电容式加速度计传感器的接口电路制造技术

本发明专利技术涉及用于电容式加速度传感器(3)的接口电路(5)，所述接口电路用于测量由传感器(3)感测的加速度值。接口电路(5)包括多个电气开关(S1‑S7)和三个可编程电容器(Cf，Cref，Cp)。其中两个可编程电容器(Cf，Cref)被布置成实现接口电路(5)的增益调整，而其中一个可编程电容器(Cp)被布置成实现加速度范围选择。

Interface Circuit of Capacitive Accelerometer Sensor

【技术实现步骤摘要】
电容式加速度计传感器的接口电路
本专利技术涉及一种用于电容式加速度计传感器的接口电路，其用于将从电容式加速度计传感器接收的电荷转换为用于给定应用的有用信号。本专利技术还涉及一种用于操作接口电路的方法。
技术介绍
电容式加速度计是一种使用电容式感应技术测量(表面上的)加速度的加速度计装置。它可以感知和记录设备或装置上的加速度，并将此加速度转换为电流或电压。电容式加速度计有时也被称为振动传感器。它们包括用作连接到电子电路(也被称为接口电路)的电容式加速度计传感器的电容式微电子机械系统(MEMS)元件。当被电子电路供给时，MEMS元件将由于其加速度而产生的力转换为电信号，该电信号又被电子电路放大，并且转换为用于给定应用的有用信号(例如加速度的数字化表示)。在电容式MEMS加速度计中，存在加速度时MEMS电容的变化会产生电信号。电容式加速度计广泛用于计算和商业应用，例如汽车中的安全气囊展开传感器、人机交互设备和智能手机。图1a和1b中所示的电路示出了电容式加速度计系统或装置1的一个示例，电容式加速度计系统或装置1被简称为电容式加速度计或加速度计。加速度计包括电容式加速度计传感器3和连接到电容式加速度计传感器3的模拟前端接口电路5。该示例中的传感器包括两个电容器，即具有第一电容c1的第一电容器C1和具有第二电容c2的第二电容器C2。第一电容器C1和第二电容器C2具有一个公共的可动电极，其被布置成当传感器3经受加速或减速时产生位移。该位移使得在c1和c2之间产生电容差，该电容差然后可以由接口电路5检测。接口电路的操作可以分为三个主要操作阶段：自动归零(AZ)阶段、电荷转移(XFER)阶段和模拟-数字转换阶段。图1a显示了AZ阶段的电路配置，而图1b显示了XFER阶段的电路配置。如结合图2更好地解释的，模拟-数字转换阶段可以进一步分成两个子阶段，即输入跟踪阶段和逐次逼近寄存器(SAR)收敛阶段。电荷可以通过施加两个电压极性中的每一个电压极性的两个连续阶段(即，限定电荷转移时段或持续时间的第一阶段和第二阶段)——即AZ阶段和XFER阶段——而从电容式加速度计传感器3的可动电极收集。在AZ阶段期间，接口电路5的第一放大器7被重置。放大器的正输入节点连接到电压源VCM1，所述电压源VCM1在该示例中供给被称为共模电压Vcm的电压，而第一放大器7的负输入节点连接到传感器3。在XFER阶段期间，电荷被传送到第一放大器7，第一放大器7将这些电荷在放大器输出节点Aout处转换为输出电压值Vout。如图1a和1b所示，第一电容器C1连接到第二电压源12，而第二电容器C2连接到第三电压源13。这两个电压源12、13可以是可编程的，或者它们可以具有电源电压VDD或VSS的输出。如图1a所示，在AZ阶段期间，开关S11闭合，并且第一电容器C1连接到现正在供给正电源电压VDD的第二电压源12，而第二电容器C2连接到现在被设定为0V的第三电压源，即第三电压源13现在接地。如图1b所示，在XFER阶段期间，开关S11首先断开，第二电压源12被设定为0V，而第三电压源13现正在供给正电源电压VDD。在XFER阶段结束时，放大器输出节点Aout处的输出电压为Vout＝VDD·(c1-c2)/cf，其中cf是反馈电容器Cf的电容。节点Aout处的输出电压值Vout可以通过模数转换器(ADC)9数字化。众所周知，逐次逼近寄存器型模数转换器(SARADC)对于具有中等分辨率的低功率设计是有利的选择。图2中示出了基于电荷再分配方法的ADC9的单端实现(single-endedimplementation)。在输入跟踪阶段，开关S12和S22闭合，而开关S32和S42断开。开关S32连接到供给正电源电压VDD的电压源VDD，而开关S42连接到被设置为0V的电压源VSS。节点Aout处的输入电压Vin由电容器阵列Cdac追踪，其中Vin＝Vout。第二放大器11在输入跟踪阶段被用作放大器。在SAR收敛阶段期间，开关S12和S22断开，而开关S32和S42由SAR算法(即二进制搜索算法)控制。第二放大器11仅在该阶段期间用作比较器。正输入节点连接到用于供给共模电压Vcm的电压源VCM2。输入电压值Vin按如下被数字化Dout＝Vin/VDD，其中Dout是量化的分数值。由于VDD也用作加速度计1中的ADC9的参考电压，因此数字化的加速度可被表示为Dout＝(c1-c2)/cf，其中Dout是一个量化的分数。对于加速度计1，还需要能够调整增益，其被定义为：增益＝Dout/(c1-c2)＝1/cf需要使反馈电容器Cf可编程以适应通常在几fF至几十fF范围内的c1-c2值。此外，反馈电容器Cf是小电容器，例如2g模式下的80fF(1g是由于地球表面处的引力引起的加速度)。很难使这样一个小电容器实现可编程且具有能实现精细的增益大小的可编程性，例如80fF的1％。由于反馈电容器Cf是浮动电容器，因此难以管理用于实现可编程性的开关的寄生电容的影响。另外，为了适应用于加速度计1的例如2g、4g、8g和16g的大加速度输入范围，需要cf的不同可编程值，例如2g范围模式中的80fF、4g范围模式中的160fF、8g范围模式中的320fF、16g范围模式中的640fF。设置反馈电容器Cf以同时实现针对增益大小和范围调整两者的可编程性要求是非常具有挑战性的。专利申请US2015/0268284A1描述了一种用于连接加速度计(MEMS)的设备和方法。该设备包括连接到MEMS电容器的接口电路。接口电路包括放大器积分器，所述放大器积分器在输入端通过开关连接到MEMS电容器。放大器的输出端连接到比较器，所述比较器提供相对于电容器MEMS上的电荷的输出信号。在比较器的输出端和放大器积分器之间提供反馈回路，其中反馈电容器被设置为用于也调谐所述设备的增益。其未被设置成实施反馈电容器以同时实现针对增益大小和范围调整两者的可编程性要求，这是一个缺点。专利申请US2010/0231237A1描述了一种具有用于测量物理参数的电容传感器的电子电路。该传感器包括差别地安装的两个电容器，所述电容器的公共电极连接到电荷转移放大器的一个输入端。积分器连接到电荷转移放大器的输出端，并由动态比较器控制。没有提供装置来实施反馈电容器以同时实现针对增益大小和范围调整两者的可编程性要求，这是一个缺点。专利申请US2015/0280668A1描述了一种电容式可编程增益放大器，但没有提供装置以用于同时容易地调节增益大小和范围调整，这是它的一个缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服电容式加速度计传感器接口电路中的放大器反馈电容器的可编程性问题。根据本专利技术的第一方面，提供了一种如权利要求1所述的用于电容式加速度计传感器的接口电路。所提出的新解决方案的优点在于，增益调整和范围选择的物理实现比现有解决方案容易得多，因为与现有解决方案相反，可编程负担被分至不同的电容器，而在现有解决方案中这些任务由单个电容器完成。更具体地说，根据本专利技术，可以通过接地的电容器来执行精细大小的增益调整，这使得精确的增益调整变得相对容易。具有粗增益大小的加速度范围选择调整可以由两个可编程的浮动电容器来执行。根据本专利技术的第二方面，提供了一种如权利要求9所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电容式加速度计的传感器(3)的接口电路(5)，所述接口电路用于测量由所述传感器(3)感测的加速度值，所述接口电路(5)包括：‑放大器(15)，该放大器包括连接到所述传感器(3)的第一输入节点(23)、连接到第一电压源(17)的第二输入节点，以及输出节点(21)；‑第一放大器反馈电路(19)，该第一放大器反馈电路包括在所述第一输入节点(23)和所述输出节点(21)之间的第一开关(S1)；‑在所述第一输入节点(23)和所述输出节点(21)之间的第二放大器反馈电路(25)，该第二放大器反馈电路包括：第一可编程电容器(Cf)和与所述第一可编程电容器(Cf)串联的第二开关(S2)，以及连接到所述第一可编程电容器(Cf)和所述第二开关(S2)之间的第一电路节点(26)并连接到第一接地节点的第三开关(S3)；‑连接到所述第一输入节点(23)和第二电路节点(27)的第二可编程电容器(Cref)，如此通过第一可编程电容器(Cf)和第二可编程电容器(Cref)实现加速度范围选择；‑电容器组(Cdac)，其与所述第二可编程电容器(Cref)串联且连接到所述第二电路节点(27)并通过开关组(S6，S7)连接到电压源组(32，33)；‑连接在第二接地节点和所述第二电路节点(27)之间的第三可编程电容器(Cp)，如此通过调节第三可编程电容器(Cp)的电容值来实现所述接口电路(5)的增益调整；和‑与第三可编程电容器(Cp)并联并连接在所述第二电路节点(27)和所述第二接地节点之间的第四开关(S4)。...

【技术特征摘要】
2017.06.15 EP 17176258.61.一种用于电容式加速度计的传感器(3)的接口电路(5)，所述接口电路用于测量由所述传感器(3)感测的加速度值，所述接口电路(5)包括：-放大器(15)，该放大器包括连接到所述传感器(3)的第一输入节点(23)、连接到第一电压源(17)的第二输入节点，以及输出节点(21)；-第一放大器反馈电路(19)，该第一放大器反馈电路包括在所述第一输入节点(23)和所述输出节点(21)之间的第一开关(S1)；-在所述第一输入节点(23)和所述输出节点(21)之间的第二放大器反馈电路(25)，该第二放大器反馈电路包括：第一可编程电容器(Cf)和与所述第一可编程电容器(Cf)串联的第二开关(S2)，以及连接到所述第一可编程电容器(Cf)和所述第二开关(S2)之间的第一电路节点(26)并连接到第一接地节点的第三开关(S3)；-连接到所述第一输入节点(23)和第二电路节点(27)的第二可编程电容器(Cref)，如此通过第一可编程电容器(Cf)和第二可编程电容器(Cref)实现加速度范围选择；-电容器组(Cdac)，其与所述第二可编程电容器(Cref)串联且连接到所述第二电路节点(27)并通过开关组(S6，S7)连接到电压源组(32，33)；-连接在第二接地节点和所述第二电路节点(27)之间的第三可编程电容器(Cp)，如此通过调节第三可编程电容器(Cp)的电容值来实现所述接口电路(5)的增益调整；和-与第三可编程电容器(Cp)并联并连接在所述第二电路节点(27)和所述第二接地节点之间的第四开关(S4)。2.根据权利要求1所述的接口电路(5)，其中，所述接口电路(5)还包括在所述第一输入节点(23)与所述传感器(3)之间的第五开关(S5)。3.根据权利要求2所述的接口电路(5)，其中，所述开关组(S6，S7)包括第六开关(S6)和与所述第六开关(S6)并联的第七开关(S7)。4.根据权利要求3所述的接口电路(5)，其中，所述第六开关(S6)包括第一开关电路，所述第七开关(S7)包括第二开关电路。5.根据权利要求1所述的接口电路(5)，其中，所述第一可编程电容器(Cf)和第二可编程电容器(Cref)的电容值基本相同。6.根据权利要求1所述的接口电路(5)，其中，所述放大器(15)被布置成在所述第一开关(S1)和所述第二开关(S2)断开时用作比较器。...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶永红，S·格罗斯让，JM·达加，
申请(专利权)人：EM微电子马林有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH