏极与第六NMOS管MN6的漏极连接，并与自举开关的输入端电连接。第一PMOS管MP1的源极接外部电源VDD，第一PMOS管MP1的漏极与第十一电容C11的第二端电连接。第二PMOS管MP1的源极与第十一电容C11的第二端电连接。第二PMOS管MP1的漏极还与第二NMOS管MN2的漏极电连接。第二PMOS管MP2的栅极还与第三PMOS管MP3的漏极和第二NMOS管MN2的漏极电连接。

第二NMOS管MN2的栅极与外部电源连接，第二NMOS管MN2的源极与第三NMOS管MN3的漏极电连接。第三NMOS管MN3的栅极与第四NMOS管MN4的栅极和反相器INV的输出端电连接。第三NMOS管MN3的源极接地。第四NMOS管MN4的栅极还与反相器INV的输出端电连接。第四NMOS管MN4的源极接地。第四NMOS管MN4的漏极还与第五NMOS管MN5的源极电连接。第五NMOS管MN5的栅极与反相器INV的输入端和第三PMOS管MP3的栅极电连接，并与自举开关的输入端电连接。第五NMOS管MN5的漏极还与第三PMOS管MP3的漏极电连接。第三PMOS管MP3的源极接外部电源。第六NMOS管MN6的源极作为自举开关的输出端。

可以理解的，电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路，主要采用电荷转移的方法完成电容的测量，需要采用多个开关，为降低开关漏电以及开关电阻噪声的影响，以及提高开关的输入输出范围，采用自举开关产生负压以严格关闭MOS开关，产生高于电源电压的电压开启开关，降低阻抗，增加输入范围。

参见图1，一个实施例中，电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路还可以配平电容模块500。配平电容模块500的输出端与电容型MEMS惯性传感器600的输出端电连接。配平电容模块500的输入端与外部信号设备连接。其中，配平电容模块500可以包括相并联的第九电容C9和第十电容C10。第九电容C9与第二放大器A2的正相输入端电连接。第十电容C10与第二放大器A2的反相输入端电连接。其中，与检测电容构成全桥的配平电容模块500中的电容单独可调，可以灵活调节检测零位。

另外，电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路的检测端口构成全桥检测，检测电路采用全差分结构，能够提高电路的抗噪能力。

进一步的，合理设计电容检测时的时序控制，在驱动信号跳变时，对电容-电压转换电路进行复位，消除驱动信号对检测信号的影响。具体的，参见图1和图2，容型MEMS惯性传感器中EM对应输入EM信号，电容C11对应输入驱动信号1，电容C12对应输入驱动信号2。第一复位信号即为复位信号1，第二复位信号即为复位信号2。第一放大模块200的第一复位信号输入端对应输入复位信号1。第二放大模块300的第二复位信号输入端对应输入复位信号2。配平电容模块500的输入端EMB对应输入EMB信号。

由图2可知，在驱动信号的电平发生变化时，复位信号进行复位，使驱动信号耦合到检测端口的电压不影响到检测。然后在复位结束后，使电容型MEMS惯性传感器的质量块上的脉冲信号跳变，完成电荷转移，测得可变电容的变化。而且复位信号2在复位信号1结束一段时间后再结束，可以将第一级低频噪声存储在第二级的输入电容上，完成对低频噪声的相关双采样，从而降低整体噪声。其中，第一放大模块200对应存储第一级低频噪声。第二放大模块300对应存储第二级低频噪声。

上述电容型MEMS惯性传感器闭环检测的电容电压转换电路，可以实现较高动态范围、极低的噪声基底，以及对闭环检测中交叉耦合干扰的抑制能力，形成IP核，用作高精度电容型MEMS惯性传感器的专用集成电路开发。

在抑制噪声影响上：首先该电路采用全差分结构，消除共模噪声的影响，也可以有效的减弱衬底噪声等外界噪声的影响；然后采用斩波技术，将有用信号两次调制，低频噪声一次调制高频信号处，然后通过滤波可以降低电路整体噪声；另外第二级放大复位信号在第一级放大复位结束一段时间后再结束，可以将第一级低频噪声存储在第二级的输入电容上，完成对低频噪声的相关双采样，从而降低整体噪声。

在控制时序设计上：设计电容-电压转换电路时序，使该电路在驱动脉冲信号发生跳变时复位，使驱动信号耦合到检测端口的电压不影响到检测。然后在复位结束后，使质量块上的脉冲信号跳变，完成电荷转移，测得可变电容的变化。

在自举开关上：电容-电压电路主要采用电荷转移的方法完成电容的测量，需要采用多个开关，为降低开关漏电以及开关电阻噪声的影响，以及提高开关的输入输出范围，采用自举开关产生负压以严格关闭MOS开关，产生高于电源电压的电压开启开关，降低阻抗，增加输入范围。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。