[發明專利]基于斬波技術的傳感器陣列讀出電路

有效

• 申請號: 201110440180.1
• 申請日: 2011-12-23
• 公開（公告）號: CN102495351A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 黃卓磊;王瑋冰
• 申請（專利權）人: 江蘇物聯網研究發展中心
• 主分類號: G01R31/28
• 分類號: G01R31/28
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 殷紅梅

技術領域

本發明涉及一種讀出電路，尤其是一種基于斬波技術的傳感器陣列讀出電路，屬于微弱信號檢測的技術領域。

背景技術

隨著科技水平的不斷提高，集成電路的工藝技術得到了發展，這為傳感器和讀出電路集成在一起的微系統提供了保障。隨著微機電系統在國民各個領域應用的不斷深入，人們對微機電系統的性能要求也越來越高。具體表現在更高的集成度，更高的信噪比等。

對于傳感器信號檢測來說，首先要考慮的性能是傳感器系統的信噪比。在傳統的傳感器陣列檢測系統中，采用電容跨阻（CTIA）電路來減少讀出電路的噪聲，以此來提高系統的信噪比，如圖1所示（趙玲，李躍進?一種新型的相關焦平面CMOS讀出電路?《紅外技術》?Vol.28?No.1?2006）。該方法存在的問題是傳感器的偏移電壓無法消除，需要在CTIA電路后邊加上相關雙采樣電路（CDS）。

為了消除傳感器的偏移電壓，進一步提高系統的信噪比，在另一傳統的傳感器讀出電路中引入斬波調制電路，如圖2所示（C.?Menolfi,?Qiuting?Huang?“A?Low?CMOS?Instrumentation?Amplifier?for?Thermoelectric?Infrared?Detectors”?IEEE?J.?Solid-State?Circuit,?Vol.32?No.7?1997）。該電路通過將偏移電壓和低頻噪聲調制到高頻再濾波消除的方式來消除偏移電壓并提高系統的信噪比。

然而，傳統的傳感器讀出電路如圖1那樣，無法直接消除偏移電壓，需要加入復雜的相關雙采樣電路。而如圖2那樣，采用傳統的斬波技術的讀出電路雖然能夠消除偏移電壓并降低低頻噪聲，但因為采用了濾波電路，使得電路的速度受到限制，無法用于傳感器陣列讀出電路。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種基于斬波技術的傳感器陣列讀出電路，其結構簡單，消除偏移電壓及低頻噪聲，提高系統的集成度和信噪比，適應范圍廣，安全可靠。

按照本發明提供的技術方案，所述基于斬波技術的傳感器陣列讀出電路，包括全差分輸入級，所述全差分輸入級的輸入端與信號調制開關，全差分輸入級的輸出端通過信號解調開關與差分至單端信號轉換級相連，所述差分至單端信號轉換級通過第一補償電容與輸出緩沖級的輸出端相連，且差分至單端信號轉換級的輸出端與輸出緩沖級的反相端相連，差分至單端信號轉換級的同相端通過第二補償電容與輸出緩沖級的輸出端相連；差分至單端信號轉換級的反相端通過第三補償電容接地，輸出緩沖級的同相端接地。

所述全差分輸入級采用全差分共源共柵及共模反饋的運算放大器，所述全差分輸入級將信號調制開關調制成的高頻信號進行高增益放大及噪聲隔離后通過信號解調開關輸入值差分至單端信號轉換級。

所述全差分輸入級的增益不小于100dB。所述輸出緩沖級采用AB類運算放大器。

所述信號調制開關包括兩組由第一CMOS開關和第二CMOS開關構成的調制開關，所述兩組調制開關分別與全差分輸入級的輸入端對應連接；每組調制開關內對應的第一CMOS開關與第二CMOS開關分別由正相和反相時鐘控制。

所述信號解調開關包括兩組由第三CMOS開關和第四CMOS開關構成的解調開關，所述兩組解調開關分別與差分至單端信號轉換級的輸入端對應連接，每組解調開關內對應的第三CMOS開關與第四CMOS開關分別由正相和反相時鐘控制。

所述差分至單端信號轉換級采用差分輸入單端輸出并采用電流鏡負載的運算放大器。

所述第一CMOS開關和第二CMOS開關采用最小工藝尺寸制造的CMOS開關。

所述第三CMOS開關和第四CMOS開關采用最小工藝尺寸制造的CMOS開關。

所述輸出緩沖級將差分至單端信號轉換級輸出的功率傳輸給讀出電路的電阻或電容負載。

本發明的優點：傳感器陣列輸出的信號經過信號調制開關及全差分輸入級調制高頻信號，通過斬波調制高頻信號后能消除偏移電壓與低頻噪聲，全差分輸入級同時能實現噪聲隔離，無需濾波器即可完成斬波電路的功能，適用于傳感器陣列的高速讀出電路。經過全差分輸入級后的高頻信號通過解調開關及差分至單端信號轉換級進行解調放大，并經過輸出緩沖級進行第三次放大，經過三次放大后經讀出的傳感器陣列信號輸出傳輸到讀出電路的小電阻或大電容負載上，實現傳感器陣列信號的讀取；結構簡單，消除偏移電壓及低頻噪聲，提高系統的集成度和信噪比，適應范圍廣，安全可靠。

附圖說明

圖1為現有采用電容跨阻電路的傳統傳感器陣列讀出電路的原理圖。