相关双采样的前端读出电路、电容数字转换器及传感器制造技术

本发明专利技术提供了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，涉及模数转换技术领域。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。本发明专利技术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。容数字转换器的整体功耗。容数字转换器的整体功耗。

【技术实现步骤摘要】
相关双采样的前端读出电路、电容数字转换器及传感器


[0001]本专利技术涉及模数转换
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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)。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]在量化阶段，所述采样转换单元进行转换，得到量化结果。
[0010]可选地，所述预充单元包括：参考电容和传感器电容；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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。
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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。
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]所述第八开关的第二端与所述第三开关的第二端连接；
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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]本专利技术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]本专利技术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]本专利技术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专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相关双采样的前端读出电路，其特征在于，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；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；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；在量化阶段，所述采样转换单元进行转换，得到量化结果。2.根据权利要求1所述的前端读出电路，其特征在于，所述预充单元包括：参考电容和传感器电容；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；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；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。3.根据权利要求2所述的前端读出电路，其特征在于，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；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；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；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；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。4.根据权利要求3所述的前端读出电路，其特征在于，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；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；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；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；所述第八开关的第二端与所述第三开关的第二端连接；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。5.根据权利要求4所述的前端读出电路，...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏青江，鲁文高，游优，张雅聪，刘沣庆，孔佳祺，涂金生，李国良，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：