CN110380700A - 前置放大器、mems传感器读出电路以及mems传感器*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前置放大器、MEMS传感器读出电路以及MEMS传感器***，所述前置放大器包括第一运算放大器，所述第一运算放大器包括第一偏置电路，所述前置放大器还包括第一同步切换电流提供电路；所述第一同步切换电流提供电路用于向所述第一偏置电路提供第一偏置电流，所述第一偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值小于所述第一偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值。本发明提供的前置放大器、MEMS传感器读出电路以及MEMS传感器***，保证所述读出电路具有低噪声的同时，降低所述读出电路的功耗，从而降低MEMS传感器***的功耗，有效解决了MEMS传感器***低功耗与低噪声的矛盾。

Description

前置放大器、MEMS传感器读出电路以及MEMS传感器***

技术领域

本发明涉及微机电***技术领域，具体涉及一种前置放大器、MEMS传感器读出电路以及MEMS传感器***。

背景技术

在人工智能、大数据以及物联网的进一步发展之下，数据收集显得尤为重要，而与数据收集息息相关的传感器技术也得到了迅速发展。尤其是物联网的发展，使得传感器产品需求大幅度增加，重心也逐渐转向技术含量较高的微机电***(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems)传感器领域。微机电***是利用传统的半导体工艺和材料，集微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信和电源等于一体的微型器件或***，具有小体积、低成本、集成化等优点。

图1是常见的MEMS传感器***的结构示意图，所述MEMS传感器***包括MEMS传感器11和读出电路。所述MEMS传感器11用于将压力、加速度以及流量等被测物理量转换为微弱的电信号输出，所述读出电路的一个工作周期可以划分为清零阶段和读出阶段两个工作阶段：工作于清零阶段时，所述读出电路对失调电压和输入端噪声进行存储；工作于读出阶段时，所述读出电路用于从读出信号中减掉所述失调电压和所述输入端噪声，读出与外界传感信号成比例的信号。所述读出电路通常包括前置放大器12和信号调理电路13：所述前置放大器12由第一运算放大器OPA1、第一偏置电流源Ib1以及一些其他元器件构成，用于对所述MEMS传感器11的输出信号进行放大处理；所述信号调理电路13由M个第二运算放大器OPA2、M个第二偏置电流源Ib2以及一些其他元器件构成，用于对所述前置放大器12的输出信号进行滤波和/或模数转换等处理，其中，所述第二运算放大器OPA2和所述第二偏置电流源Ib2一一对应，M为正整数。所述信号调理电路13可以是模拟电路，也可以是模数混合电路，通常包括由所述M个第二运算放大器OPA2和所述M个第二偏置电流源Ib2构成的比例微分器、积分器或者比例微分积分器等。

进一步，所述第一运算放大器OPA1和所述第二运算放大器OPA2通常包括偏置电路以及各级放大电路。在所述前置放大器12中，所述第一偏置电流源Ib1用于向所述第一运算放大器OPA1提供第一偏置电流，所述第一运算放大器OPA1中的第一偏置电路通过镜像等方式将所述第一偏置电流转换为保证所述第一运算放大器OPA1中的各级放大电路正常工作的电流；在所述信号调理电路13中，所述第二偏置电流源Ib2用于向对应的第二运算放大器OPA2提供第二偏置电流，所述第二运算放大器OPA2中的第二偏置电路通过镜像等方式将所述第二偏置电流转换为保证所述第二运算放大器OPA2中的各级放大电路正常工作的电流。

为了降低所述MEMS传感器***的噪声，所述第一运算放大器OPA1中的输入级放大电路中的输入对管的尺寸需要设置得很大。而输入对管的尺寸设置得越大，所述MEMS传感器***的功耗也会相应增大。因此，现有的MEMS传感器***无法同时满足低功耗和低噪声的需求。特别是在MEMS传感器负载较大的情况下，低功耗与低噪声矛盾尤为突出。

发明内容

本发明所要解决的是现有的MEMS传感器***无法同时满足低功耗和低噪声需求的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种前置放大器，应用于MEMS传感器读出电路，包括第一运算放大器，所述第一运算放大器包括第一偏置电路，所述前置放大器还包括第一同步切换电流提供电路；

所述第一同步切换电流提供电路用于向所述第一偏置电路提供第一偏置电流，所述第一偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值小于所述第一偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值。

可选的，所述第一同步切换电流提供电路包括参考电流源和N个电流控制开关，N为不小于2的整数；

所述参考电流源用于输出N个参考电流，所述N个参考电流与所述N个电流控制开关一一对应；

第n个电流控制开关的一端用于接收第n个参考电流，第n个电流控制开关的控制端用于接收第n个开关控制信号，所述N个电流控制开关的另一端相连并作为所述同步切换电流提供电路的输出端，1≤n≤N且n为整数。

可选的，所述前置放大器还包括第一信号产生电路；

所述第一信号产生电路用于产生所述开关控制信号。

可选的，所述前置放大器还包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关以及反馈电容；

所述第一开关的一端和所述第三开关的一端用于接收第一参考电压，所述第二开关的一端和所述第四开关的一端用于接收第二参考电压，所述第一开关的另一端和所述第二开关的另一端连接MEMS传感器的一个固定电极，所述第三开关的另一端和所述第四开关的另一端连接所述MEMS传感器的另一个固定电极，所述第一参考电压的电压值不小于0V，所述第二参考电压的电压值不大于0V；

所述第一运算放大器的反相输入端、所述第五开关的一端以及所述反馈电容的一端连接所述MEMS传感器的中间电极，所述第一运算放大器的同相输入端接地，所述第一运算放大器的输出端连接所述第五开关的另一端和所述第六开关的一端并作为所述前置放大器的输出端；

所述反馈电容的另一端连接所述第六开关的另一端和所述第七开关的一端，所述第七开关的另一端接地；

所述第一开关的控制端、所述第四开关的控制端以及所述第六开关的控制端用于接收第一控制信号，所述第二开关的控制端、所述第三开关的控制端、所述第五开关的控制端以及所述第七开关的控制端用于接收第二控制信号。

可选的，所述MEMS传感器读出电路还包括相位补偿单元；

所述相位补偿单元包括第八开关和补偿电容；

所述第八开关的一端连接所述运算放大器的输出端，所述第八开关的另一端连接所述补偿电容的一端，所述第八开关的控制端用于接收所述第二控制信号，所述补偿电容的另一端接地。

可选的，所述前置放大器还包括相位补偿单元，所述相位补偿单元包括第八开关和补偿电容；

所述第八开关的一端连接所述第一运算放大器的输出端，所述第八开关的另一端连接所述补偿电容的一端，所述第八开关的控制端用于接收所述第二控制信号，所述补偿电容的另一端接地。

可选的，所述前置放大器还包括第九开关；

所述第一运算放大器的反相输入端、所述第五开关的一端以及所述反馈电容的一端通过所述第九开关连接所述MEMS传感器的中间电极，所述第九开关的控制端用于接收所述第一控制信号。

可选的，所述前置放大器还包括第二信号产生电路；

所述第二信号产生电路用于产生所述第一控制信号和所述第二控制信号。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种MEMS传感器读出电路，包括信号调理电路以及上述前置放大器。

可选的，所述信号调理电路包括M个第二运算放大器和M个第二同步切换电流提供电路，所述第二运算放大器和所述第二同步切换电流提供电路一一对应，M为正整数；

所述第二运算放大器包括第二偏置电路；

所述第二同步切换电流提供电路用于向对应的第二偏置电路提供第二偏置电流，所述第二偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值小于所述第二偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值。

可选的，所述MEMS传感器读出电路还包括反馈电路；

所述第一偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值不大于所述第一偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值，且所述第一偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值不大于所述第一偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值；

所述第二偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值不大于所述第二偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值，且所述第二偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值不大于所述第二偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种MEMS传感器***，包括MEMS传感器，还包括上述MEMS传感器读出电路。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的前置放大器、MEMS传感器读出电路以及MEMS传感器***，所述前置放大器包括第一运算放大器和第一同步切换电流提供电路，由所述第一同步切换电流提供电路向所述第一运算放大器中的第一偏置电路提供第一偏置电流。由于所述第一偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值小于所述第一偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值，即：所述第一同步切换电流提供电路在所述读出电路工作于读出阶段向所述第一偏置电路提供大的偏置电流，使得所述第一偏置电路通过镜像等方式将所述第一偏置电流转换为大的电流，保证所述第一运算放大器能够驱动大的负载电容；所述第一同步切换电流提供电路在所述读出电路工作于清零阶段向所述第一偏置电路提供小的偏置电流，使得所述第一偏置电路通过镜像等方式将所述第一偏置电流转换为小的电流，保证所述第一运算放大器能够维持正常的工作状态即可，满足***的低功耗需求。因此，本发明提供的前置放大器、MEMS传感器读出电路以及MEMS传感器***，消除了低噪声与低功耗不可同时满足的矛盾，保证所述前置放大器具有低噪声的同时，使得所述前置放大器的功耗大幅度降低。通过合理的控制，本发明提供的前置放大器的功耗可降为原有功耗的三分之一，甚至更低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是常见的MEMS传感器***的结构示意图；

图2是本发明实施例的前置放大器的部分结构示意图；

图3是本发明实施例的第一同步切换电流提供电路的电路结构示意图；

图4是本发明一种实施例的前置放大器的电路结构示意图；

图5是本发明另一种实施例的前置放大器的电路结构示意图；

图6是本发明再一种实施例的前置放大器的电路结构示意图；

图7是本发明又一种实施例的前置放大器的电路结构示意图；

图8是本发明一种实施例的MEMS传感器***的电路结构示意图；

图9是图8所示的MEMS传感器***的控制信号的示意图；

图10是本发明另一种实施例的MEMS传感器***的电路结构示意图；

图11是图10所示的MEMS传感器***的控制信号的示意图。

具体实施方式

运算放大器的噪声与其输入对管的尺寸成反比，即输入对管的尺寸越大，运算放大器的噪声越低。以1/f噪声为例，场效应晶体管对应的1/f噪声V_n为：

其中，K为第一比例系数，W为场效应晶体管的导电沟道的宽度，L为场效应晶体管的导电沟道的长度，f为频率。当第一比例系数K与频率f固定时，场效应晶体管的尺寸越大，即场效应晶体管的导电沟道的宽度W和场效应晶体管的导电沟道的长度L越大，场效应晶体管对应的1/f噪声V_n越小。

工作在饱和状态的场效应晶体管的电流I_s为：

其中，k_p为第二比例系数，V_GS为场效应晶体管的栅源电压，V_th为场效应晶体管的阈值电压。在实际设计过程中，由于场效应晶体管的导电沟道的长度L变化范围相比于场效应晶体管的导电沟道的宽度W的变化较小，增大场效应晶体管的尺寸通常是通过增大场效应晶体管的宽度W实现。可以看出，当场效应晶体管的导电沟道的长度L、第二比例系数k_p、场效应晶体管的栅源电压V_GS以及场效应晶体管的阈值电压V_GS固定时，场效应晶体管的导电沟道的宽度W越大，场效应晶体管的电流I_s越大，电路的功耗也越大。

因此，为了降低图1所示的MEMS传感器***的噪声，所述第一运算放大器OPA1中的输入级放大电路中的输入对管的尺寸需要设置得很大。而输入对管的尺寸设置得越大，所述MEMS传感器***的功耗也会相应增大，现有的MEMS传感器***无法同时满足低功耗和低噪声的需求，特别是在MEMS传感器大负载的情况下，此矛盾更为突出。基于此，本发明提供一种前置放大器、MEMS传感器读出电路以及MEMS传感器***，通过在前置放大器中设置第一同步切换电流提供电路，由所述第一同步切换电流提供电路在所述读出电路的不同工作阶段，向所述前置放大器中的第一运算放大器中的第一偏置电路提供不同电流值的第一偏置电流，以消除低噪声与低功耗不可同时满足的矛盾。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供一种前置放大器，应用于MEMS传感器读出电路。图2是所述前置放大器的部分结构示意图，所述前置放大器包括第一运算放大器OPA1和第一同步切换电流提供电路21，所述第一运算放大器OPA1包括第一偏置电路以及各级放大电路。所述放大电路的级数通常为三级，即输入级放大电路、输出级放大电路以及中间级放大电路。所述放大电路的级数根据实际需求进行设置，本实施例对此不进行限定。进一步，所述第一运算放大器OPA1除包括所述第一偏置电路以及各级放大电路外，还可以根据实际需求设置一些功能电路，例如保护电路等。所述前置放大器为所述读出电路的一部分，所述读出电路的一个工作周期可以划分为清零阶段和读出阶段两个工作阶段：工作于清零阶段时，所述读出电路对失调电压和输入端噪声进行存储；工作于读出阶段时，所述读出电路用于从读出信号中减掉所述失调电压和所述输入端噪声，读出与外界传感信号成比例的信号。

具体地，所述第一同步切换电流提供电路21用于向所述第一偏置电路提供第一偏置电流，所述第一偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值小于所述第一偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值。所述第一偏置电路通过镜像等方式将所述第一偏置电流转换为保证各级放大电路正常工作的电流；各级放大电路用于对所述第一运算放大器OPA1的输入信号进行放大。由于所述读出电路工作在读出阶段时，所述读出电路是读出与外界传感信号成比例的信号，所述前置放大器需要驱动大的负载电容，因而所述第一偏置电流设置得更大，保证各级放大电路的电流更大。而所述读出电路工作在清零阶段时，所述读出电路是对失调电压和输入端噪声进行存储，所述前置放大器不需要驱动大的负载电容，只需要维持各级放大电路的工作状态，因而可以减小所述第一偏置电流的电流值，使得各级放大电路的电流减小，从而降低整个***的功耗。因此，所述前置放大器消除了低噪声与低功耗不可同时满足的矛盾，保证所述前置放大器具有低噪声的同时，使得所述前置放大器的功耗大幅度降低。

若不采用电流值大小不同的第一偏置电流，所述第一偏置电流在清零阶段的电流值I₁和所述第一偏置电流在读出阶段的电流值I₂的比值为I₁:I₂＝1:1。所述第一偏置电流通过镜像电流源镜像到所述第一运算放大器OPA1输入级以及输出级等电路，假设清零阶段的时钟占空比φ₁和读出阶段的时钟占空比φ₂的比值为φ₁:φ₂＝3:1，镜像比例系数为k，则所述前置放大器在一个周期内的平均电流为：

而采用本实施例提供的前置放大器，若所述第一偏置电流在清零阶段的电流值I₁'和所述第一偏置电流在读出阶段的电流值I'₂的比值为I₁':I'₂＝0.2:1，其中I'₂＝I₂，其他设置不变，则此时所述前置放大器在一个周期内的平均电流为：

可以看出，本实施例提供的前置放大器在一个周期内的平均电流的电流值，降为现有前置放大器在一个周期内的平均电流的电流值的0.4倍。通过合理设置所述第一偏置电流在清零阶段的电流值、所述第一偏置电流在读出阶段的电流值以及时钟占空比，可以将所述前置放大器的功耗降为原来的一半或者三分之一，甚至更低。

需要说明的是，所述第一同步切换电流提供电路21可以与所述第一运算放大器OPA1集成在一起，也可以与所述第一运算放大器OPA1相互独立设置，本实施例对此不进行限定。由于所述第一运算放大器OPA1的具体电路结构并非本实施例的改进点，所述第一运算放大器OPA1可采用现有的电路结构实现，因而本实施例不再对所述第一运算放大器OPA1的具体电路结构进行详细的描述。图3是所述第一同步切换电流提供电路21的一种具体电路结构，所述第一同步切换电流提供电路21包括参考电流源31和N个电流控制开关，所述N个电流控制开关包括电流控制开关K31、电流控制开关K32、……、电流控制开关K3N，其中，N为不小于2的整数。

具体地，所述参考电流源31用于输出N个参考电流。所述参考电流源31可以为普通的电流源，也可以为带隙基准电流源。所述带隙基准电流源输出的电流与温度无关，因而可以提高所述第一偏置电流的准确性。所述N个参考电流与所述N个电流控制开关一一对应，即所述参考电流源31将每个参考电流对应提供给一个电流控制开关。所述N个参考电流的电流值可以全部相同，也可以部分相同，还可以全部不相同。例如，第n个参考电流的电流值可以为第一个参考电流的电流值的n倍，1≤n≤N且n为整数，本实施例对此不进行限定。

第n个电流控制开关的一端用于接收第n个参考电流，第n个电流控制开关的控制端用于接收第n个开关控制信号，所述N个电流控制开关的另一端相连并作为所述第一同步切换电流提供电路21的输出端，所述第一同步切换电流提供电路21的输出端用于产生所述第一偏置电流，1≤n≤N且n为整数。例如，第一个电流控制开关K31的一端用于接收第一个参考电流，第一个电流控制开关K31的控制端用于接收第一个开关控制信号S31；第二个电流控制开关K32的一端用于接收第二个参考电流，第二个电流控制开关K32的控制端用于接收第一个开关控制信号S32；……；第N个电流控制开关K3N的一端用于接收第N个参考电流，第N个电流控制开关K3N的控制端用于接收第N个开关控制信号S3N。所述N个电流控制开关可以为NMOS晶体管、PMOS晶体管或者CMOS开关等开关中的一种或者多种组合，本实施例对此不进行限定。

通过对每个电流控制开关的控制端施加对应的开关控制信号，可以控制每个电流控制开关的开关状态。所述N个电流控制开关的开关状态不同，产生的所述第一偏置电流的电流值也不相同。因此，所述第一同步切换电流提供电路21可以向所述第一偏置电路提供电流值不同的所述第一偏置电流，满足所述第一运算放大器OPA1的工作状态需求。进一步，由于在所述第一同步切换电流提供电路21中设置了所述N个电流控制开关，N的取值不小于2，因而所述第一同步切换电流提供电路21可以实现两个以上不同电流值，所述第一运算放大器OPA1在同一工作状态时，所述第一偏置电流可以是某一个参考电流，也可以是某几个参考电流的组合。由此可以根据具体功耗设计需求，灵活实现所述第一运算放大器OPA1在不同工作阶段的电流。

所述开关控制信号可以由所述前置放大器的外部电路提供，也可以由设置在所述前置放大器内部的电路提供。当所述开关控制信号由设置在所述前置放大器内部的电路提供时，所述前置放大器还包括第一信号产生电路，所述第一信号产生电路用于产生所述开关控制信号。所述开关控制信号由所述电流控制开关的具体结构确定，例如，当所述电流控制开关为NMOS晶体管、PMOS晶体管或者CMOS开关时，所述开关控制信号为方波信号。相应地，所述第一信号产生电路为方波发生器。进一步，当所述电流控制开关为NMOS晶体管时，所述方波信号的高电平控制所述电流控制开关导通，所述方波信号的低电平控制所述电流控制开关断开；当所述电流控制开关为PMOS晶体管时，所述方波信号的高电平控制所述电流控制开关断开，所述方波信号的低电平控制所述电流控制开关导通。

需要说明的是，所述第一同步切换电流提供电路21并不限于图3所示的结构，只要能够提供两个或者两个以上电流值的电流产生电路都可以作为所述第一同步切换电流提供电路21。

对于不同的MEMS传感器，所述前置放大器的具体电路也不相同。以电容式MEMS传感器为例，所述前置放大器可以为相关双采样电路，也可以为自动归零电路。以所述前置放大器为自动归零电路为例，图4是所述前置放大器的一种具体电路结构。其中，MEMS传感器40包括两个固定电极和一个中间电极，其中，一个固定电极和所述中间电极之间的电容可以采用等效电容Ca表示，另一个固定电极和所述中间电极之间的电容可以采用等效电容Cb表示。所述前置放大器除包括所述第一运算放大器OPA1和所述第一同步切换电流提供电路21外，还包括第一开关K41、第二开关K42、第三开关K43、第四开关K44、第五开关K45、第六开关K46、第七开关K47以及反馈电容C41。

具体地，所述第一开关K41的一端和所述第三开关K43的一端用于接收第一参考电压Vref1，所述第二开关K42的一端和所述第四开关K44的一端用于接收第二参考电压Vref2，所述第一开关K41的另一端和所述第二开关K42的另一端连接所述MEMS传感器40的一个固定电极，所述第三开关K43的另一端和所述第四开关K44的另一端连接所述MEMS传感器40的另一个固定电极，所述第一参考电压Vref1的电压值不小于0V，所述第二参考电压Vref2的电压值不大于0V。例如，在所述读出电路工作于读出阶段时，所述第二参考电压Vref2的电压值的绝对值可以与所述第一参考电压Vref1的电压值相等，所述第一参考电压Vref1的电压值大于0V；在所述读出电路工作于清零阶段时，所述第一参考电压Vref1的电压值和所述第二参考电压Vref2的电压值可以为0V。所述第一参考电压Vref1的电压值和所述第二参考电压Vref2的电压值，在所述读出电路工作于清零阶段时为0V，所述前置放大器负载电容驱动要求最低，所需所述第一同步切换电流提供电路21提供的电流最小，能够最大限度地降低所述前置放大器在清零阶段的功耗。

所述第一运算放大器OPA1的反相输入端、所述第五开关K45的一端以及所述反馈电容C41的一端连接所述MEMS传感器40的中间电极，所述第一运算放大器OPA1的同相输入端接地，所述第一运算放大器OPA1的输出端连接所述第五开关K45的另一端和所述第六开关K46的一端并作为所述前置放大器的输出端。所述反馈电容C41的另一端连接所述第六开关K46的另一端和所述第七开关K47的一端，所述第七开关K47的另一端接地。

所述第一开关K41的控制端、所述第四开关K44的控制端以及所述第六开关K46的控制端用于接收第一控制信号S41，所述第二开关K42的控制端、所述第三开关K43的控制端、所述第五开关K45的控制端以及所述第七开关K47的控制端用于接收第二控制信号S42。所述第一控制信号S41和所述第二控制信号S42均为周期性信号，且所述第一控制信号S41和所述第二控制信号S42为两相非重叠信号。

与所述电流控制开关类似，所述第一开关K41、所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第四开关K44、所述第五开关K45、所述第六开关K46以及所述第七开关K47可以为NMOS晶体管、PMOS晶体管或者CMOS开关等开关中的一种或者多种组合，本实施例对此不进行限定。通过对所述第一开关K41、所述第四开关K44以及所述第六开关K46施加所述第一控制信号S41，对所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第五开关K45以及所述第七开关K47施加所述第二控制信号S42，可以控制所述第一开关K41、所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第四开关K44、所述第五开关K45、所述第六开关K46以及所述第七开关K47的开关状态。

在所述读出电路工作于清零阶段时，施加所述第一控制信号S41控制所述第一开关K41、所述第四开关K44以及所述第六开关K46断开，施加所述第二控制信号S42控制所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第五开关K45以及所述第七开关K47导通，所述读出电路对失调电压和所述第一运算放大器OPA1的输入端噪声进行存储；在所述读出电路工作于读出阶段时，施加所述第一控制信号S41控制所述第一开关K41、所述第四开关K44以及所述第六开关K46导通，施加所述第二控制信号S42控制所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第五开关K45以及所述第七开关K47断开，所述读出电路用于从读出信号中减掉所述失调电压和所述输入端噪声，读出与外界传感信号成比例的信号。

在所述读出电路的一个工作周期内，所述第一开关K41、所述第四开关K44以及所述第六开关K46的导通时间小于所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第五开关K45以及所述第七开关K47的断开时间，且所述第一开关K41、所述第四开关K44以及所述第六开关K46由断开状态转换为导通状态的时刻，滞后于所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第五开关K45以及所述第七开关K47由导通状态转换为断开状态的时刻；所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第五开关K45以及所述第七开关K47由断开状态转换为导通状态的时刻，滞后于所述第一开关K41、所述第四开关K44以及所述第六开关K46由导通状态转换为断开状态的时刻。

所述第一控制信号S41和所述第二控制信号S42可以由所述前置放大器的外部电路提供，也可以由设置在所述前置放大器内部的电路提供。当所述第一控制信号S41和所述第二控制信号S42由设置在所述前置放大器内部的电路提供时，所述前置放大器还包括第二信号产生电路，所述第二信号产生电路用于产生所述第一控制信号S41和所述第二控制信号S42。需要说明的是，所述第二信号产生电路和所述第一信号产生电路可以为两个相互独立的电路模块，也可以为同一个电路模块，本实施例对此不进行限定。

实施例2

在一些应用场景中，需要对所述第一运算放大器OPA1的相位进行补偿。因此，本实施例提供一种前置放大器，与实施例1提供的前置放大器相比，区别在于：所述前置放大器还包括相位补偿单元，所述相位补偿单元用于补偿相位裕度，确保所述第一运算放大器OPA1的稳定性。图5是所述前置放大器的电路结构示意图，所述相位补偿单元包括第八开关K48和补偿电容C42。所述第八开关K48的一端连接所述第一运算放大器OPA1的输出端，所述第八开关K48的另一端连接所述补偿电容C42的一端，所述第八开关K48的控制端用于接收所述第二控制信号S42，所述补偿电容C42的另一端接地。在所述读出电路工作于读出阶段时，所述第二控制信号S42控制所述第八开关K48导通，通过所述补偿电容C42补偿相位裕度。当然，所述相位补偿单元的具体结构并不限于在所述第一运算放大器OPA1的输出端设置所述第八开关K48和所述补偿电容C42，例如还可以设置密勒补偿等，本实施例对此不进行限定。

实施例3

本实施例提供一种前置放大器，图6是所述前置放大器的电路结构示意图，与实施例1提供的前置放大器相比，区别在于：所述前置放大器还包括第九开关K49。所述第一运算放大器OPA1的反相输入端、所述第五开关K45的一端以及所述反馈电容C41的一端通过所述第九开关K49连接所述MEMS传感器40的中间电极，所述第九开关K49的控制端用于接收所述第一控制信号S41。通过设置所述第九开关K49，在所述读出电路工作于清零阶段时，所述第一控制信号S41控制所述第九开关K49断开，从而断开所述前置放大器与所述MEMS传感器40的连接，不受所述MEMS传感器40信号变化的影响，确保在所述读出电路工作于清零阶段时所述第一运算放大器OPA1的状态保持不变，易于实现所述前置放大器的低功耗。

实施例4

本实施例提供一种前置放大器，图7是所述前置放大器的电路结构示意图，与实施例2提供的前置放大器相比，区别在于：

所述前置放大器还包括第九开关K49。所述第一运算放大器OPA1的反相输入端、所述第五开关K45的一端以及所述反馈电容C41的一端通过所述第九开关K49连接所述MEMS传感器40的中间电极，所述第九开关K49的控制端用于接收所述第一控制信号S41。通过设置所述第九开关K49，在所述读出电路工作于清零阶段时，所述第一控制信号S41控制所述第九开关K49断开，从而断开所述前置放大器与所述MEMS传感器40的连接，不受所述MEMS传感器40信号变化的影响，确保在所述读出电路工作于清零阶段时所述第一运算放大器OPA1的状态保持不变，易于实现所述前置放大器的低功耗。

实施例5

本实施例提供一种MEMS传感器***以及MEMS传感器读出电路，图8是所述MEMS传感器***的电路结构示意图，所述MEMS传感器***包括MEMS传感器80以及所述MEMS传感器读出电路，所述MEMS传感器读出电路包括前置放大器81和信号调理电路82。所述MEMS传感器80用于将压力、加速度以及流量等被测物理量转换为微弱的电信号输出，例如可以为电容式MEMS传感器等；所述前置放大器81为实施例1至实施例4任一实施例提供的前置放大器。所述信号调理电路82用于对所述前置放大器81的输出信号进行滤波和/或模数转换等处理，其可以是模拟电路，也可以是模数混合电路。所述信号调理电路82的电路结构可以是图1所示的现有电路结构，即所述信号调理电路82包括由运算放大器和第二偏置电流源构成的比例微分器、积分器或者比例微分积分器等。

在本实施例中，所述信号调理电路82包括M个第二运算放大器OPA2和M个第二同步切换电流提供电路22，所述第二运算放大器OPA2和所述第二同步切换电流提供电路22一一对应，M为正整数。具体地，所述第二运算放大器OPA2包括第二偏置电路以及各级放大电路。所述第二同步切换电流提供电路22用于向对应的第二偏置电路提供第二偏置电流，所述第二偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值小于所述第二偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值。所述第二同步切换电流提供电路22的具体电路结构与所述第一同步切换电流提供电路21类似，可参考对所述第一同步切换电流提供电路21的描述，在此不再赘述。

需要说明的是，所述M个第二同步切换电流提供电路22可以相互独立设置，例如，每个第二同步切换电流提供电路22的电路结构如图3所示，每个第二运算放大器OPA2所需的偏置电流对应由一个电路提供；所述M个第二同步切换电流提供电路22也可以设置在一起，例如，所述M个第二同步切换电流提供电路22共用图3所示的参考电流源31，所述M个第二运算放大器OPA2所需的偏置电流由同一个电路提供；所述M个第二同步切换电流提供电路22还可以与所述第一同步切换电流提供电路21设置在一起，例如，所述M个第二同步切换电流提供电路22与所述第一同步切换电流提供电路21共用图3所示的参考电流源31，所述M个第二运算放大器OPA2和所述第一运算放大器OPA1所需的偏置电流由同一个电路提供。所述第二同步切换电流提供电路22可以与对应的第二运算放大器OPA2集成在一起，也可以与对应的第二运算放大器OPA2相互独立设置，本实施例对此不进行限定。

与所述前置放大器81类似，在所述读出电路工作在读出阶段时，所述信号调理电路82需要驱动大的负载电容，因而所述第二偏置电流设置得更大，保证各级放大电路的电流更大。而所述读出电路工作在清零阶段时，所述信号调理电路82不需要驱动大的负载电容，只需要维持各级放大电路的工作状态，因而可以减小所述第二偏置电流的电流值，使得各级放大电路的电流减小，从而进一步降低整个***的功耗。

所述读出电路的一个工作周期可以划分为清零阶段和读出阶段两个工作阶段。所述第一控制信号S41和所述第二控制信号S42由所述第一开关K41、所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第四开关K44、所述第五开关K45、所述第六开关K46以及所述第七开关K47的具体结构确定，例如，当所述第一开关K41、所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第四开关K44、所述第五开关K45、所述第六开关K46以及所述第七开关K47均为NMOS晶体管时，所述第一控制信号S41和所述第二控制信号S42如图9所示。

实施例6

本实施例提供一种MEMS传感器***以及MEMS传感器读出电路，图10是所述MEMS传感器***的电路结构示意图。与实施例5提供的读出电路相比，区别在于：所述读出电路还包括反馈电路84，所述反馈电路84用于在所述读出电路工作于反馈阶段时，将所述信号调理电路83的输出信号反馈至所述前置放大器82的输入端，即所述反馈电路84的输入端连接所述信号调理电路83的输出端，所述反馈电路84的输出端连接所述前置放大器82的输入端。由于所述反馈电路84的具体电路结构并非本实施例的改进点，所述反馈电路84可采用现有的电路结构实现，因而本实施例不再对所述反馈电路84的具体电路结构进行详细的描述。

仍以所述第一开关K41、所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第四开关K44、所述第五开关K45、所述第六开关K46以及所述第七开关K47均为NMOS晶体管为例，图11是本实施例的MEMS传感器***的控制信号的示意图。所述读出电路的一个工作周期被划分为清零阶段、读出阶段以及反馈阶段三个工作阶段：

在所述读出电路工作于清零阶段时，施加所述第一控制信号S41控制所述第一开关K41、所述第四开关K44以及所述第六开关K46断开，施加所述第二控制信号S42控制所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第五开关K45以及所述第七开关K47导通，且所述反馈电路84不工作，所述读出电路对失调电压和所述第一运算放大器OPA1的输入端噪声进行存储；

在所述读出电路工作于读出阶段时，施加所述第一控制信号S41控制所述第一开关K41、所述第四开关K44以及所述第六开关K46导通，施加所述第二控制信号S42控制所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第五开关K45以及所述第七开关K47断开，且所述反馈电路84不工作，所述读出电路用于从读出信号中减掉所述失调电压和所述输入端噪声，读出与外界传感信号成比例的信号；

在所述读出电路工作于反馈阶段时，施加所述第一控制信号S41控制所述第一开关K41、所述第四开关K44以及所述第六开关K46断开，施加所述第二控制信号S42控制所述第二开关K42、所述第三开关K43、所述第五开关K45以及所述第七开关K47导通，且所述反馈电路84工作，将所述读出电路的输出信号反馈至前端。

进一步，所述第一偏置电流和所述第二偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值，可根据实际需求设置。所述第一偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值不大于所述第一偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值，且所述第一偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值不大于所述第一偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值；所述第二偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值不大于所述第二偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值，且所述第二偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值不大于所述第二偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种前置放大器，应用于MEMS传感器读出电路，包括第一运算放大器，所述第一运算放大器包括第一偏置电路，其特征在于，所述前置放大器还包括第一同步切换电流提供电路；

所述第一同步切换电流提供电路用于向所述第一偏置电路提供第一偏置电流，所述第一偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值小于所述第一偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值。

2.根据权利要求1所述的前置放大器，其特征在于，所述第一同步切换电流提供电路包括参考电流源和N个电流控制开关，N为不小于2的整数；

所述参考电流源用于输出N个参考电流，所述N个参考电流与所述N个电流控制开关一一对应；

第n个电流控制开关的一端用于接收第n个参考电流，第n个电流控制开关的控制端用于接收第n个开关控制信号，所述N个电流控制开关的另一端相连并作为所述同步切换电流提供电路的输出端，1≤n≤N且n为整数。

3.根据权利要求2所述的前置放大器，其特征在于，还包括第一信号产生电路；

所述第一信号产生电路用于产生所述开关控制信号。

4.根据权利要求1所述的前置放大器，其特征在于，还包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关以及反馈电容；

所述第一开关的一端和所述第三开关的一端用于接收第一参考电压，所述第二开关的一端和所述第四开关的一端用于接收第二参考电压，所述第一开关的另一端和所述第二开关的另一端连接MEMS传感器的一个固定电极，所述第三开关的另一端和所述第四开关的另一端连接所述MEMS传感器的另一个固定电极，所述第一参考电压的电压值不小于0V，所述第二参考电压的电压值不大于0V；

所述第一运算放大器的反相输入端、所述第五开关的一端以及所述反馈电容的一端连接所述MEMS传感器的中间电极，所述第一运算放大器的同相输入端接地，所述第一运算放大器的输出端连接所述第五开关的另一端和所述第六开关的一端并作为所述前置放大器的输出端；

所述反馈电容的另一端连接所述第六开关的另一端和所述第七开关的一端，所述第七开关的另一端接地；

所述第一开关的控制端、所述第四开关的控制端以及所述第六开关的控制端用于接收第一控制信号，所述第二开关的控制端、所述第三开关的控制端、所述第五开关的控制端以及所述第七开关的控制端用于接收第二控制信号。

5.根据权利要求4所述的前置放大器，其特征在于，还包括相位补偿单元，所述相位补偿单元包括第八开关和补偿电容；

所述第八开关的一端连接所述第一运算放大器的输出端，所述第八开关的另一端连接所述补偿电容的一端，所述第八开关的控制端用于接收所述第二控制信号，所述补偿电容的另一端接地。

6.根据权利要求4或5所述的前置放大器，其特征在于，还包括第九开关；

所述第一运算放大器的反相输入端、所述第五开关的一端以及所述反馈电容的一端通过所述第九开关连接所述MEMS传感器的中间电极，所述第九开关的控制端用于接收所述第一控制信号。

7.根据权利要求4所述的前置放大器，其特征在于，还包括第二信号产生电路；

所述第二信号产生电路用于产生所述第一控制信号和所述第二控制信号。

8.一种MEMS传感器读出电路，其特征在于，包括信号调理电路以及权利要求1至7任一项所述的前置放大器。

9.根据权利要求8所述的MEMS传感器读出电路，其特征在于，所述信号调理电路包括M个第二运算放大器和M个第二同步切换电流提供电路，所述第二运算放大器和所述第二同步切换电流提供电路一一对应，M为正整数；

所述第二运算放大器包括第二偏置电路；

所述第二同步切换电流提供电路用于向对应的第二偏置电路提供第二偏置电流，所述第二偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值小于所述第二偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值。

10.根据权利要求9所述的MEMS传感器读出电路，其特征在于，还包括反馈电路；

所述第一偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值不大于所述第一偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值，且所述第一偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值不大于所述第一偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值；

所述第二偏置电流在所述读出电路工作于清零阶段的电流值不大于所述第二偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值，且所述第二偏置电流在所述读出电路工作于反馈阶段的电流值不大于所述第二偏置电流在所述读出电路工作于读出阶段的电流值。

11.一种MEMS传感器***，包括MEMS传感器，其特征在于，还包括权利要求8至10任一项所述的MEMS传感器读出电路。