本發(fā)明涉及傳感器和其他物理信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換(adc)，適用于對(duì)高靈敏度傳感器，尤其是陶瓷傳感器的信號(hào)采集和調(diào)理，在汽車、家電、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)，以及軍工領(lǐng)域有廣泛適用性。

背景技術(shù)：

如圖1(a)開關(guān)電容反向積分器為例所示，目前開關(guān)電容應(yīng)用于傳感器信號(hào)采集和放大的基本電路是采用兩相位方波控制cmos開關(guān)，第一個(gè)相位的脈沖方波是采樣時(shí)間，第二個(gè)相位的脈沖方波是放大或積分時(shí)間。這樣在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采樣+積分/放大。其中：

101為信號(hào)源(傳感器)，

102，103,105,和106為正向脈沖開啟的cmos開關(guān)管，

104為采樣電容,107為積分電容，

108為一運(yùn)算放大器，

109為非交疊脈沖發(fā)生器產(chǎn)生開關(guān)管的柵極控制信號(hào)。

按照開關(guān)電容的工作原理，輸出電壓為輸入電壓的反向積分，其中n為脈沖周期數(shù)

在輸入信號(hào)vin(例如傳感器)的采樣相位期間，從信號(hào)源抽取的輸入電流：iin＝vin×fs×c104,其中fs為方波脈沖的頻率。輸入電流在信號(hào)源上產(chǎn)生的額外電壓為：iin×rs，

為了保持采樣的精度，通常采樣電容104不能太小，達(dá)到ua級(jí)或更高是常見的。當(dāng)輸入電流在信號(hào)源阻抗(rs)較大時(shí)，產(chǎn)生明顯的壓降，形成對(duì)真正信號(hào)電壓的干擾。

目前應(yīng)對(duì)開關(guān)電容采樣電路的輸入電流對(duì)信號(hào)源干擾的常用方法是在信號(hào)源和采樣電容之間增加一個(gè)高精度前置運(yùn)放，隔離輸入電流使之不在信號(hào)源上產(chǎn)生干擾電壓，如圖1(b)所示。但這個(gè)前置運(yùn)放帶來的副作用也很明顯：運(yùn)放本身需要高精度，例如低噪聲，低失調(diào)電壓，和高線性度的設(shè)計(jì)，同時(shí)需要足夠的輸入電壓范圍。這些要求不但帶來明顯的功耗增加，同時(shí)成本的增加也非常顯著。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了得到更高效更節(jié)省成本的適用于高阻抗傳感器的信號(hào)采樣電路，本發(fā)明提出一種不需要高精度低噪聲前置運(yùn)放，只對(duì)開關(guān)電容采樣電路加以改進(jìn)的方法。

技術(shù)方案：

首先，本發(fā)明提出了一種降低開關(guān)電容輸入電流的電路，它包括：開關(guān)電容的輸入電路、放大或積分電路、非交疊方波脈沖發(fā)源和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，信號(hào)源首先經(jīng)過采樣電容的采樣，再被放大或積分后輸出為芯片內(nèi)電壓信號(hào)，它還包括充電電流隔離電路，充電電流隔離電路作用于開關(guān)電容的輸入電路，使得：在信號(hào)采樣的前段時(shí)間隔離信號(hào)源，利用芯片內(nèi)部的電源給采樣電容充電；在信號(hào)采樣的后段時(shí)間連接信號(hào)源，利用信號(hào)源給采樣電容充電。

作為第一種具體的電路結(jié)構(gòu)：所述開關(guān)電容的輸入電路、放大或積分電路具體包括信號(hào)源、第一cmos開關(guān)管、第二cmos開關(guān)管、第三cmos開關(guān)管和第四cmos開關(guān)管、采樣電容、積分電容和運(yùn)算放大器：信號(hào)源的一端連接第一cmos開關(guān)管的一端，信號(hào)源的另一端通過信號(hào)源阻抗接地；第一cmos開關(guān)管的另一端一方面連接第二cmos開關(guān)管的一端，第二cmos開關(guān)管的另一端接地；第一cmos開關(guān)管的另一端另一方面連接采樣電容的一端；采樣電容的另一端一方面連接第三coms開關(guān)管的一端，第三coms開關(guān)管的另一端接地；采樣電容的另一端另一方面連接第四cmos開關(guān)管的一端，第四cmos開關(guān)管的另一端連接運(yùn)算放大器的反相輸入端；運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，運(yùn)算放大器的輸出端通過積分電容連接運(yùn)算放大器的反相輸入端。

更優(yōu)的，所述充電電流隔離電路具體包括緩沖器和第五cmos開關(guān)管，緩沖器的同相輸入端連接于信號(hào)源和第一cmos開關(guān)管之間，緩沖器的輸出端通過第五cmos開關(guān)管連接于第一cmos開關(guān)管和采樣電容之間，緩沖器的輸出端接反相輸入端。

更優(yōu)的，信號(hào)采樣的前段時(shí)間為粗略采樣時(shí)間段φ11，信號(hào)采樣的后段時(shí)間為精確采樣時(shí)間段φ12，所述非交疊方波脈沖發(fā)源：

在粗略采樣時(shí)間段φ11控制第五cmos開關(guān)管和第三cmos開關(guān)管閉合，第一cmos開關(guān)管、第二cmos開關(guān)管和第四cmos開關(guān)管斷開；

在精確采樣時(shí)間段φ12控制第一cmos開關(guān)管和第三cmos開關(guān)管閉合，第五cmos開關(guān)管、第二cmos開關(guān)管和第四cmos開關(guān)管斷開；

在積分或放大相位時(shí)間段φ2控制第五cmos開關(guān)管、第三cmos開關(guān)管和第一cmos開關(guān)管斷開，第二cmos開關(guān)管和第四cmos開關(guān)管閉合。

優(yōu)選的，粗略采樣時(shí)間段φ11和精確采樣時(shí)間段φ12無縫連接，積分或放大相位時(shí)間段φ2在精確采樣時(shí)間段φ12結(jié)束后延遲一個(gè)非交疊時(shí)間進(jìn)行。

作為第二種具體的電路結(jié)構(gòu)：所述開關(guān)電容的輸入電路、放大或積分電路具體為一個(gè)全差分開關(guān)電容反向積分器的常用結(jié)構(gòu)；充電電流隔離電路為兩組，每組均包括串聯(lián)連接的一個(gè)緩沖器和一個(gè)cmos開關(guān)管；兩組充電電流隔離電路對(duì)稱接入所述的電路：一組接入信號(hào)源的正端與相應(yīng)的采樣電容之間，另一組接入信號(hào)源的負(fù)端與相應(yīng)的采樣電容之間。

同時(shí)，本發(fā)明提出了一種該開關(guān)電容電路的采樣方法，采樣過程分為粗略采樣和精確采樣：

首先在粗略采樣時(shí)間段φ11，信號(hào)通過充電電流隔離電路對(duì)采樣電容充電到接近等于信號(hào)源的輸入信號(hào)vin，而這個(gè)充電電流隔離電路的充電電流來自與電源電壓而不是信號(hào)源；

然后在精確采樣時(shí)間段φ12，采樣電容經(jīng)過一個(gè)開關(guān)切換到接到輸入信號(hào)vin，與傳統(tǒng)的開關(guān)電容采樣一樣，由信號(hào)源直接對(duì)采樣電容充電到vin，因?yàn)樵诖致圆蓸映潆姇r(shí)間段將采樣電容充電到接近vin，因此在接到信號(hào)源后的輸入電流就很小了。

具體的，粗略采樣時(shí)間段φ11，控制第五cmos開關(guān)管和第三cmos開關(guān)管閉合，第一cmos開關(guān)管、第二cmos開關(guān)管和第四cmos開關(guān)管斷開。

具體的，精確采樣時(shí)間段φ12，控制第一cmos開關(guān)管和第三cmos開關(guān)管閉合，第五cmos開關(guān)管、第二cmos開關(guān)管和第四cmos開關(guān)管斷開。

優(yōu)選的，采樣電容在粗略采樣完成后直接切換到信號(hào)源進(jìn)入精確采樣時(shí)間，使得整個(gè)采樣完成后采樣電容上沒有運(yùn)放跟隨的誤差。

優(yōu)選的，精確采樣時(shí)間段φ12結(jié)束后延遲一個(gè)非交疊時(shí)間進(jìn)行積分或放大相位時(shí)間段φ2。

有益效果：

總的效果就是在整個(gè)采樣相位時(shí)間內(nèi)，真正從信號(hào)源抽取電流的時(shí)間僅在精確采樣時(shí)間段，而這個(gè)時(shí)間段的電流很小，因此在信號(hào)源阻抗rs上造成的壓降也很小，沒有對(duì)信號(hào)電壓產(chǎn)生明顯的干擾。加入一個(gè)技術(shù)指標(biāo)很普通的充電隔離運(yùn)放(緩沖器)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高精度低噪聲運(yùn)放會(huì)顯著降低芯片內(nèi)部功耗和占用的晶片面積。

附圖說明

圖1(a)是常規(guī)的開關(guān)電容反向積分器的電路示意圖

圖1(b)是常規(guī)的加高精度前置運(yùn)放，隔離輸入電流開關(guān)電容反向積分電路

圖2是增加采樣電容充電隔離運(yùn)放，將采樣相位時(shí)間分為粗略采樣和精確采樣時(shí)間段的改進(jìn)電路示意圖。

圖3是改進(jìn)后電路的采樣電容電壓，電流，以及輸入電流在φ11和φ12時(shí)間段波形圖

圖4是改進(jìn)型開關(guān)電容采樣電路的擴(kuò)展案例之一，全差分開關(guān)電容反向積分器

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖2所示，實(shí)施例1：

101為信號(hào)源(傳感器)，

102為第一cmos開關(guān)管，103為第二cmos開關(guān)管,105為第三cmos開關(guān)管,106為第四cmos開關(guān)管，202為第五cmos開關(guān)管，以上均為正向脈沖開啟的cmos開關(guān)管，

104為采樣電容,107為積分電容，

201為緩沖器，是在φ11時(shí)間內(nèi)隔離采樣電流的粗略運(yùn)放，技術(shù)指標(biāo)普通(普通的單級(jí)或兩級(jí)米勒補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)放，對(duì)噪聲沒有要求，只要求在粗略采樣結(jié)束時(shí)能基本對(duì)采樣電容充滿電荷，有10mvl量級(jí)的誤差是可以接受的)

108為運(yùn)算放大器，

209為非交疊方波脈沖發(fā)源，產(chǎn)生開關(guān)管的柵極控制信號(hào)。

信號(hào)源101的一端連接第一cmos開關(guān)管102的一端，信號(hào)源101的另一端通過信號(hào)源阻抗rs接地；第一cmos開關(guān)管102的另一端一方面連接第二cmos開關(guān)管103的一端，第二cmos開關(guān)管103的另一端接地；第一cmos開關(guān)管102的另一端另一方面連接采樣電容104的一端；采樣電容104的另一端一方面連接第三coms開關(guān)管105的一端，第三coms開關(guān)管105的另一端接地；采樣電容104的另一端另一方面連接第四cmos開關(guān)管106的一端，第四cmos開關(guān)管106的另一端連接運(yùn)算放大器108的反相輸入端；運(yùn)算放大器108的同相輸入端接地，運(yùn)算放大器108的輸出端通過積分電容107連接運(yùn)算放大器108的反相輸入端；充電電流隔離電路具體包括緩沖器201和第五cmos開關(guān)管202，緩沖器201的同相輸入端連接于信號(hào)源101和第一cmos開關(guān)管102之間，緩沖器201的輸出端通過第五cmos開關(guān)管202連接于第一cmos開關(guān)管102和采樣電容104之間，緩沖器201的輸出端接反相輸入端。

采樣步驟為：

1)在開始采樣相位的粗略采樣時(shí)間段φ11，第五cmos開關(guān)管202和第三cmos開關(guān)管105閉合，采樣電容由緩沖器201為采樣電容104充電至φ11結(jié)束。這時(shí)采樣電容104上的電壓基本被vin充滿。

2)采樣相位的精確采樣時(shí)間段φ12，第五cmos開關(guān)管202斷開，第一cmos開關(guān)管102和第三cmos開關(guān)管105閉合，采樣電容104被直接連接到信號(hào)源vin。在φ12結(jié)束時(shí)采樣電容104上的電容電壓vc＝vin，在采樣相位結(jié)束后完成精確采樣。

3)在積分或放大相位時(shí)間φ2，開關(guān)105,102，和202斷開，103和106閉合，采樣電容內(nèi)的電荷被轉(zhuǎn)移到積分(或放大)電容107上，完成對(duì)輸入信號(hào)的積分(或放大)處理。

參見圖3，信號(hào)源101與采樣電容104在φ11被緩沖器201隔離，充電電流不是從vin抽取，是由緩沖器201提供。而在切換到φ12瞬間，雖然采樣電容104已經(jīng)基本充滿電荷，但由于運(yùn)放的失調(diào)電壓存在，因此采樣電容104上的充電電壓有一個(gè)突變?chǔ)膙in。在φ12時(shí)間段存在一個(gè)很小的輸入電流

δiin＝δvin×fs×c104

在信號(hào)源阻抗rs上的壓降為：δiin×rs，

因?yàn)檫\(yùn)放(緩沖器201)的失調(diào)電壓很小，可以比較容易做到10mv左右，因此輸入電流對(duì)信號(hào)源101的干擾電壓相比于常規(guī)的開關(guān)電容采樣電路大大減少。同時(shí)在采樣時(shí)間完成時(shí)(φ12結(jié)束時(shí))，采樣電容104上的電壓是直接接在輸入信號(hào)(信號(hào)源101)上，是精確采樣，因此粗略運(yùn)放的失調(diào)，噪聲，和線性度等對(duì)最后的采樣結(jié)果可以做到?jīng)]有影響。

改進(jìn)后的減少輸入電流的開關(guān)電容采樣電路達(dá)到了在不明顯增加芯片成本和功耗的條件下，大大減少了采樣輸入電流。適用于有高精度，低輸入電流要求的傳感器或其他物理信號(hào)源的信號(hào)采樣系統(tǒng)中。該改進(jìn)電路具有應(yīng)用廣泛，靈活多變的特點(diǎn)，不但可以應(yīng)用于傳感器的信號(hào)采集系統(tǒng)中，還可以應(yīng)用于高精度adc，dac和其他開關(guān)電容的信號(hào)處理電路中。

實(shí)施例2：圖4是本發(fā)明專利也適用的一個(gè)全差分開關(guān)電容反向積分器的常用結(jié)構(gòu)，它包括：信號(hào)源101、第一cmos開關(guān)管102、第二cmos開關(guān)管103、第三cmos開關(guān)管105和第四cmos開關(guān)管106、采樣電容104、積分電容107，各部分連接關(guān)系如圖2(實(shí)施例1)結(jié)構(gòu)，此處不再贅述；它還包括：第六cmos開關(guān)管402、第七cmos開關(guān)管403、第八cmos開關(guān)管405、第九cmos開關(guān)管406、第二采樣電容404、第二積分電容407，連接關(guān)系呈圖2(實(shí)施例1)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱設(shè)置，此處不再贅述。它還包括兩組充電電流隔離電路，第一組包括串聯(lián)連接的緩沖器201和第五cmos開關(guān)管202，第二組包括串聯(lián)連接的第二緩沖器401和第十cmos開關(guān)管402。兩組充電電流隔離電路對(duì)稱接入所述的電路：第一組接入信號(hào)源101的正端與相應(yīng)的采樣電容104之間，第二組接入信號(hào)源101的負(fù)端與相應(yīng)的第二采樣電容404之間。各cmos開關(guān)管的通斷時(shí)序見圖4所示，此處不再贅述，本實(shí)施例同樣可以達(dá)到本發(fā)明的發(fā)明目的。

上述說明已經(jīng)充分揭露了本發(fā)明的具體實(shí)施方式。需要指出的是，熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式所做的任何改動(dòng)均不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求書的范圍。相應(yīng)地，本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍也并不僅僅局限于前述具體實(shí)施方式。