專利名稱：與傳感器耦合的斬波放大器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微弱信號(hào)檢測領(lǐng)域，具體涉及ー種與傳感器耦合的斬波放大器電路。
背景技術(shù)：
隨著科技水平的不斷提高，集成電路的エ藝技術(shù)得到了發(fā)展，這為傳感器和讀出電路集成在一起的微系統(tǒng)提供了保障。隨著微機(jī)電系統(tǒng)在國民各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，人們對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的性能要求也越來越高。具體表現(xiàn)在更高的集成度，更高的信噪比等。
對(duì)于微弱信號(hào)檢測來說，首先要考慮的性能是檢測系統(tǒng)的信噪比。在傳統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測系統(tǒng)中，采用斬波放大器來減少讀出電路的噪聲，以此來提供系統(tǒng)的信噪比。如圖I 所不(見 P. Allen and D. R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design, P190-194, SaundersCollege Publishing, 1987)為傳統(tǒng)的斬波放大器電路1，其中在前級(jí)放大電路10的前端提供第一乘法器11，在前級(jí)放大電路I的后端提供第一濾波器12和第二乘法器13，使用頻率為fc的方波調(diào)制信號(hào)CLK來控制第一和第二乘法器11、13，該斬波放大器I的輸出連接到通常為低通濾波器的第二濾波器14，前級(jí)放大器電路I輸入處的噪聲分量和偏移電壓Vn被調(diào)制為調(diào)制信號(hào)CLK頻率fc的奇數(shù)倍頻率。該方法存在的問題是傳感器的偏移電壓無法消除，例如是用于放大使用壓電晶體管的傳感器橋的輸出電壓時(shí)，由于壓電晶體管的不完全匹配而無法消除傳感器橋的偏移電壓，因此系統(tǒng)的精度受限。為了消除傳感器的偏移電壓，進(jìn)ー步提高系統(tǒng)的信噪比，在另ー傳統(tǒng)的斬波調(diào)制電路中引入了偏移調(diào)整電壓發(fā)生電路，如圖2所示(CN1929296，吉澤浩和等，2007年3月14日)，在圖I的傳統(tǒng)斬波放大器I的基礎(chǔ)上添加了偏移調(diào)整電壓發(fā)生電路21和偏移溫度特性調(diào)整電壓發(fā)生電路22，偏移調(diào)整電壓發(fā)生電路21通過第三乘法器23和第二前級(jí)放大電路24連接至第一濾波器12，偏移溫度特性調(diào)整電壓發(fā)生電路22通過第四乘法器25和第三前級(jí)放大電路26連接至第一濾波器12。該電路通過提供用于產(chǎn)生和傳感器偏移電壓相等的電壓電路，由此從斬波調(diào)制信號(hào)中減去該偏移電壓從而消除傳感器的偏移電壓。另外，該電路還提供用于產(chǎn)生具有和傳感器偏移電壓相同溫度特性的電壓的電路，用于消除傳感器溫度特性的影響。然而，傳統(tǒng)的斬波調(diào)制放大器或者如圖I那樣，信噪比受限于傳感器的偏移電壓，系統(tǒng)的精度無法得到進(jìn)ー步的提升；或者如圖2所示，為了提高系統(tǒng)的信噪比而提高了電路的復(fù)雜度，使得系統(tǒng)的集成度無法得到進(jìn)ー步的提高。此外，即使采用圖2所示電路，也無法消除傳感器的Ι/f噪聲，使得系統(tǒng)信噪比的進(jìn)ー步提升受到了限制。綜上所述，現(xiàn)有的斬波放大器電路精度和集成度均亟待提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題就在于克服上述問題，進(jìn)ー步提高系統(tǒng)的集成度和信噪比。
為此，本發(fā)明提供了一種與傳感器耦合的斬波放大器電路，包括與傳感器耦合在一起的斬波放大器電路，所述斬波放大器電路從信號(hào)輸入端至輸出端依次包括惠斯通電橋，用于將傳感器的測量值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并依據(jù)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；前級(jí)放大電路，用于將所述惠斯通電橋調(diào)制后的信號(hào)放大；第I濾波器，用于降低所述前級(jí)放大電路輸出的失調(diào)電壓及噪聲；乘法器，用于依據(jù)調(diào)制控制信號(hào)將所述第I濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)行解調(diào);第2濾波器，用于消除所述乘法器輸出的因斬波帶來的諧波分量并輸出信號(hào)；其中，所述惠斯通電橋由所述傳感器和三個(gè)暗單元串并聯(lián)組成，所述傳感器與第一暗單元構(gòu)成第一串聯(lián)結(jié)構(gòu)，第二暗単元與第三暗單元構(gòu)成第二串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述第一和第二串聯(lián)結(jié)構(gòu)再并聯(lián)構(gòu)成所述惠斯通電橋；以及所述時(shí)鐘信號(hào)的輸入端為所述第一和第二串聯(lián)結(jié)構(gòu)的一個(gè)并聯(lián)端，所述調(diào)制后的信號(hào)的輸出端分別為所述第一和第二串聯(lián)結(jié)構(gòu)的串聯(lián)端。其中所述時(shí)鐘信號(hào)和所述調(diào)制控制信號(hào)為同一時(shí)鐘信號(hào)，保證被測量的信號(hào)能夠精確的被解調(diào)回原頻率。其中所述傳感器和所述三個(gè)暗単元具有相同的特性，所述傳感器感受被測量，所述三個(gè)暗單元不感受被測量，布局時(shí)應(yīng)保證四個(gè)元件的對(duì)稱排布，同時(shí)要保證對(duì)暗単元的良好屏蔽，以避免被測信號(hào)對(duì)三個(gè)暗単元的串?dāng)_。其中所述第一和第二串聯(lián)結(jié)構(gòu)的另ー個(gè)并聯(lián)端為參考電平端。 其中所述前級(jí)放大電路采用反饋結(jié)構(gòu)以保證放大精度。其中所述前級(jí)放大電路不采用反饋結(jié)構(gòu)，所述前級(jí)放大電路的輸入級(jí)和輸出級(jí)采用匹配元件以保證放大精度?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)需求采用不同尺寸或結(jié)構(gòu)的輸入級(jí)和輸出級(jí)，以滿足不同的增益需求等。其中所述第I濾波器采用帶通濾波器，其中心頻率和所述調(diào)制信號(hào)的頻率相同，從而保證被調(diào)制到時(shí)鐘信號(hào)CLK頻率上的被測信號(hào)能無損失的通過濾波器。其中為了有效的降低偏移電壓和低頻噪聲，第I濾波器可以采用帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)形式。其中心頻率和時(shí)鐘信號(hào)CLK的頻率相同。同時(shí)帶通濾波器的Q值必須足夠高，至少在5以上，從而保證能有效的消除偏移電壓和低頻噪聲。其中所述第I濾波器采用低通濾波器，其截至頻率大于所述調(diào)制信號(hào)的頻率，以保證被調(diào)制到時(shí)鐘信號(hào)CLK頻率上的被測信號(hào)能無損失的通過濾波器，同時(shí)截至頻率不能大于時(shí)鐘信號(hào)CLK頻率的兩倍以上。其中在偏移電壓和低頻噪聲得到有效消除后，被測信號(hào)通過乘法器進(jìn)行解調(diào)，再通過第2濾波器將諧波分量進(jìn)行濾除，最后輸出。本發(fā)明通過引入三個(gè)暗單元與傳感器組成惠斯通電橋，并將惠斯通電橋的一端與時(shí)鐘信號(hào)CLK相連，從而通過調(diào)制的方法將低頻噪聲和偏移電壓與信號(hào)進(jìn)行分離，從而提高系統(tǒng)的信噪比但又不引入額外的電路。本發(fā)明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申請(qǐng)獨(dú)立權(quán)利要求的范圍內(nèi)得以滿足。本發(fā)明的實(shí)施例限定在獨(dú)立權(quán)利要求中，具體特征限定在其從屬權(quán)利要求中。


以下參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中圖I為傳統(tǒng)斬波放大器電路示意圖；圖2為加入偏移調(diào)整電壓發(fā)生電路的斬波放大器電路示意圖；圖3為本發(fā)明的與傳感器耦合的斬波放大器電路示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將參照附圖并結(jié)合示意性的實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開了ー種高集成度、高信噪比的斬波放大器電路。需要指出的是，類似的附圖標(biāo)記表示類似的結(jié)構(gòu)，本申請(qǐng)中所用的術(shù)語“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種電路結(jié)構(gòu)。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾電路結(jié)構(gòu)的空間、次序或?qū)蛹?jí)關(guān)系。如圖3所示，本發(fā)明是一種與傳感器耦合在一起的斬波放大器電路，從信號(hào)輸入端至輸出端依次包括惠斯通電橋15、前級(jí)放大電路10、第I濾波器12、乘法器13和第2濾波器14。其中惠斯通電橋15由傳感器16和三個(gè)暗單元(或稱為虛擬単元、假單元，與傳感器16的特性、構(gòu)造和制造エ藝均相同，但對(duì)暗單元進(jìn)行良好屏蔽以避免被測信號(hào)對(duì)三個(gè)暗単元的串?dāng)_)17組成。前級(jí)放大電路10采用反饋結(jié)構(gòu)或輸入級(jí)和輸出級(jí)元件匹配的結(jié)構(gòu)。 第I濾波器12采用帶通濾波器或低通濾波器。當(dāng)采用帶通濾波器時(shí)，濾波器的中心頻率與時(shí)鐘控制信號(hào)CLK的頻率fc相同；當(dāng)采用低通濾波器時(shí)，濾波器的截至頻率高于時(shí)鐘控制信號(hào)CLK的頻率fc。乘法器13可采用無源開關(guān)混頻器或其它形式的有源混頻器結(jié)構(gòu)。第2濾波器14是低通濾波器，采用有源RC濾波器的形式。其中時(shí)鐘信號(hào)CLK可同時(shí)控制惠斯通電橋15和乘法器13，也即時(shí)鐘信號(hào)和乘法器13的調(diào)制控制信號(hào)為同一時(shí)鐘信號(hào)，完成被測信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。若時(shí)鐘信號(hào)CLK不施加至乘法器13而另外単獨(dú)給乘法器13以調(diào)制控制信號(hào)，也即時(shí)鐘信號(hào)和乘法器13的調(diào)制控制信號(hào)不是同一時(shí)鐘信號(hào)，此時(shí)兩者之間的時(shí)序差或者不同步會(huì)增加系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，在一定的條件下例如時(shí)序差小于保持解調(diào)邏輯正確的最短時(shí)間時(shí)，調(diào)制控制信號(hào)可以不與CLK完全同步，但是其時(shí)間差不能超出所述最短時(shí)間以保證解調(diào)邏輯正確?；蛘撸{(diào)制控制信號(hào)可以與時(shí)鐘信號(hào)互補(bǔ)，為CLK，此時(shí)乘法器13內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)要相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)做適應(yīng)性修改。其中組成惠斯通電橋15的傳感器16和三個(gè)暗單元17具有相同的特性，由相同エ藝制造。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路エ藝進(jìn)行制作吋，這四個(gè)元件將具有很好的一致性，能達(dá)到很高的匹配程度。傳感器16和一個(gè)暗單元17 (第一暗単元)串聯(lián)成第一串聯(lián)結(jié)構(gòu)，另外兩個(gè)暗単元17 (第二和第三暗単元)串聯(lián)成第二串聯(lián)結(jié)構(gòu)，第一和第二串聯(lián)結(jié)構(gòu)再并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)惠斯通電橋15。并聯(lián)的一端A端為調(diào)制信號(hào)CLK的輸入端，并聯(lián)的另一端B端為參考電平端，傳感器16和暗単元17串聯(lián)處為C端，另兩個(gè)暗単元17之間串聯(lián)處為D端，C、D端為經(jīng)過調(diào)制后的電信號(hào)輸出端。布局時(shí)應(yīng)保證四個(gè)元件的對(duì)稱排布，同時(shí)要保證對(duì)暗単元17的良好屏蔽，以避免被測信號(hào)對(duì)三個(gè)暗単元17的串?dāng)_，也即三個(gè)暗単元因屏蔽層的存在而不感受被測量。具體地，對(duì)于測量光信號(hào)的檢測電路而言，可以在版圖設(shè)計(jì)時(shí)在暗単元17上方添加由不透明的阻擋層或反射層構(gòu)成的屏蔽圖案，例如由Al、Cu、Ag、Au、Ta、Ti、TaN,TiN等構(gòu)成的屏蔽層。對(duì)于測量聲壓的檢測電路，暗単元17上方可以添加硬質(zhì)的薄膜構(gòu)成的屏蔽層，例如氮化硅的鈍化膜。對(duì)于測量溫度或濕度的檢測電路，暗単元17周圍可以添加隔熱或隔濕的保護(hù)膜以作為屏蔽層，通?？梢詾榈?、氧化物或其組合疊層。將惠斯通電橋的一端與時(shí)鐘信號(hào)CLK相連，從而通過調(diào)制的方法將低頻噪聲和偏移電壓與信號(hào)進(jìn)行分離，從而提高系統(tǒng)的信噪比但又不引入額外的電路。具體地，在傳統(tǒng)的斬波放大器中，乘法器11通常包括四個(gè)開關(guān)MOS管，而與圖I所示的傳統(tǒng)斬波放大器相比，依照本發(fā)明的放大電路將四個(gè)相同構(gòu)造組成的惠斯通電橋15替換了第一乘法器11，也即在版圖上沒有引入額外的電路結(jié)構(gòu)，版圖面積僅增加了傳感器比開關(guān)MOS管大的那一部分，特別是對(duì)于那些CMOS圖像傳感器而言傳感器面積增大并不明顯且エ藝兼容，能以較低的面積、成本代價(jià)獲取了性能的大幅提升。前級(jí)放大器10采用全差分的形式，配合惠斯通電橋15完成調(diào)制的功能。當(dāng)前級(jí)放大器10采用反饋結(jié)構(gòu)時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)需求采用加減運(yùn)算電路等不同的反饋結(jié)構(gòu)以滿足不同的增益需求等，被測信號(hào)從前級(jí)放大器10的輸出端(連接至第I濾波器12的輸入端)通過電阻或電容等無源元件構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)通過電壓反饋或電流反饋等形式反饋回輸入端(惠斯通電橋15的輸出端，也即C/D)。當(dāng)前級(jí)放大器10采用輸入級(jí)和輸出級(jí)元件匹配結(jié)構(gòu)時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)需求采用不同尺寸或結(jié)構(gòu)的輸入級(jí)和輸出級(jí)，以滿足不同的增 益需求等，輸入管和輸出管采用同一種類型的MOS管，并通過雙阱エ藝將管子的體端和源端連接在一起消除體效應(yīng)，可以達(dá)到足夠高的増益精度。第I濾波器12采用帶通濾波器形式時(shí)，其中心頻率和時(shí)鐘信號(hào)CLK的頻率fc相同，從而保證被調(diào)制到時(shí)鐘信號(hào)CLK頻率上的被測信號(hào)能無損失的通過濾波器。同時(shí)帶通濾波器的Q值必須足夠高，至少在5以上，從而保證能有效的消除偏移電壓和低頻噪聲。電路采用biquad形式，以降低電路的復(fù)雜度提高系統(tǒng)的集成度。當(dāng)?shù)贗濾波器12采用低通濾波器形式時(shí)，其截至頻率要大于時(shí)鐘信號(hào)CLK的頻率fc，以保證被調(diào)制到時(shí)鐘信號(hào)CLK頻率上的被測信號(hào)能無損失的通過濾波器。同時(shí)截至頻率不能大于時(shí)鐘信號(hào)CLK頻率fc的兩倍以上，以保證能有效的消除偏移電壓和低頻噪聲。電路采用全MOS的形式實(shí)現(xiàn)，以減小面積提聞系統(tǒng)的集成度。乘法器13可采用無源開關(guān)混頻器或其它形式的有源混頻器結(jié)構(gòu)。乘法器采用無源開關(guān)混頻器實(shí)現(xiàn)時(shí)，開關(guān)采用CMOS開關(guān)，采用エ藝所允許的最小尺寸，以減小開關(guān)所帯來的時(shí)鐘饋通和溝道電荷注入效應(yīng)。第2濾波器14采用低通濾波器，并采用有源RC濾波器的形式實(shí)現(xiàn)，以降低電路的復(fù)雜度。濾波器中的電容用MOS電容實(shí)現(xiàn)，以減小面積提高系統(tǒng)集成度。濾波器中的運(yùn)放采用兩級(jí)米勒補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)放形式，以保證對(duì)諧波信號(hào)有足夠的抑制。綜上所述，本發(fā)明通過引入三個(gè)暗單元與傳感器組成惠斯通電橋，并將惠斯通電橋的一端與時(shí)鐘信號(hào)CLK相連，從而通過調(diào)制的方法將低頻噪聲和偏移電壓與信號(hào)進(jìn)行分離，從而提高系統(tǒng)的信噪比但又不引入額外的大型電路。盡管已參照ー個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例說明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對(duì)電路結(jié)構(gòu)和具體構(gòu)件做出各種合適的改變和等價(jià)方式。此外，由所公開的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或構(gòu)件的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式而公開的特定實(shí)施例，而所公開的電路結(jié)構(gòu)和具體構(gòu)件將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種與傳感器耦合的斬波放大器電路，包括與傳感器耦合在一起的斬波放大器電路，所述斬波放大器從信號(hào)輸入端至輸出端依次包括惠斯通電橋，用于將傳感器的測量值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并依據(jù)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)制； 前級(jí)放大電路，用于將所述惠斯通電橋調(diào)制后的信號(hào)放大； 第I濾波器，用于降低所述前級(jí)放大電路輸出的失調(diào)電壓及噪聲； 乘法器，用于依據(jù)調(diào)制控制信號(hào)將所述第I濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)； 第2濾波器，用于消除所述乘法器輸出的因斬波帶來的諧波分量并輸出信號(hào)； 其中，所述惠斯通電橋由所述傳感器和三個(gè)暗單元串并聯(lián)組成，所述傳感器與第一暗單元構(gòu)成第一串聯(lián)結(jié)構(gòu)，第二暗単元與第三暗單元構(gòu)成第二串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述第一和第二串聯(lián)結(jié)構(gòu)再并聯(lián)構(gòu)成所述惠斯通電橋；以及 所述時(shí)鐘信號(hào)的輸入端為所述第一和第二串聯(lián)結(jié)構(gòu)的一個(gè)并聯(lián)端，所述調(diào)制后的信號(hào)的輸出端分別為所述第一和第二串聯(lián)結(jié)構(gòu)的串聯(lián)端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的與傳感器耦合的斬波放大器電路，其中所述時(shí)鐘信號(hào)和所述調(diào)制控制信號(hào)為同一時(shí)鐘信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的與傳感器耦合的斬波放大器電路，其中所述傳感器和所述三個(gè)暗單元具有相同的特性，所述傳感器感受被測量，所述三個(gè)暗単元上具有屏蔽層而不感受被測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的與傳感器耦合的斬波放大器電路，其中所述第一和第二串聯(lián)結(jié)構(gòu)的另ー個(gè)并聯(lián)端為參考電平端。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的與傳感器耦合的斬波放大器電路，其中所述前級(jí)放大電路采用反饋結(jié)構(gòu)以保證放大精度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的與傳感器耦合的斬波放大器電路，其中所述前級(jí)放大電路不采用反饋結(jié)構(gòu)，所述前級(jí)放大電路的輸入級(jí)和輸出級(jí)采用匹配元件以保證放大精度。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的與傳感器耦合的斬波放大器電路，其中所述第I濾波器采用帶通濾波器，其中心頻率和所述時(shí)鐘信號(hào)的頻率相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的與傳感器耦合的斬波放大器電路，其中所述第I濾波器采用低通濾波器，其截至頻率大于所述時(shí)鐘信號(hào)的頻率。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種與傳感器耦合的斬波放大器電路，其不需要額外的偏移電壓調(diào)整電路和偏移溫度特性調(diào)整電路即可實(shí)現(xiàn)減小傳感器的偏移電壓以及該偏移電壓的溫度特性，并能有效的降低傳感器的低頻噪聲。提供了一個(gè)由傳感器和三個(gè)暗單元組成的惠斯通電橋，并通過時(shí)鐘信號(hào)CLK的控制將電信號(hào)調(diào)整到高頻。隨后用濾波器對(duì)信號(hào)中的偏移電壓和低頻噪聲進(jìn)行濾除，再用乘法器將信號(hào)解調(diào)回低頻。此電路不但比常規(guī)電路更簡單，并且也具有比常規(guī)電路更高的信噪比。
文檔編號(hào)H03F3/187GK102694510SQ20111006817
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2011年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月22日
發(fā)明者王瑋冰, 黃卓磊 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所