一种传感器控制电路和电子装置 |
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| 申请号 | CN201310647877.5 | 申请日 | 2013-12-04 | 公开(公告)号 | CN104698871B | 公开(公告)日 | 2017-12-19 |
| 申请人 | 无锡华润上华科技有限公司; | 发明人 | 王雪艳; 张威彦; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种 传感器 控制 电路 和 电子 装置，涉及传感器技术领域。本发明的传感器控制电路，包括传感器、滤波电路、缓冲电路和放大电路，所述传感器的输出端与所述滤波电路的输入端相连，所述滤波电路的输出端与所述缓冲电路的输入端相连，所述缓冲电路的输出端与所述放大电路的输入端相连。该传感器控制电路，由于在滤波电路与放大电路之间设置有缓冲电路，因而具有 采样 充分的优点。本发明的电子装置，使用了上述传感器控制电路，同样具有上述优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种传感器控制电路，其特征在于，包括传感器、滤波电路、缓冲电路和放大电路，所述传感器的输出端与所述滤波电路的输入端相连，所述滤波电路的输出端与所述缓冲电路的输入端相连，所述缓冲电路的输出端与所述放大电路的输入端相连，其中，所述滤波电路为抗叠混低频滤波器，所述缓冲电路采用带失调补偿的缓冲电路。 |
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| 说明书全文 | 一种传感器控制电路和电子装置技术领域[0001] 本发明涉及传感器技术，具体而言涉及一种传感器控制电路和电子装置。 背景技术[0002] 随着MEMS（微机电系统）技术的发展，压阻式加速度传感器由于其灵敏度高，响应速度快和受电磁干扰小等优点而被广泛应用在许多领域。通常，传感器的输出是个很小的电压信号，由于信号很小，传感器输出的信号很容易被噪声淹没而无法被恢复。即使先经过放大，但由于放大器本身也有噪声，而且也会被放大，所以经过放大之后信噪比并没有提高。对于传感器输出的信号中的低频噪声，一般采用无源RC低通滤波器滤除。 [0003] 现有技术中的一种加速度传感器的控制电路的原理图如图1所示，包括加速度传感器101、抗混频滤波器102和放大器103。该加速度传感器的控制电路也称为加速度传感器模拟前端，其通过加速度传感器101获取加速度信号，通过抗混频滤波器102对加速度传感器101输出的信号进行滤波和放大，通过放大器103对加速度信号进行放大，以用于后续的操作。其中，加速度传感器101可以为压阻式加速度传感器；压阻式加速度传感器的模型通常表示为一个桥式电阻，如图1所示。抗混频滤波器102，一般采用连续的无源RC滤波电路实现。放大器103一般为比例放大电路，该比例放大电路的增益由输出反馈电阻和输入反馈电阻的比值决定。在图1中，Vsig表示加速度传感器101的信号输入端，K表示放大器103的放大倍数。 [0004] 在现有技术中，连续的无源RC滤波电路实现较低的带宽，需要很大的电阻和电容，因此往往导致电路（芯片）的面积很大。同时，传感器一直处于工作状态，会造成很大的功耗。因为信号幅度很小，对驱动电路的噪声和线性要求高，设计难度大。连续的有源滤波电路需要使用放大器，不仅消耗很大电流，而且由于放大器本身的非线性，导致信号失真，从而对放大器的设计要求很高，增加设计难度。经过滤波电路的信号在经过放大电路时，传统的电阻比例放大电路和开关电容比例放大电路都会在放大信号的同时放大噪声信号，尤其是放大器本身的低频噪声（1/f噪声），所以放大后的信号信噪比下降，造成后续恢复信号时的难度增加。并且，无源RC滤波电路由于自身不具备驱动能力，还往往造成后级的放大电路采样不充分。 [0005] 由此可见，现有技术中的传感器控制电路存在采样不充分、电路面积大、功耗大以及噪声抑制能力弱等问题。为解决上述问题，本发明提出一种新的传感器控制电路。 发明内容[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供一种传感器控制电路和使用该传感器控制电路的电子装置。 [0007] 本发明实施例一提供一种传感器控制电路，包括传感器、滤波电路、缓冲电路和放大电路，所述传感器的输出端与所述滤波电路的输入端相连，所述滤波电路的输出端与所述缓冲电路的输入端相连，所述缓冲电路的输出端与所述放大电路的输入端相连。 [0008] 可选地，所述传感器控制电路还包括用于控制所述传感器与所述滤波电路间歇性工作的脉冲调制开关。 [0009] 可选地，所述滤波电路为抗叠混低频滤波器。 [0010] 可选地，所述缓冲电路为带输入失调补偿的差分缓冲电路，包括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器和所述第二放大器分别连接成负反馈的形式。 [0011] 可选地，所述第一放大器的负输入端与输出端之间连接有第一电容，所述第二放大器的负输入端与输出端之间连接有第二电容，以形成自动归零结构。 [0012] 可选地，所述缓冲电路具有高输入阻抗和低输出阻抗。 [0013] 可选地，所述放大电路为可控增益的开关电容型积分器电路。 [0014] 可选地，所述开关电容型积分器电路包括主放大器，还包括连接于所述开关电容型积分器电路的输入端与所述主放大器的输入端之间的斩波电路，和/或，连接在所述主放大器的输入端与所述主放大器的输出端之间的采样电容；其中，所述斩波电路用于减小低频噪声和所述主放大器的输入失调电压，所述采样电容构成自动归零结构以减小所述主放大器的输入失调电压。 [0015] 可选地，所述传感器为加速度传感器。 [0016] 本发明实施例二提供一种电子装置，包括如上所述的传感器控制电路。 [0017] 本发明的传感器控制电路，通过在滤波电路202与放大电路204之间设置缓冲电路203，可以在一定程度上提高驱动能力，保证滤波电路202输出的信号被后级的放大电路204充分采样。本发明的电子装置，使用了上述传感器控制电路，同样具有上述优点。 附图说明 [0018] 本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。 [0019] 附图中： [0020] 图1为现有技术中的一种加速度传感器控制电路的原理图； [0021] 图2为本发明实施例一的传感器控制电路的原理图； [0022] 图3为本发明实施例一的传感器控制电路中的传感器和滤波器的一种电路图； [0023] 图4为本发明实施例一的传感器控制电路中的缓冲电路的一种电路图； [0024] 图5为本发明实施例一的传感器控制电路中的放大电路的一种电路图； [0025] 图6为图5所示的电路中的斩波电路的一种电路图。 具体实施方式[0026] 在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。 [0027] 应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。自始至终相同附图标记表示相同的元件。 [0028] 在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。 [0029] 为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。 [0030] 实施例一 [0031] 下面，参照图2至图6来描述本发明实施例的传感器控制电路。其中，图2为本发明实施例的传感器控制电路的原理图；图3为本发明实施例的传感器控制电路中的传感器和滤波器的一种电路图；图4为本发明实施例的传感器控制电路中的缓冲电路的一种电路图；图5为本发明实施例的传感器控制电路中的放大电路的一种电路图；图6为图5所示的电路中的斩波电路的一种电路图。 [0032] 如图2所示，本实施例的传感器控制电路包括传感器201、滤波电路202、缓冲电路203和放大电路204。其中，传感器201的输出端与滤波电路202的输入端相连，滤波电路202的输出端与缓冲电路203的输入端相连，缓冲电路203的输出端与放大电路204的输入端相连。在图2中，Vsig表示传感器201的信号输入端，K表示放大电路204的放大倍数。 [0033] 在本实施例中，传感器控制电路的信号处理流程（即传感器前端信号处理流程）为：传感器201将加速度转化为与它成正比例的电压变化，先经过滤波电路（例如：抗混叠低频滤波电路）202，再经过缓冲电路203输出到后级放大电路（例如：开关电容型积分电路）204放大。本实施例的传感器控制电路，主要用于对传感器采集的模拟信号进行放大处理，在放大电路204之后可以连接模拟数字转换电路等电路，进行后续处理。 [0034] 在本实施例中，传感器201可以为加速度传感器；进一步地，传感器201为压阻式加速度传感器。当然，除了加速度传感器外，传感器201也可为其他类型的传感器，例如温度传感器、光敏传感器等，在此并不进行限定。 [0035] 示例性地，传感器201为压阻式加速度传感器，滤波电路202为抗叠混（antialiasing）低频滤波器，传感器201和滤波电路202的整体电路图如图3所示。传感器 201（压阻式加速度传感器）包括电阻R1、R2、R3和R4，它们构成桥式电阻；滤波电路202（抗叠混低频滤波器）为无源RC滤波电路，包括电阻R5和R6以及电容Cf。其中，电容Cf为滤波电容，图3中Vcf表示电容Cf两端的电压。此外，在构成传感器201和滤波电路202的电路中，还包括用于控制传感器201和滤波电路202工作的脉冲调制开关，该脉冲调制开关的开启和关闭由调控该开关的周期脉冲信号控制，传感器201和滤波电路202可以在该脉冲调制开关的控制下间歇性工作。示例性地，如图3所示，该调制开关由3个开关SW1构成（图中未示出周期脉冲信号）。关于脉冲调制开关，可以采用现有技术中的各种方式来实现，此处并不进行限定。 [0036] 在现有技术中，一个较高阶的有源滤波器由运算放大器和许多电阻和电容组成，电路复杂而且元件的失配会导致信号的失真。并且，运算放大器会消耗大量电流。而本实施例采用了无源RC滤波电路，与采用有源滤波电路相比，既避免了失真，又可以降低功耗。 [0037] 在本实施例中，可以采用一个周期脉冲信号通过上述脉冲调制开关控制传感器201和滤波器202的工作即传感器201和滤波器202可以间歇工作。连续型的无源RC滤波器带宽是f＝1/2π*R*C。本实施例采用一个周期脉冲信号控制传感器201和滤波电路202的工作，既降低了功耗（节能），又实现了用同样大小的电阻和电容（与连续型无源RC滤波器相比）得到很低带宽。在本实施例中，该周期脉冲信号的占空比影响实际的带宽。占空比越低时，实现相同的带宽所用的电阻和电容值越小，电路的面积和功耗就越小。 [0038] 在本实施例中，通过设置缓冲电路203，可以在一定程度上提高驱动能力，保证滤波电路202输出的信号被后级的放大电路204充分采样。示例性地，缓冲电路203采用带失调（offset）补偿的缓冲电路。如图4所示，该缓冲电路包括两个放大器（第一放大器A1和第二放大器A2），两个放大器（A1和A2）分别接成负反馈的形式，构成差分缓冲电路，如图4所示。由于传感器201的输出信号是差分信号，因此，需要两个放大器分别接成负反馈的形式构成差分的缓冲电路。 [0039] 进一步的，第一放大器A1的负向输入端与输出端之间连接有第一电容C1，第二放大器A2的负向输入端与输出端之间连接有第二电容C2。通过这一结构，可以先将两个放大器（第一放大器A1和第二放大器A2）的offset（失调）电压分别采样并存储在两个电容（C1和C2）中，使得输入信号为零时，缓冲电路的输出为零。这一去除放大电路的offset（失调）电压的方法称为自动归零（Auto-zeroing）技术，即，缓冲电路203中带有自动归零结构。通常，缓冲电路中的放大器的offset电压会随电压和温度变化，是缓冲电路的主要低频噪声。它会掺杂在信号中并会与信号一起在后级的放大电路（例如积分电路）中被放大，最终使得有效信号在输出端减小，降低了电路的动态范围，降低了信噪比。本实施例通过采用Auto-zeroing技术，可以去除缓冲电路中放大器电路的offset电压，提高信噪比，即，提高电路的噪声抑制能力。 [0040] 具体而言，该缓冲电路包括放大器A1与A2、6个晶体管P1、4个晶体管P2以及两个电容C1与C2组成，具体连接关系如图4所示。 [0041] 在本实施例中，通过设置元器件的参数使得缓冲电路具有高输入阻抗和低输出阻抗。高的输入阻抗可以减小滤波电路202中的滤波电容Cf上的电荷泄漏，维持电容Cf两端的电压不变。低的输出阻抗可以与后级放大电路（例如：积分电路）的采样电容构成较小的时间常数，保证采样周期内放大电路的采样电容充分冲电。也就是说，由于缓冲电路203提供高的输入阻抗和低的输出阻抗，可以保证滤波电路202输出的信号被后级放大电路204充分采样。 [0042] 示例性地，放大电路204如图5所示，采用可控增益的开关电容型积分器电路。该可控增益的开关电容型积分器电路采用全差分的结构，如图5所示，其包括1个放大器A3、12个开关、6个电容（即，C3、C4、C5、C6、C7和C8）以及3个斩波电路（即，CHP1、CHP2和CHP3），其中，斩波电路的具体电路结构如图6所示，本实施例的可控增益的开关电容型积分器电路所包含的元件以及元件间的连接关系如图5所示。其中，Vin为输入端，Vout为输出端。 [0043] 由于传感器的输出信号很小，需要放大后才可以输出给模拟数字（A/D）转换电路处理。传统的连续型放大器通过电阻比实现信号放大，对放大器带宽和噪声要求很高；同时，放大器本身的offset电压也很难去除，最终影响系统的信噪比。而在本实施例中，放大电路204为可控增益的开关电容型积分器电路，信号增益由电容比例和积分周期决定。由于工艺中电容比精度一般可以达到1‰，高于电阻比精度以及电阻和电容的绝对精度，而且对电压和温度的变化不敏感，因此可以获得更精确的信号增益。在本实施例中，可以通过控制积分电路的时钟周期来改变信号的放大倍数，当周期一定时，放大倍数一定，不受工艺变化的影响也不随工作电压和温度的变化而变化。 [0044] 本实施例的可控增益的开关电容型积分器电路，主放大器A3采用了斩波（chopping）技术，即，在主放大器A3之前接入了斩波电路CHP1；因此，可以减小电路的低频噪声（主要是1/f噪声）和输入失调（offset）电压。其中，斩波（chopping）技术是一种调制技术，用于将低频的信号调制到高频；由于积分器本身相当于低通网路，因此被调制到高频的噪声信号在经过积分器（低通网络）时可以最终被衰减。 [0045] 在本实施例中，积分电容C8未使用chopping（斩波）技术，以提高chopping时钟的频率，避免放大器在每次chopping时对电容C8反复充放电。根据Nyquist（奈奎斯特）采样定理，高的chopping时钟频率则可以将较高的噪声信号进行调制，最终滤除掉。 [0046] 除了使用斩波（chopping）技术，本实施例的可控增益的开关电容型积分器电路还使用了自动归零（auto-zeroing）技术，即在主放大器A3的输入端和输出端之间连接电容C7，以将放大器A3本身的offset电压采样并存储在采样电容C7中，使得输入信号为零时，缓冲电路的输出为零。本实施例通过斩波技术和自动归零技术两种技术的配合使用，最终达到完全去除直流offset电平的目的。当输入和输出电容的比例不是1：1时，可以通过调节auto-zeroing的采样电容C7对chopping技术起到补偿作用。 [0047] 本发明实施例的传感器控制电路，通过设置缓冲电路203，可以提高驱动能力，保证滤波电路202输出的信号被后级的放大电路204充分采样。通过对传感器201和滤波电路（无源滤波电路）202的工作时间的控制（即，通过脉冲调制开关控制传感器201和滤波电路202的间歇性工作），可以实现在同样带宽的情况下使用很小的电阻和电容，因而可以节省电路的面积、降低功耗。通过对缓冲电路203本身使用auto-zeroing技术，可以去除缓冲电路中放大器的offset电平，减小噪声，从而降低信号恢复难度。通过采用开关电容型积分电路作为放大电路204，易于控制放大倍数，同时由于采用了chopping技术和auto-zeroing技术去除放大电路204中放大器的offset电平，可以减小噪声，降低信号恢复难度；并且，放大倍数不受电压、温度和工艺变化的影响。 [0048] 简言之，本发明实施例的传感器控制电路，相对于现有技术，具有采样充分、电路面积小、功耗小以及噪声抑制能力强等优点。 [0049] 实施例二 [0050] 本发明实施例提供一种电子装置，其使用了根据实施例一所述的传感器控制电路。由于使用的传感器控制电路相对于现有技术具有电路面积小、功耗小以及噪声抑制能力强等优点，因此该电子装置同样具有上述优点，可以具有更好的性能。 |
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