相关双采样的前端读出电路、电容数字转换器及传感器

1.本发明涉及模数转换技术领域，尤其涉及一种相关双采样的前端读出电路、电容数字转换器及传感器。


背景技术：

2.电容传感器由于其具有温度特性好，结构简单，动态响应好，灵敏度高，不消耗静态功耗等优点，已广泛应用于压力、湿度、加速度、位置以及流量等环境信号的测量。
3.而植入式医疗器械、智慧医疗等领域的蓬勃发展，对电容数字转换器提出了新的要求。可植入式医疗器械中压力传感器微系统要求系统体积通常是几立方毫米，因此电池体积小从而导致电池容量十分有限，并且无线充电效率低且技术复杂；电容数字转换器(cdc)要实现的目标就是将c
sens
转化为数字码值，所以cdc要求在实现中高等精度的同时满足超低功耗(达到nw级功耗)。
4.但目前的基于相关双采样的前端读出电路以及sar量化的电容数字转换器，由于需要进行两次预充阶段以及两次采样阶段，预充和采样阶段都需要运放正常工作，两次预充阶段加两次采样阶段的时间很长，导致整个电路由于需要运放正常工作而有较大的静态功耗，不能很好的满足超低功耗的同时实现中高等精度的模数量化。


技术实现要素：

5.本发明提供一种相关双采样的前端读出电路、电容数字转换器及传感器，提出了一种很好的满足超低功耗的同时实现中高等精度的模数量化的技术方案。
6.本发明实施例第一方面提供一种相关双采样的前端读出电路，所述前端读出电路包括：预充单元、采样转换单元以及运放单元；
7.在一次预充阶段，所述预充单元接收外接电压进行预充，同时所述采样转换单元中的第一电容阵列进行放电；
8.在一次采样阶段，所述运放单元将预充阶段得到的电荷转移至所述采样转换单元中进行采样；
9.在量化阶段，所述采样转换单元进行转换，得到量化结果。
10.可选地，所述预充单元包括：参考电容和传感器电容；
11.所述参考电容的下极板与第一多路选择开关的第一端连接，所述第一多路选择开关的第二端接地或者接收所述外接电压；
12.所述参考电容的上极板与所述传感器电容的上极板连接、所述采样转换单元以及所述运放单元分别连接；
13.所述传感器电容的下极板与第二多路选择开关的第一端连接，所述第二多路选择开关的第二端接地或者接收所述外接电压。
14.可选地，所述采样转换单元包括：所述第一电容阵列、第二电容阵列、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关；
15.所述第一电容阵列的上极板与所述第二开关的第一端连接，所述第二开关的第二端与所述第五开关的第二端、所述参考电容的第二端以及所述运放单元分别连接；
16.所述第一电容阵列的下极板与所述第一开关的第一端、所述第三开关的第一端分别连接，所述第一开关的第二端接收偏执电压，所述第三开关的第二端与所述第四开关的第一端、所述第六开关的第二端以及所述运放单元分别连接，所述第四开关的第二端接收所述偏执电压；
17.所述第二电容阵列的上极板与所述第六开关的第一端连接；
18.所述第二电容阵列的下极板与所述第五开关的第一端、所述第七开关的第一端分别连接，所述第七开关的第二端接收所述偏执电压。
19.可选地，所述运放单元包括：运算放大器、去噪电容、第八开关、第九开关、第十开关；
20.所述运算放大器的反相端与所述去噪电容的下极板、所述第九开关的第一端分别连接；
21.所述运算放大器的同相端与所述第十开关的第二端连接，并接收所述偏置电压；
22.所述运算放大器的输出端与所述第八开关的第一端、所述第九开关的第二端分别连接；
23.所述第八开关的第二端与所述第三开关的第二端连接；
24.所述去噪电容的上极板与所述第二开关的第二端、所述第十开关的第一端以及所述传感器电容的上极板分别连接。
25.可选地，在一次所述预充阶段内，对所述参考电容和所述传感器电容进行充电的同时，将失调电压和低频噪声存储于所述去噪电容上。
26.可选地，在一次所述预充阶段和一次所述采样阶段，所述运算放大器的输出端得到的输出电压v
out
为：
[0027][0028]
上式中，c
sens
表示所述传感器电容的电容量，c
ref
表示所述参考电容的电容量、c
dacp
表示所述第一电容阵列的电容量、c
dacn
表示所述第二电容阵列的电容量、v
dd
表示所述外接电压。
[0029]
可选地，在一次所述预充阶段内，所述第一多路选择开关的第二端接地，所述第二多路选择开关的第二端接收所述外接电压，对所述参考电容和所述传感器电容进行充电，同时，所述第一开关、所述第七开关、所述第八开关断开，其余开关均闭合，所述第一电容阵列进行放电；
[0030]
在一次所述采样阶段内，所述第一多路选择开关的第二端接收所述外接电压，所述第二多路选择开关的第二端接地，同时，所述第一开关、所述第四开关、所述第七开关、所述第九开关、所述第十开关断开，其余开关均闭合，所述第一电容阵列的上极板和所述第二电容阵列的下极板同时进行采样；
[0031]
在所述量化阶段，所述第一多路选择开关的第二端接收所述外接电压，所述第二多路选择开关的第二端接地，同时，所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关、所述第五开关、所述第六开关、所述第十开关断开，其余开关均闭合。
[0032]
可选地，在所述量化阶段，所述第一电容阵列和所述第二电容阵列各自的下极板均接收所述偏置电压，则所述第一电容阵列的上极板得到所述输出电压v
out
，所述第二电容阵列的上极板得到差分电压：2v
cm-v
out
。
[0033]
本发明实施例第二方面提供一种电容数字转换器，所述电容数字转换器包括如第一方面任一所述的前端读出电路。
[0034]
本发明实施例第三方面提供一种传感器，所述传感器包括如第一方面任一所述的前端读出电路。
[0035]
本发明提供的前端读出电路，在一次预充阶段，预充单元接收外接电压进行预充，同时采样转换单元中的第一电容阵列进行放电；在一次采样阶段，运放单元将预充阶段得到的电荷转移至采样转换单元中进行采样；在量化阶段，采样转换单元进行转换，得到量化结果。摒弃了传统的两次预充阶段以及两次采样阶段的方式，而所提出的新型相关双采样的前端读出电路仅需一次预充和一次采样操作，因此预充阶段的所需时间降低为原来的1/3，从而大大降低了运放的工作时间，间接降低了电容数字转换器的整体功耗。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1是目前相关双采样的前端读出电路的示意图；
[0038]
图2是本发明实施例一种优选的前端读出电路的结构示意图；
[0039]
图3是本发明实施例中，一次预充阶段的电路结构示意图；
[0040]
图4是本发明实施例中，一次采样阶段的电路结构示意图；
[0041]
图5是本发明实施例中，量化阶段的电路结构示意图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
发明人发现，目前的基于相关双采样的前端读出电路以及sar量化的电容数字转换器的工作原理，结合图1所示的目前相关双采样的前端读出电路的示意图进行说明。图1中c
ref
为参考电容、c
sens
为传感器电容、c
sample
为采用电容、v
os
为去噪电容、为运算放大器。＜pre-charge1＞表示第一次预充阶段、＜pre-charge2＞表示第二次预充阶段、＜sample2＞表示第二次采样阶段、＜sample2＞表示第二次采样阶段。前端读出电路的原理为：
[0044]
pre-charge1阶段：对c
ref
与c
sens
充电，并且对c
sample
进行放电。
[0045]
sample1阶段：将电荷量为q
sample1
＝(c
sens-c
ref
)*vdd的电荷通过运算放大器进行电荷转移，将电荷转移到c
sample
上，通过下式可得第一次采样输出的电压v
out1
为：
[0046][0047]
上式中，c
sens
表示传感器电容的电容量，c
ref
表示参考电容的电容量、c
ample
表示采样电容的电容量、vdd表示所述外接电压、v
ref
表示参考电压、v
os
表示去噪电容上的电压。
[0048]
之后pre-charge2阶段：对c
ref
与c
sens
充电，并且对c
sample
进行放电。
[0049]
sample2阶段：将电荷量为q
sample2
＝(c
sens-c
ref
)*vdd的电荷通过运算放大器进行电荷转移，将电荷转移到c
sample
上，通过下式可得第二次采样输出的电压v
out2
为：
[0050][0051]
则最终sar adc量化的输入电压v
out
为：
[0052][0053]
最终转移到sar adc上下电容阵列的电荷量q
sample
为：
[0054]qsample
＝q
sample1-q
sample2
＝2(c
ref-c
sens
)*vdd
[0055]
整个前端读出电路的主要目的就是将上式所示电荷量q
sample
转移到sar adc的电容阵列上。
[0056]
由于可以知晓，整个前端读出电路需要进行两次预充阶段以及两次采样阶段，预充和采样阶段都需要运放正常工作，两次预充阶段加两次采样阶段的时间很长，导致整个电路由于需要运放正常工作而有较大的静态功耗，不能很好的满足超低功耗的同时实现中高等精度的模数量化。
[0057]
针对上述问题，发明人创造性的提出了本技术的前端读出电路，摒弃了传统的两次预充阶段以及两次采样阶段的方式，所提出的新型相关双采样的前端读出电路仅需一次预充和一次采样操作，下文进行详细说明。
[0058]
本发明实施例的相关双采样的前端读出电路包括：预充单元、采样转换单元以及运放单元；在一次预充阶段，预充单元接收外接电压vdd进行预充，同时采样转换单元中的第一电容阵列进行放电；在一次采样阶段，运放单元将预充阶段得到的电荷转移至采样转换单元中进行采样；最终在量化阶段，采样转换单元利用偏置电压进行转换，得到最终的量化结果。
[0059]
具体的，参照图2，示出了本发明实施例一种优选的前端读出电路的结构示意图。图2中，预充单元包括：参考电容c
ref
和传感器电容c
sens
；参考电容c
ref
的下极板与第一多路选择开关s200的第一端连接，第一多路选择开关s200的第二端接地或者接收外接电压v
dd
。
[0060]
参考电容c
ref
的上极板与传感器电容c
sens
的上极板连接；传感器电容c
sens
的下极板与第二多路选择开关s300的第一端连接，第二多路选择开关s300的第二端接地或者接收外接电压v
dd
。实质上，第一多路选择开关s200和第二多路选择开关s300均为二选一开关，各自的第二端要么接地、要么接收外接电压v
dd
。
[0061]
采样转换单元包括：第一电容阵列c
dacp
、第二电容阵列c
dacn
、第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3、第四开关s4、第五开关s5、第六开关s6、第七开关s7。需要说明的是，第一电容阵列c
dacp
和第二电容阵列c
dacn
均为多个电容并联形成的阵列，图2中为了图示的简洁，以一个电容示例性的代表电容阵列。
[0062]
第一电容阵列c
dacp
的上极板与第二开关s2的第一端连接，第二开关s2的第二端与第五开关s5的第二端、参考电容cref的第二端以及运放单元分别连接；第一电容阵列c
dacp
的下极板与第一开关s1的第一端、第三开关s3的第一端分别连接，第一开关s1的第二端接收偏执电压v
cm
，第三开关s3的第二端与第四开关s4的第一端、第六开关s6的第二端以及运放单元分别连接，第四开关s4的第二端接收偏执电压v
cm
。
[0063]
第二电容阵列c
dacn
的上极板与第六开关s6的第一端连接；第二电容阵列c
dacn
的下极板与第五开关s5的第一端、第七开关s7的第一端分别连接，第七开关s7的第二端接收偏执电压v
cm
。
[0064]
运放单元包括：运算放大器cmp、去噪电容c
os
、第八开关s8、第九开关s9、第十开关s10；
[0065]
运算放大器cmp的反相端与去噪电容c
os
的下极板、第九开关s9的第一端分别连接；运算放大器cmp的同相端与第十开关s10的第二端连接，并接收偏置电压v
cm
。
[0066]
运算放大器cmp的输出端与第八开关s8的第一端、第九开关s9的第二端分别连接；第八开关s8的第二端与第三开关s3的第二端连接；可以理解的是，第八开关s8的第二端同样与第四开关s4的第一端、第六开关s6的第二端分别连接。
[0067]
去噪电容c
os
的上极板与第二开关s2的第二端、第十开关s10的第一端以及传感器电容c
sens
的上极板分别连接。可以理解的是，去噪电容c
os
的上极板同样与第五开关s5的第二端、参考电容c
ref
的上极板连接。
[0068]
本发明实施例的前端读出电路的原理为：
[0069]
在一次预充阶段内，第一多路选择开关s200的第二端接地，第二多路选择开关s300的第二端接收外接电压v
dd
，对参考电容c
ref
和传感器电容c
sens
进行充电，同时，第一开关s1、第七开关s7、第八开关s8断开，其余开关均闭合，第一电容阵列c
dacp
进行放电，同时，将失调电压和低频噪声存储于去噪电容c
os
上。该阶段的电路结构示意图如图3所示，需要说明的是，由于第一开关s1、第七开关s7断开，则相当于第一电容阵列c
dacp
的下极板通过闭合的第四开关s4接收一个偏置电压v
cm
，而没有通过第一开关s1接收偏执电压v
cm
，而第二电容阵列c
dacn
的下极板没有通过第七开关s7接收偏执电压v
cm
，而通过第十开关s10与偏置电压v
cm
连接，因此图3中没有示出第一开关s1、第七开关s7以及各自接收的偏执电压v
cm
。其余闭合的开关为了图示的简洁，直接以线条形式表示回路导通。
[0070]
一次预充阶段结束后，在一次采样阶段内，第一多路选择开关s200的第二端接收外接电压v
dd
，第二多路选择开关s300的第二端接地，同时，第一开关s1、第四开关s4、第七开关s7、第九开关s9、第十开关s10断开，其余开关均闭合，第一电容阵列c
dacp
的上极板和第二电容阵列c
dacn
的下极板同时进行采样。该阶段的电路结构示意图如图4所示，需要说明的是，和图3类似的，由于第一开关s1、第七开关s7断开，则相当于第一电容阵列c
dacp
的下极板没有通过第一开关s1接收偏执电压v
cm
，而第二电容阵列c
dacn
的下极板没有与偏置电压v
cm
连接，因此图4中没有示出第一开关s1、第七开关s7以及各自接收的偏执电压v
cm
。其余闭合的开关为了图示的简洁，直接以线条形式表示回路导通。
[0071]
根据预充阶段和采样阶段的电荷守恒可得下式：
[0072]
(v
cm-0)c
ref
+(v
cm-v
dd
)c
sens
＝(v
cm-v
dd
)c
ref
+(v
cm-0)c
sens
+(v
cm-v
out
)(c
dacn
+c
dacp
)
[0073]
因此，在一次预充阶段和一次采样阶段，运算放大器的输出端得到的输出电压v
out
为：
[0074][0075]
上式中，c
sens
表示传感器电容c
sens
的电容量，c
ref
表示参考电容c
ref
的电容量、c
dacp
表示第一电容阵列c
dacp
的电容量、c
dacn
表示第二电容阵列c
dacn
的电容量、v
dd
表示外接电压、v
cm
表示偏置电压。
[0076]
在一次预充阶段和一次采样阶段结束后，进入量化阶段。在量化阶段，第一多路选择开关s200的第二端接收外接电压v
dd
，第二多路选择开关s300的第二端接地，同时，第二开关s2、第三开关s3、第四开关s4、第五开关s5、第六开关s6、第十开关s10断开，其余开关均闭合。该阶段的电路结构示意图如图5所示，需要说明的是，和图3类似的，由于第一开关s1、第七开关s7闭合，则相当于第一电容阵列c
dacp
的下极板通过第一开关s1接收偏执电压v
cm
，而第二电容阵列c
dacn
的下极板通过第七开关s7接收偏执电压v
cm
，因此直接以线条形式表示回路导通，未示出第一开关s1和第七开关s7。其余闭合的开关为了图示的简洁，直接以线条形式表示回路导通。
[0077]
因此，在量化阶段，相当于第一电容阵列c
dacp
和第二电容阵列c
dacn
各自的下极板均接收偏置电压v
cm
，则第一电容阵列c
dacp
的上极板得到输出电压v
out
，第二电容阵列c
dacn
的上极板得到差分电压：2v
cm-v
out
。从而实现了adc量化的单转差，最终完成整个电容数字转换器的工作流程，而整个前端读出电路仅进行了一次预充阶段和一次采样阶段，就得到量化结果。
[0078]
基于上述相关双采样的前端读出电路，本发明实施例还提供一种电容数字转换器，所述电容数字转换器包括如上任一所述的前端读出电路。
[0079]
基于上述相关双采样的前端读出电路，本发明实施例还提供一种传感器，所述传感器包括如上任一所述的前端读出电路。
[0080]
通过上述示例，本发明摒弃了传统的两次预充阶段以及两次采样阶段的方式，而所提出的新型相关双采样的前端读出电路仅需一次预充和一次采样操作，因此预充阶段的所需时间降低为原来的1/3，从而大大降低了运放的工作时间，间接降低了电容数字转换器的整体功耗。
[0081]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0082]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。