CN103176052A

CN103176052A - 电容式传感器接口电路

Info

Publication number: CN103176052A
Application number: CN 201110430249
Authority: CN
Inventors: 陈英; 辛平
Original assignee: SUZHOU XUELIN ELECTRIC APPLIANCE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU XUELIN ELECTRIC APPLIANCE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-26

Abstract

本发明公开了一种电容式传感器接口电路，包括：电荷传送电路、检测电路和差分放大电路，所述电荷传送电路和检测电路为对称结构，所述差分放大电路接于电荷传送电路和检测电路之后。通过上述方式，本发明能够保持了电荷传送电路检测微小电容变化不受寄生电容的影响，大大提高了电路的稳定性和检测灵敏度。

Description

电容式传感器接口电路

技术领域

本发明涉及传感器接口电路领域，特别是涉及一种电容式传感器接口电路。

背景技术

电容式硅微传感器系统被广泛应用于机车、医疗和工业控制等领域，检测电容和信号处理电路的接口是此类微系统设计的主要问题之一，在很多情形下，接口决定了微传感器系统对检测量的分辨率，在微系统中，往往有较大的寄生电容与检测电容同时存在，大的寄生电容会在很大程度上降低接口电路对微变检测电容的分辨率。

传统的用于此类微小电容检测的接口电路结构复杂，且其分辨率易受寄生电容影响。一些结构简单的开关电容电路提供了全集成的解决方案，但由于其与电容式传感器接口处MOS开关的电荷注入和引入的误差使电路的性能受到限制。用于检测微小电容变化的电荷传送电路不受寄生电容的影响，且目前的电荷准电压和微变检测电容初始值的微小变化而发生大的漂移也限制了其分辨率的提高。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种电容式传感器接口电路，能够保持了电荷传送电路检测微小电容变化不受寄生电容的影响，大大提高了电路的稳定性和检测灵敏度。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种电容式传感器接口电路，包括：电荷传送电路、检测电路和差分放大电路，所述电荷传送电路和检测电路为对称结构，所述差分放大电路接于电荷传送电路和检测电路之后。

在本发明一个较佳实施例中，所述电荷传送电路包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一放大器和第二放大器，所述第二开关、第三开关和第五开关并联一端接地，另一端与串联的第一电容、第二电容、第三电容和第四电容一端相连，所述第一电容和第四电容另一端接地，所述第一开关并接第一电容一端，所述第六开关并接第四电容一端，所述第四开关一端接于第二电容和第三电容之间，另一端接第一放大器，所述第二放大器与第一放大器串联并接于第一放大器之后。

在本发明一个较佳实施例中，所述检测电路包括：第七开关、第八开关、第九开关、第十开关、第十一开关、第十二开关、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第三放大器和第四放大器，所述第八开关、第九开关和第十一开关并联一端接地，另一端与串联的第五电容、第六电容、第七电容、第八电容一端相连，所述第五电容和第八电容另一端接地，所述第七开关并接第五电容一端，所述第十二开关并接第八电容一端，所述第十开关一端接于第六电容和第七电容之间，另一端接第三放大器，所述第四放大器与第三放大器串联并接于第三放大器之后。

在本发明一个较佳实施例中，所述第二电容和第三电容为微变电容，所述第一电容和第四电容为寄生电容。

在本发明一个较佳实施例中，所述第六电容和第七电容为参考微变电容，所述第五电容和第八电容为参考寄生电容。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关为CMOS开关。

在本发明一个较佳实施例中，所述第七开关、第八开关、第九开关、第十开关、第十一开关、第十二开关为CMOS开关。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一放大器反相输入端接第一电阻、第九电容和第十电容一端，所述第一电阻和第九电容另一端和第二放大器的同相输入端接第一放大器得输出端，所述第十电容另一端接第一放大器同相输入端并接地，所述第二运算放大器的反相输入端接差分放大电路。

在本发明一个较佳实施例中，所述第三放大器反相输入端接第二电阻、第十一电容和第十二电容一端，所述第二电阻和第十一电容另一端和第四放大器的同相输入端接第三放大器得输出端，所述第十二电容另一端接第三放大器同相输入端并接地，所述第四运算放大器的反相输入端接差分放大电路。

在本发明一个较佳实施例中，所述差分放大电路包括：第五放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第十三电容，所述第五放大器同相输入端接并联的第四电阻和第六电阻并接地，所述第五放大器反相输入端接并联的第三电阻和第五电阻，所述第五电阻另一端与第五放大器输出端和第七电阻一端相连，所述第七电阻与第十三电容串联接地。

本发明的有益效果是：本发明电容式传感器接口电路以电荷传送电路为接口的微变电容式传感器系统中引入参考微变电容及相应的检测电路，通过将此电路部分的输出与检测电路部分的输出进行差分放大，即可获得工作点不随基准电压及检测电容初值变化，并具有较高分辨率的输出信号，此外，此电路能够使电荷传送电路检测微小电容变化不受寄生电容的影响。

附图说明

图1是本发明电荷传送电路原理示意图；

附图中各部件的标记如下：1、电荷传送电路 2、检测电路 3、差分放大电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：电荷传送电路1、检测电路2和差分放大电路3，电荷传送电路1和检测电路2为对称结构，差分放大电路3接于电荷传送电路1和检测电路2之后。

电荷传送电路1包括：开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、电容CP2、电容CS1、电容CS2、电容CP1、放大器U1和放大器U2，开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6为CMOS开关，电容CS1和电容CS2为微变电容，电容CP2和电容CP1为寄生电容，开关S2、开关S3和开关S5并联一端接地，另一端与串联的电容CP2、电容CS1、CS2电容和电容CP1一端相连，电容CP2和电容CP1另一端接地，开关S1并接电容CP2一端，开关S6并接电容CP1一端，开关S4一端接于电容CS1和电容CS2之间，另一端接放大器U1，放大器U2与放大器U1串联并接于放大器U1之后, 放大器U1反相输入端接电阻Rf1、电容Cf1和电容Cd1一端，电阻Rf1和电容Cf1另一端和放大器U2的同相输入端接放大器U1的输出端，电容Cd1另一端接放大器U1同相输入端并接地，运算放大器U2的反相输入端接差分放大电路3。

检测电路2包括：开关S7、开关S8、开关S9、开关S10、开关S11、开关S12、电容CP3、电容CR1、电容CR2、电容CP4、放大器U3和放大器U4，开关S7、开关S8、开关S9、开关S10、开关S11、开关S12为CMOS开关，电容CR1和电容CR2为参考微变电容，电容CP3和电容CP4为参考寄生电容，开关S8、开关S9和开关S11并联一端接地，另一端与串联的电容CP3、电容CR1、电容CR2、电容CP4一端相连，电容CP3和电容CP4另一端接地，开关S7并接电容CP3一端，开关S12并接电容CP4一端，开关S10一端接于电容CR1和电容CR2之间，另一端接放大器U3，放大器U4与放大器U3串联并接于放大器U3之后，放大器U3反相输入端接电阻Rf2、电容Cf2和电容Cd2一端，电阻Rf2和电容Cf2另一端和放大器U4的同相输入端接放大器U3的输出端，电容Cd2另一端接放大器U3同相输入端并接地，运算放大器U4的反相输入端接差分放大电路3。

差分放大电路3包括：放大器U5、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻Rf和电容Cf，放大器U5同相输入端接并联的电阻R2和电阻R4并接地，放大器U5反相输入端接并联的电阻R1和电阻R3，电阻R3另一端与放大器U5输出端和电阻Rf一端相连，所述电阻Rf与电容Cf串联接地。

区别于现有技术，本发明电容式传感器接口电路以电荷传送电路为接口的微变电容式传感器系统中引入参考微变电容及相应的检测电路，通过将此电路部分的输出与检测电路部分的输出进行差分放大，即可获得工作点不随基准电压及检测电容初值变化，并具有较高分辨率的输出信号，此外，此电路能够使电荷传送电路检测微小电容变化不受寄生电容的影响。

本发明电容式传感器接口电路的工作原理：开关S1到开关S6由非交叠的二相（CK1、CK2）高频时钟控制，时钟CK1控制期间，开关S1、S3、S5闭合，其他开关打开，电容CS1、CS2、CP1和CP2被充电；时钟CK2控制期间，开关S2、S4、S闭合，其他开关打开，电容CS1、CS2、CP1和CP2被充电。由于电容CS1、CS2所充电荷不同而有电流流过S4，电容CP1、CP2所充电荷放电时并不流过S4，因而电路不受寄生电容CP1和CP2的影响，检测电路工作原理与电荷传送电路相同，将电荷传送电路的输出与检测电路的输出进行差分放大。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种电容式传感器接口电路，其特征在于，包括：电荷传送电路、检测电路和差分放大电路，所述电荷传送电路和检测电路为对称结构，所述差分放大电路接于电荷传送电路和检测电路之后。

2.根据权利要求1所述的电容式传感器接口电路，其特征在于，所述电荷传送电路包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一放大器和第二放大器，所述第二开关、第三开关和第五开关并联一端接地，另一端与串联的第一电容、第二电容、第三电容和第四电容一端相连，所述第一电容和第四电容另一端接地，所述第一开关并接第一电容一端，所述第六开关并接第四电容一端，所述第四开关一端接于第二电容和第三电容之间，另一端接第一放大器，所述第二放大器与第一放大器串联并接于第一放大器之后。

3.根据权利要求1所述的电容式传感器接口电路，其特征在于，所述检测电路包括：第七开关、第八开关、第九开关、第十开关、第十一开关、第十二开关、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第三放大器和第四放大器，所述第八开关、第九开关和第十一开关并联一端接地，另一端与串联的第五电容、第六电容、第七电容、第八电容一端相连，所述第五电容和第八电容另一端接地，所述第七开关并接第五电容一端，所述第十二开关并接第八电容一端，所述第十开关一端接于第六电容和第七电容之间，另一端接第三放大器，所述第四放大器与第三放大器串联并接于第三放大器之后。

4.根据权利要求2所述的电容式传感器接口电路，其特征在于，所述第二电容和第三电容为微变电容，所述第一电容和第四电容为寄生电容。

5.根据权利要求3所述的电容式传感器接口电路，其特征在于，所述第六电容和第七电容为参考微变电容，所述第五电容和第八电容为参考寄生电容。

6.根据权利要求2所述的电容式传感器接口电路，其特征在于，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关为CMOS开关。

7.根据权利要求3所述的电容式传感器接口电路，其特征在于，所述第七开关、第八开关、第九开关、第十开关、第十一开关、第十二开关为CMOS开关。

8.根据权利要求3所述的电容式传感器接口电路，其特征在于，所述第一放大器反相输入端接第一电阻、第九电容和第十电容一端，所述第一电阻和第九电容另一端和第二放大器的同相输入端接第一放大器得输出端，所述第十电容另一端接第一放大器同相输入端并接地，所述第二运算放大器的反相输入端接差分放大电路。

9.根据权利要求4所述的电容式传感器接口电路，其特征在于，所述第三放大器反相输入端接第二电阻、第十一电容和第十二电容一端，所述第二电阻和第十一电容另一端和第四放大器的同相输入端接第三放大器得输出端，所述第十二电容另一端接第三放大器同相输入端并接地，所述第四运算放大器的反相输入端接差分放大电路。

10.根据权利要求1所述的电容式传感器接口电路，其特征在于，所述差分放大电路包括：第五放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第十三电容，所述第五放大器同相输入端接并联的第四电阻和第六电阻并接地，所述第五放大器反相输入端接并联的第三电阻和第五电阻，所述第五电阻另一端与第五放大器输出端和第七电阻一端相连，所述第七电阻与第十三电容串联接地。