申请/专利权人：江西指芯智能科技有限公司

申请日：2017-09-14

公开（公告）日：2024-06-07

公开（公告）号：CN109510601B

主分类号：H03F3/45

分类号：H03F3/45

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.07#授权;2024.05.28#著录事项变更;2019.04.16#实质审查的生效;2019.03.22#公开

摘要：一种开关电容减法电路和传感器设备，所述电路包括：运算放大器，其同相输入端接基准电压；第一电容电路，接入第一输入信号和所述基准电压，所述第一电容电路的输出端具有第一极性；第二电容电路，接入第二输入信号和所述基准电压，所述第二电容电路的输出端且具有与所述第一极性相反的第二极性；及积分电容；其中，第一输入信号和所述第二输入信号之间有差值，所述第一电容电路和所述第二电容电路同时放电以各自将所存储的电量转移至所述积分电容。通过对两个具有差值输入信号进行分别采集，并将分别以极性相反的形式同时将所储存的电荷转移到积分电容，实现去共模相减。

主权项：1.一种开关电容减法电路，其特征在于，所述电路包括：运算放大器，其同相输入端接基准电压；第一电容电路，接入第一输入信号和所述基准电压，所述第一电容电路的输出端与所述运算放大器的反相输入端连接，且具有第一极性；第二电容电路，接入第二输入信号和所述基准电压，所述第二电容电路的输出端与所述第一电容电路的输出端连接，且具有与所述第一极性相反的第二极性；及积分电容，连接在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间；其中，第一输入信号和所述第二输入信号之间有差值，所述第一电容电路和所述第二电容电路陪配置为：同时放电，以将所存储的电量转移至所述积分电容；所述第一电容电路包括第一采样电容、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中：所述第一采样电容的第一端通过所述第一开关接入所述第一输入信号，所述第一采样电容的第一端与所述第二开关的一端连接，所述第一采样电容的第二端分别通过所述第三开关和第四开关接所述基准电压，所述第二开关的另一端作为所述第一电容电路的输出端；所述第一开关和所述第四开关受第一开关信号控制，所述第二开关和所述第四开关受与所述第一开关信号相交错的第二开关信号控制；所述第二电容电路包括第二采样电容、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，其中：所述第二采样电容的第一端通过所述第五开关接入所述第二输入信号，所述第二采样电容的第一端还通过所述第六开关接所述基准电压，所述第二采样电容的第二端通过所述第八开关接所述基准电压，所述第二采样电容的第二端接所述第七开关的一端，所述第七开关的第二端作为所述第一电容电路的输出端；所述第五开关和所述第八开关受所述第一开关信号控制，所述第六开关和所述第七开关受所述第二开关信号控制。

全文数据：开关电容减法电路和传感器设备技术领域本发明属于开关电容技术领域，尤其涉及一种开关电容减法电路和传感器设备。背景技术一些电子系统可包括用于处理信号的信号通道。例如，生物特征识别系统可包括具有用于对从生物特征识别传感器接收到的信号进行处理的信号通道的集成电路IC。信号通道可具有可由各种源产生的共模误差，例如与信号通道相关的共模噪声和或系统偏差。共模误差会降低利用信号通道处理的数据的完整性。例如，在生物特征识别系统实施方式中，信号通道的共模误差可产生在利用生物特征识别系统产生的生物特征图像中造成可视假象的逐行模式误差。在特定应用中，通过使用差分信号、通过增大电路面积或功耗等来减少共模误差，但都不是合理的解决方案。发明内容本发明的目的在于提供一种开关电容减法电路和传感器设备，旨在解决传统的技术方案中存在减少共模误差的方案不合理的问题。一种开关电容减法电路，所述电路包括：运算放大器，其同相输入端接基准电压；第一电容电路，接入第一输入信号和所述基准电压，所述第一电容电路的输出端与所述运算放大器的反相输入端连接，且具有第一极性；第二电容电路，接入第二输入信号和所述基准电压，所述第二电容电路的输出端与所述第一电容电路的输出端连接，且具有与所述第一极性相反的第二极性；及积分电容，连接在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间；其中，第一输入信号和所述第二输入信号之间有差值，所述第一电容电路和所述第二电容电路陪配置为：同时放电，以将所存储的电量转移至所述积分电容。优选地，所述第一电容电路包括第一电容，所述第一电容充电时，其第一端加载所述第一输入信号，第二端加载所述基准电压；所述第一电容放电时，其第二端加载所述基准电压，第一端作为所述第一电容电路的输出端放电。优选地，所述第二电容电路包括第二电容，所述第二电容充电时，其第一端加载所述第二输入信号，第二端加载所述基准电压；所述第二电容放电时，第一端加载所述基准电压，第二端作为所述第二电容电路的输出端放电。优选地，所述第一电容电路还包括第一采样电容、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中：所述第一采样电容的第一端通过所述第一开关接入所述第一输入信号，所述第一采样电容的第一端与所述第二开关的一端连接，所述第一采样电容的第二端分别通过所述第三开关和第四开关接所述基准电压，所述第二开关的另一端作为所述第一电容电路的输出端；所述第一开关和所述第四开关受第一开关信号控制，所述第二开关和所述第四开关受与所述第一开关信号相交错的第二开关信号控制。优选地，所述第二容电路还包括第二采样电容、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，其中：所述第二采样电容的第一端通过所述第五开关接入所述第二输入信号，所述第二采样电容的第一端还通过所述第六开关接所述基准电压，所述第二采样电容的第二端通过所述第八开关接所述基准电压，所述第二采样电容的第二端接所述第七开关的一端，所述第七开关的第二端作为所述第二容电路的输出端；所述第五开关和所述第八开关受所述第一开关信号控制，所述第六开关和所述第七开关受所述第二开关信号控制。优选地，还包括受所述第一开关信号控制的第九开关，所述第九开关与所述积分电容并联。优选地，所述第一采样电容和所述第二采样电容的容量相同。此外，还提供了一种传感器设备，包括是述的开关电容减法电路。上述的开关电容减法电路通过对两个具有差值输入信号进行分别采集，并将分别以极性相反的形式同时将所储存的电荷转移到积分电容，实现去共模相减。并通过设置不同的积分电容与电容电路容量的比值关系，实现信号差值的增益调整。附图说明图1为本发明较佳实施例提供的开关电容减法电路结构示意图；图2为图1所示的开关电容减法电路的输入信号、开关信号时序以及输出信号图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。图1示出了本发明较佳实施例提供的可应用于例如指纹识别器等传感器设备的开关电容减法电路，所述电路包括运算放大器OP1、第一电容电路10、第二电容电路20及积分电容Cint。运算放大器OP1其同相输入端+Ip接基准电压VRF；第一电容电路10接入第一输入信号IN0和基准电压VRF，第一电容电路10的输出端101与运算放大器OP1的反相输入端-In连接，且具有第一极性。第二电容电路20接入第二输入信号IN1和基准电压VRF，第二电容电路20的输出端201与运算放大器OP1的反相输入端-In第一电容电路10的输出端101连接，且具有与第一极性相反的第二极性；积分电容Cint连接在运算放大器OP1的反相输入端-In和输出端OUT之间；其中，第一输入信号IN0和第二输入信号IN1之间有差值，第一电容电路10和第二电容电路20陪配置为：同时放电，以将所存储的电量转移至积分电容Cint，使得积分电容Cint的充电电量为第一电容电路10和第二电容电路20的放电量的绝对值之差，如此，两个极性相反的电容电路10、20同时通过共接点-In端向积分电容Cint充电，在共接点上使得第一输入信号IN0和第二输入信号IN1之间的共模信号被消除。可以理解的是，积分电容Cint在第一电容电路10和第二电容电路20充电阶段需要被短路，积分电容Cint在第一电容电路10和第二电容电路20放电阶段被接通。本实施例中，第一电容电路10包括第一电容Ci0，第一电容Ci0充电时，其第一端加载第一输入信号IN0，第二端加载基准电压VRF；第一电容Ci0放电时，其第二端加载基准电压VRF，第一端作为第一电容电路10的输出端101放电。第二电容电路20包括第二电容Ci1，第二电容Ci1充电时，其第一端加载第二输入信号IN1，第二端加载基准电压VRF；第二电容Ci1放电时，第一端加载基准电压VRF，第二端作为第二电容Ci1电路20的输出端201放电。可以理解的是，第一电容Ci0的容量和第二电容Ci1的容量相等，设为C。另外，积分电容Cint的容量Cint＝n×C，n为系数。当n小于1时第一输入信号IN0和第二输入信号IN1之间的信号差值被放大，当n大于1时信号差值被压缩。即信号差值可以根据n值不同而实现放大、缩小和原始大小。请参阅图1和图2，在更具体的实施方式中，第一电容电路10包括第一采样电容Ci0、第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3和第四开关s4。第一采样电容Ci0的第一端通过第一开关s1接入第一输入信号IN0，第一采样电容Ci0的第一端与第二开关s2的一端连接，第一采样电容Ci0的第二端分别通过第三开关s3和第四开关s4接基准电压VRF，第二开关s2的另一端作为第一电容电路10的输出端101；第一开关s1和第四开关s4受第一开关s1信号控制，第二开关s2和第四开关s4受与第一开关信号P1相交错的第二开关信号P1n控制。第二电容电路20还包括第二采样电容Ci1、第五开关s5、第六开关s6、第七开关s7和第八开关s8。第二采样电容Ci1的第一端通过第五开关s5接入第二输入信号IN1，第二采样电容Ci1的第一端还通过第六开关s6接基准电压VRF，第二采样电容Ci1的第二端通过第八开关s8接基准电压VRF，第二采样电容Ci1的第二端接第七开关s7的一端，第七开关s7的第二端作为第二电容电路20的输出端201；第五开关s5和第八开关s8受第一开关信号P1控制，第六开关s6和第七开关s7受第二开关信号P1n控制。优选地，还包括受第一开关信号P1控制的第九开关，第九开关与积分电容Cint并联。可以理解的是第一采样电容Ci0即上述第一电容Ci0，第二采样电容Ci1即上述的第二电容Ci1；上述开关可以采用MOS管或三极管实现。请参阅图1和图2，在更详细的实施方式中，输出信号范围与第一输入信号IN0和第二输入信号IN1的差值相关，与他们的共模信号无关。第一输入信号IN0和第二输入信号IN1的差值信号可以通过调整积分电容Cint来设定差值增益。首先，在信号采样和差值积分阶段，通过电荷守恒我们得出如下结论：OUT＝VRF+IN0-IN1×CCint＝VRF+IN0-IN1×Cn×C＝VRF+IN0-IN1n.可见，当n小于1时信号差值被放大，当n大于1时信号差值被压缩。即信号差值可以根据n值不同而实现放大、缩小和原始大小。设Ci0＝Ci1＝Cint＝C.一、第一个工作周期：在第一开关信号P1高电平时间段，采样电容Ci0和Ci1以及积分电容Cint上电荷分别:Qi0＝[VCM-3-VRF]×Ci0＝[VCM-3-VRF]×C；Qi1＝[VCM+2-VRF]×Ci1＝[VCM+2-VRF]×C；在第一开关信号P1高电平时间段，积分电容Cint两端被短接，则Qint＝0；其中，VCM为共模信号，其中，上述数值参数如2、3为电压数值。在第二开关信号P1n高电平时间段，由于运放特性，将会使运算放大器OP1两端电压In≈Ip，从而使得采样电容Ci0和Ci1上储存电荷转移到积分电容Cint上，由于其中两个储存电容在此以相反的极性介入运算放大器OP1的反相输入端-In，所以在电荷转移到积分电容Cint前在-In端的等效电荷Qtotal为：Qtotal＝Qi0`+Qi1`＝-5×C；可见共模信号VCM被去掉其中，Qi0`＝[VCM-3-VRF]×Ci0＝[VCM-3-VRF]×C；其中，Qi1`＝-[VCM+2-VRF]×Ci0＝-[VCM+2-VRF]×C；电荷转移到积分电容Cint后在-In端的等效电荷：Qint`＝VRF-OUT×C；转移前后电荷量相同：Qtotal＝Qint`，即：-5×C＝VRF-OUT×C；得出：OUT＝VRF+5.二、第2个工作周期在第一开关信号P1高电平时间段，采样电容Ci0和Ci1以及积分电容Cint上电荷分别：Qi0＝[VCM+2-VRF]×Ci0＝[VCM+2-VRF]×C；Qi1＝[VCM-2-VRF]×Ci1＝[VCM-2-VRF]×C；在第一开关信号P1高电平时间段，积分电容Cint两端被短接，则Qint＝0；在第二开关信号P1n高电平时间段，由于运放特性，将会使In≈Ip，从而使得采样电容Ci0和Ci1上储存电荷转移到积分电容Cint上，由于其中两个储存电容在此以相反的极性介入-In端，所以在电荷转移到积分电容Cint前在-In端的等效电荷：Qtotal＝Qi0`+Qi1`＝4×C；可见共模信号VCM被去掉Qi0`＝[VCM+2-VRF]×Ci0＝[VCM+2-VRF]×C；Qi1`＝-[VCM-2-VRF]×Ci0＝-[VCM-2-VRF]×C；电荷转移到积分电容Cint后在-In端的等效电荷：Qint`＝VRF-OUT×C；转移前后电荷量相同：Qtotal＝Qint`，即：4×C＝VRF-OUT×C；得出：OUT＝VRF-4.三、第三个工作周期在第一开关信号P1高电平时间段，采样电容Ci0和Ci1以及积分电容Cint上电荷分别：Qi0＝[VCM-2-VRF]×Ci0＝[VCM-2-VRF]×C；Qi1＝[VCM+2-VRF]×Ci1＝[VCM+2-VRF]×C；在第一开关信号P1高电平时间段，积分电容Cint两端被短接，则Qint＝0；在第二开关信号P1n高电平时间段，由于运放特性，将会使In≈Ip，从而使得采样电容Ci0和Ci1上储存电荷转移到积分电容Cint上，由于其中两个储存电容在此以相反的极性介入-In端，所以在电荷转移到积分电容Cint前在-In端的等效电荷：Qtotal＝Qi0`+Qi1`＝-4×C；共模信号VCM被去掉Qi0`＝[VCM-2-VRF]×Ci0＝[VCM-2-VRF]×C；Qi1`＝-[VCM+2-VRF]×Ci0＝-[VCM+2-VRF]×C；电荷转移到积分电容Cint后在-In端的等效电荷：Qint`＝VRF-OUT×C；转移前后电荷量相同：Qtotal＝Qint`，即：-4×C＝VRF-OUT×C；得出：OUT＝VRF+4.通过上述计算，我们可以清晰看出通过这个电路的处理，可以实现输入信号共模信号的去处，并实现输入信号的差值处理。如此，通过对两个具有差值输入信号进行分别采集，并将分别以极性相反的形式同时将所储存的电荷转移到积分电容Cint，实现去共模相减。并通过设置不同的积分电容Cint与电容电路容量的比值关系，实现信号差值的增益调整。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种开关电容减法电路，其特征在于，所述电路包括：运算放大器，其同相输入端接基准电压；第一电容电路，接入第一输入信号和所述基准电压，所述第一电容电路的输出端与所述运算放大器的反相输入端连接，且具有第一极性；第二电容电路，接入第二输入信号和所述基准电压，所述第二电容电路的输出端与所述第一电容电路的输出端连接，且具有与所述第一极性相反的第二极性；及积分电容，连接在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间；其中，第一输入信号和所述第二输入信号之间有差值，所述第一电容电路和所述第二电容电路陪配置为：同时放电，以将所存储的电量转移至所述积分电容。2.如权利要求1所述的开关电容减法电路，其特征在于，所述第一电容电路包括第一电容，所述第一电容充电时，其第一端加载所述第一输入信号，第二端加载所述基准电压；所述第一电容放电时，其第二端加载所述基准电压，第一端作为所述第一电容电路的输出端放电。3.如权利要求1或2所述的开关电容减法电路，其特征在于，所述第二电容电路包括第二电容，所述第二电容充电时，其第一端加载所述第二输入信号，第二端加载所述基准电压；所述第二电容放电时，第一端加载所述基准电压，第二端作为所述第二电容电路的输出端放电。4.如权利要求1所述的开关电容减法电路，其特征在于，所述第一电容电路包括第一采样电容、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中：所述第一采样电容的第一端通过所述第一开关接入所述第一输入信号，所述第一采样电容的第一端与所述第二开关的一端连接，所述第一采样电容的第二端分别通过所述第三开关和第四开关接所述基准电压，所述第二开关的另一端作为所述第一电容电路的输出端；所述第一开关和所述第四开关受第一开关信号控制，所述第二开关和所述第四开关受与所述第一开关信号相交错的第二开关信号控制。5.如权利要求4所述的开关电容减法电路，其特征在于，所述第一电容电路包括第二采样电容、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，其中：所述第二采样电容的第一端通过所述第五开关接入所述第二输入信号，所述第二采样电容的第一端还通过所述第六开关接所述基准电压，所述第二采样电容的第二端通过所述第八开关接所述基准电压，所述第二采样电容的第二端接所述第七开关的一端，所述第七开关的第二端作为所述第一电容电路的输出端；所述第五开关和所述第八开关受所述第一开关信号控制，所述第六开关和所述第七开关受所述第二开关信号控制。6.如权利要求4或5所述的开关电容减法电路，其特征在于，还包括受所述第一开关信号控制的第九开关，所述第九开关与所述积分电容并联。7.如权利要求5所述的开关电容减法电路，其特征在于，所述第一采样电容和所述第二采样电容的容量相同。8.一种传感器设备，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的开关电容减法电路。

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