[發明專利]單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路

有效

• 申請號: 201210375929.3
• 申請日: 2012-09-28
• 公開（公告）號: CN102843102A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 何鑫;王瑋冰
• 申請（專利權）人: 江蘇物聯網研究發展中心
• 主分類號: H03F1/26
• 分類號: H03F1/26;H03L7/08
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 曹祖良

技術領域

本發明涉及一種單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，是一種MEMS與CMOS集成設計單片集成接口電路。

背景技術

鎖相技術已經被電子設備所廣泛使用，其具有很多優點。MEMS傳感器是當今發展的另一個熱點，其輸出信號一般比較微弱，需要斬波，相關雙采樣等技術提供信號強度。

圖1為常規的鎖相技術的框圖，其有四個部分構成，主要關系是信號通道同參考通道接受同一個規定的調制頻率調制，信號通道包括一些放大和濾波的電路，用于將目標信號放大到滿意的范圍，在參考通道里，包括相移電路以及驅動電路，用于產生同頻率和滿足相位的參考頻率，最后在相敏放大器和低通濾波器中將噪聲部分去除，得到放大后的信號。

如果將MEMS和CMOS鎖相放大技術結合起來，將有很好的輸出特性和應用。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路，將MEMS與CMOS融合設計。

按照本發明提供的技術方案，所述單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路包括：交流調制信號發生器、MEMS電容電橋、前置放大器、濾波電路、交流放大電路、相敏檢測器、低通濾波器、方波驅動電路、移相電路和參考觸發電路；所述調制信號發生器輸出端連接MEMS電容電橋輸入端和參考觸發電路輸入端，交流調制信號發生器產生交流調制信號，其信號頻率同時調制MEMS電容電橋和參考觸發電路；在信號通道上，MEMS電容電橋輸出連接下一級的前置放大器的輸入端，前置放大器的輸出連接濾波電路的輸入端，經過濾波，濾波電路輸出與交流放大電路的輸入端相接，交流放大電路的輸出與相敏檢測器的一個輸入端相接；在參考通道上，參考觸發電路的輸出接移相電路的輸入端，移相電路輸出端接方波驅動電路的輸入端，方波驅動電路的輸出接相敏檢測器的另一個輸入端；經過相敏檢測器的相關性檢測，相敏檢測器的輸出連接低通濾波器輸入端，最后低通濾波器輸出最終的信號。

所述單片集成MEMS電容傳感器鎖相放大電路包括MEMS器件部分和CMOS讀出電路部分，MEMS器件部分包括：所述MEMS電容電橋；CMOS讀出電路部分包括：所述前置放大器、濾波電路、交流放大電路、相敏檢測器、低通濾波器、方波驅動電路、移相電路、參考觸發電路；通過單片集成技術將所述MEMS器件部分和CMOS讀出電路部分同時在硅片上實現。

所述CMOS讀出電路部分采用單端輸出、單端輸入的結構，或采用雙端輸入和雙端輸出的全差分結構。

所述CMOS讀出電路部分通過CMOS工藝實現，采用CMOS器件或NMOS管、PMOS管。

所述MEMS電容電橋包括：第一可變電容、第三可變電容、第二可變電容和第四可變電容按順序首尾相接，其中第一可變電容和第二可變電容屬于同種類型電容，第三可變電容和第四可變電容屬于同種類型電容；第一可變電容和第二可變電容可以由固定容值電容代替，第三可變電容和第四可變電容也可以由固定容值電容代替。

所述相敏檢測器可以是開關形式，包括：第一調制開關、第三調制開關、第二調制開關、第四調制開關按順序首尾相接，所述第一調制開關兩端為相敏檢測器正端，第二調制開關兩端為相敏檢測器負端；其中第一調制開關和第二調制開關受相同時鐘CLK調制，第三調制開關和第四調制開關受所述時鐘CLK的反向時鐘調制。

所述相敏檢測器也可以采用不帶開關的模擬乘法器。

所述濾波電路采用低通濾波器或是高通濾波或是帶通濾波器。

所述參考觸發電路的輸出端可以通過倍頻電路與移相電路的輸入端相連。也可以省略倍頻電路。

所述低通濾波器能夠由無限積分時間積分濾波器所代替。

本發明的優點是：本發明是建立在MEMS與CMOS融合設計的平臺，通過差分電容電橋的變化，加上頻率調制，實現MEMS與CMOS單片集成，同時為了降低MEMS器件的噪聲和影響，使用鎖相技術，優點是能夠將寄生參數等不理想特性減小到最理想的情況，通過濾波和互相關技術去掉噪聲的影響。

附圖說明

圖1為常規鎖相放大電路。

圖2為本發明的MEMS與CMOS單片集成鎖相放大電路。

圖3為MEMS電容電橋的詳細結構。

圖4為相敏檢測器的開關形式電路。

圖5為本發明的積分器形式輸出的整體電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。