本發(fā)明屬于集成電路，具體為一種微氣體傳感器陣列的電路結(jié)構(gòu)及工作方法。

背景技術(shù)：

1、在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的大背景下，氣體傳感器已然在日常生活的諸多領(lǐng)域得以應(yīng)用。伴隨著微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical?system，mems）技術(shù)日益進(jìn)步且不斷完善，氣體傳感器呈現(xiàn)出微型化、集成化的發(fā)展趨勢，以往那種大體積的后端電路及設(shè)備無法滿足當(dāng)下的實(shí)際需求，對后端電路進(jìn)行集成化處理成為現(xiàn)階段的新要求。鑒于此，圍繞微氣體傳感器陣列這一核心，去設(shè)計一款具備高性能的專用集成電路是極為必要的。

2、微陣列氣體傳感器陣列的輸出信號通常會受到噪聲等多種干擾的影響，因此，高性能的專用集成電路對于提升微傳感器陣列的性能起著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的微氣體傳感器專用集成電路在極端環(huán)境下其魯棒性可能不足，導(dǎo)致傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性受到影響。因此高精度強(qiáng)魯棒性的微氣體傳感器陣列專用集成電路一直是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種微氣體傳感器陣列的電路結(jié)構(gòu)及工作方法，采用共源共柵浮動反向動態(tài)放大器，顯著提升了電路對工藝、電壓和溫度（pvt）變化的不敏感性；通過增加時域比較器（comp）中壓控延遲的數(shù)量，降低輸入?yún)⒖荚肼暎辉诋惒絪ar邏輯后集成百納秒級超長延時模塊（delay），有效減少sar?adc采樣誤差，從而提高整個系統(tǒng)的測量精度；以滿足目前對微氣體傳感器陣列的接口控制電路的需求，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值和實(shí)用性。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

3、一種微氣體傳感器陣列的電路結(jié)構(gòu)，該電路結(jié)構(gòu)包括多路選擇器mux、可編程增益放大器pga、低通濾波器lpf、驅(qū)動器drive、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc、數(shù)字控制模塊digital?control以及iic接口；

4、所述多路選擇器mux用于從多個傳感器輸出的電信號中選擇電信號并傳送到后續(xù)的信號處理單元；

5、所述可編程增益放大器pga采用電阻反饋的方式，實(shí)現(xiàn)對信號的可編程增益放大；

6、可編程增益放大器pga的輸出端連接低通濾波器lpf，低通濾波器lpf用于對可編程增益放大器pga輸出的信號進(jìn)行濾波；

7、低通濾波器lpf的輸出端連接至驅(qū)動器drive，驅(qū)動器drive用于驅(qū)動逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc；驅(qū)動器drive的輸出端和基準(zhǔn)電壓的輸出端連接至逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器saradc，逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc用于將氣體傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；

8、所述逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc的電路包括采樣保持電路s/h、電容陣列dac+和dac-、電容陣列開關(guān)dac?switch、時域比較器comp、異步sar邏輯、百納秒級超長延時模塊delay、噪聲整形模塊；所述噪聲整形模塊包括電容陣列dac、電容陣列開關(guān)dac?switch、動態(tài)加權(quán)平均dwa邏輯、共源共柵浮動反向動態(tài)放大器、開關(guān)clk1、開關(guān)clk1n、積分電容cf；采樣保持電路s/h分別與輸入端vip、輸入vin、時鐘控制信號clks、電容陣列dac+、電容陣列dac-、電容陣列dac相連，電容陣列dac+和電容陣列dac-分別與電容陣列開關(guān)dac?switch相連；電容陣列dac+、電容陣列dac-、a1和a2連接時域比較器comp的輸入端，時域比較器comp的輸出端連接異步sar邏輯，異步sar邏輯的輸出端分別與電容陣列開關(guān)dac?switch、百納秒級超長延時模塊delay、dwa邏輯相連，百納秒級超長延時模塊delay的輸出端連接時域比較器comp，dwa邏輯的輸出端與電容陣列開關(guān)dac?switch相連，電容陣列dac分別與開關(guān)clk1和電容陣列開關(guān)dac?switch相連，開關(guān)clk1分別與開關(guān)clk1n、a1、a2、積分電容cf的上下極板以及共源共柵浮動反向放大器的同向輸入端、反向輸入端、同向輸出端、反向輸出端相連，開關(guān)clk1n與共模電壓vcm相連。

9、進(jìn)一步地，所述共源共柵浮動反向動態(tài)放大器的電路包括開關(guān)clkr、開關(guān)clk1、電容cx、電容cres、mos管mp1~mp4和mn1~mn4；

10、mos管mp1的源極和mos管mp2的源極與開關(guān)clk1相連，mos管mp1的漏極與mos管mp3的源極相連，mos管mp1的柵極分別與mos管mn3的柵極、電壓v+以及開關(guān)clkr相連，mos管mp2的漏極與mos管mp4的源極相連，mos管mp2的柵極分別與mos管mn4的柵極、電壓v-以及開關(guān)clkr相連，mos管mp3的柵極分別與共模點(diǎn)vcm、mos管mn1的柵極相連，mos管mp3的漏極分別與mos管mn1的漏極、電容cx、開關(guān)clkr相連，mos管mn1的源極與mos管mn3的漏極相連，mos管mn3的源極分別與mos管mn4的源極、開關(guān)clk1相連，mos管mp4的柵極分別與共模點(diǎn)vcm、mos管mn2的柵極相連，mos管mp4的漏極分別與mos管mn2的漏極、電容cx、開關(guān)clkr相連，電容cx的另一端連接地，mos管mn2的源極與mos管mn4的漏極相連，電容cres的上級板分別與開關(guān)clkr和開關(guān)clk1相連，電容cres的下級板分別與開關(guān)clkr和開關(guān)clk1相連。

11、一種微氣體傳感器陣列的電路結(jié)構(gòu)的工作方法，包括：

12、所述多路選擇器mux從多個傳感器輸出的電信號中選擇并傳送到可編程增益放大器pga；，采用軌對軌輸入輸出的方式的可編程增益放大器pga對信號可編程增益放大；可編程增益放大器pga的輸出端連接低通濾波器lpf，低通濾波器lpf對可編程增益放大器pga輸出信號進(jìn)行濾波；

13、經(jīng)濾波后的信號傳輸至驅(qū)動器drive，為逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc提供驅(qū)動力，信號輸入至逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc的輸入端vip；

14、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc電路使用偽差分輸入方式，輸入端vip連接輸入的氣體傳感器信號，另一輸入端vin連接基準(zhǔn)電壓vref；輸入信號通過clks時鐘信號控制采樣保持電路s/h進(jìn)入到ns-sar內(nèi)部，當(dāng)clks為高電平時對輸入信號進(jìn)行采樣，當(dāng)clks為低電平時對輸入信號進(jìn)行采樣保持；氣體傳感器信號和基準(zhǔn)電壓信號分別通過輸入端vip和輸入端vin輸入到時域比較器comp的其中兩個輸入端，時域比較器comp輸出第一次比較的結(jié)果給異步sar邏輯；異步sar邏輯通過百納秒級超長延時模塊delay輸出clkc復(fù)位信號將時域比較器comp復(fù)位，同時異步sar邏輯輸出信號控制電容陣列開關(guān)dac?switch對電容陣列dac+和電容陣列dac-進(jìn)行切換，電容陣列dac+和電容陣列dac-的電壓vdac+和vdac-開始依次進(jìn)行逐次逼近，電容陣列dac+和電容陣列dac-采用橋接電容方式，橋接電容ca的上極板接高位電容，橋接電容ca的下極板接低位電容；

15、當(dāng)信號clkc翻轉(zhuǎn)8次之后，時域比較器comp完成對輸入信號的逐次比較，異步sar邏輯輸出8位數(shù)字碼值bout<7:0>；dac+和dac-逐次逼近完成后產(chǎn)生的殘差電壓作為輸入信號，輸入到噪聲整形模塊中；該8位數(shù)字碼值bout<7:0>同時被送入由時鐘信號clk0控制的動態(tài)加權(quán)平均dwa邏輯中；

16、當(dāng)clk0翻轉(zhuǎn)為高電平時，動態(tài)加權(quán)平均dwa邏輯根據(jù)bout<7:0>的數(shù)值控制噪聲整形模塊中電容陣列開關(guān)dac?switch，實(shí)現(xiàn)電容切換；橋接電容cb的上極板連接至高位電容，而下極板則連接至低位電容；

17、當(dāng)時鐘信號clk1翻轉(zhuǎn)至高電平時，控制開關(guān)將兩個積分電容cf的下極板分別接入動態(tài)放大器的同相輸入端和反相輸入端，兩個積分電容cf的上極板分別接入動態(tài)放大器的同相輸出端和反相輸出端，從而開始對逐次逼近完成后產(chǎn)生的殘差電壓進(jìn)行噪聲整形處理；

18、噪聲整形后的電壓va1和va2分別被輸出到時域比較器comp的另外兩個輸入端；當(dāng)下一次的時鐘信號clks翻轉(zhuǎn)至低電平時，va1和va2將與原始輸入信號疊加，并一同進(jìn)入下一輪的逐次比較過程；

19、當(dāng)時鐘信號clk1n為高電平時，控制開關(guān)將兩個積分電容cf的上下極板均連接至共模電壓vcm，對兩個積分電容cf上的電荷清零，實(shí)現(xiàn)對積分電容cf的復(fù)位；

20、經(jīng)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc處理后的信號，再經(jīng)過數(shù)字控制模塊digitalcontrol后，由iic接口與外部單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時的串口通訊，實(shí)時顯示多路傳感器的輸出數(shù)據(jù)。

21、進(jìn)一步地，所述共源共柵浮動反向動態(tài)放大器工作過程分為復(fù)位和放大兩個階段：在復(fù)位階段，開關(guān)clkr為高電平，開關(guān)clk1為低電平，此時儲能電容cres被預(yù)充電到電源電壓；同時放大器處于鎖死狀態(tài)，其輸入和輸出均復(fù)位至vcm；在放大階段，開關(guān)clkr為低電平，開關(guān)clk1為高電平，共源共柵浮動反向動態(tài)放大器由cres供電。所述多路選擇器（mux）在片外微傳感器陣列中扮演著關(guān)鍵角色，它能夠從多個傳感器輸出的電信號中精準(zhǔn)選擇并傳送到后續(xù)的信號處理單元。這種設(shè)計不僅實(shí)現(xiàn)了信號處理單元的復(fù)用，還使得系統(tǒng)能夠同時處理多路信號，確保了多路傳感器信號的實(shí)時傳輸，極大地提升了數(shù)據(jù)采集和處理的效率，并且有助于減小芯片的面積。

22、所述可編程增益放大器（pga）采用電阻反饋的方式，實(shí)現(xiàn)對信號的可編程增益放大。pga設(shè)計采用了軌對軌輸入輸出的方式，確保氣體傳感器陣列的輸出信號在傳輸過程中幾乎不會失真。pga能夠精確放大分壓法輸出的微弱模擬信號，使其達(dá)到后續(xù)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（sar?adc）的量化電壓范圍；同時，pga還支持增益可調(diào)模式，以最大程度地降低輸入失調(diào)電壓，進(jìn)一步提升信號處理的準(zhǔn)確性。在pga之后采用低通濾波器（lpf）對輸出信號進(jìn)行濾波，提高pga輸出的信號質(zhì)量。

23、所述驅(qū)動器（drive）用于隔離pga和sar?adc，可以有效的減少sar?adc采樣開關(guān)切換狀態(tài)對pga負(fù)載的影響，并能對sar?adc有足夠強(qiáng)的驅(qū)動能力，保障信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

24、所述iic接口用于與外部單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時的串口通訊，從而能夠?qū)崟r顯示多路傳感器的輸出數(shù)據(jù)。

25、所述的sar?adc將氣體傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。所述逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc采用優(yōu)化的ns-sar架構(gòu)，該sar?adc模塊采用偽差分電路結(jié)構(gòu)，其線性度比單端輸入高，功耗比全差分輸入低；采用共源共柵浮動反向動態(tài)放大器，顯著提升了電路對工藝、電壓和溫度（pvt）變化的不敏感性；通過增加時域比較器（comp）中壓控延遲的數(shù)量，降低輸入?yún)⒖荚肼暎辉诋惒絪ar邏輯后集成百納秒級超長延時模塊（delay），有效減少sar?adc采樣誤差，提高整個系統(tǒng)的測量精度。本發(fā)明有益效果是：該電路結(jié)構(gòu)包括多路選擇器（mux），可編程增益放大器（pga），低通濾波器（lpf），驅(qū)動器（drive），逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（sar?adc），數(shù)字控制模塊（digital?control）以及用于通訊的iic接口。具體具有以下優(yōu)點(diǎn):

26、（1）采用共源共柵浮動反向動態(tài)放大器，顯著提升了電路對工藝、電壓和溫度（pvt）變化的不敏感性；與傳統(tǒng)的動態(tài)放大器相比，該共源共柵浮動反向動態(tài)放大器通過自動關(guān)停的方式來降低功耗。同時，在放大的過程中，mos管的工作區(qū)域也是向著能效更高的方向推進(jìn)。因此，該共源共柵浮動反向動態(tài)放大器在保持其對pvt變化不敏感的情況下，減少了共模反饋電路的設(shè)計，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時提高了放大器的能效，實(shí)現(xiàn)了全動態(tài)的優(yōu)越性能。

27、（2）優(yōu)化的?ns-sar通過增加時域比較器（comp）中壓控延遲的數(shù)量，降低輸入?yún)⒖荚肼暎粫r域比較器中vcdl的輸出可以在沒有靜態(tài)功耗的條件下實(shí)現(xiàn)軌對軌輸出的擺動，使得電源電壓能夠降低至滿足數(shù)字邏輯操作所需的最低閾值，降低系統(tǒng)功耗。時域比較器中鑒相器（pd）電路是由d觸發(fā)器和與非門組成。基于d觸發(fā)器的邊沿檢測方式，對輸入信號的波形頻率無特定要求，且鑒相器增益的正負(fù)號不變，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，即使相位差超過180°，系統(tǒng)也能正常鑒相。

28、（3）通過在異步sar邏輯后集成百納秒級超長延時模塊（delay），有效減少sar?adc采樣誤差，從而提高整個系統(tǒng)的測量精度。整體系統(tǒng)的sar?adc有效位數(shù)enob為13.39bits，sndr為82.3db。

29、（4）pga設(shè)計采用了軌對軌輸入輸出的方式，確保氣體傳感器陣列的輸出信號在傳輸過程中幾乎不會失真。pga能夠精確放大分壓法輸出的微弱模擬信號，使其達(dá)到后續(xù)saradc的量化電壓范圍；同時，pga還支持增益可調(diào)模式，以最大程度地降低輸入失調(diào)電壓，進(jìn)一步提升信號處理的準(zhǔn)確性。在pga之后采用lpf對輸出信號進(jìn)行濾波，提高pga輸出的信號質(zhì)量。

30、（5）驅(qū)動器driver隔離pga和sar?adc，可以有效的減少adc采樣開關(guān)切換狀態(tài)對pga負(fù)載的影響，并能對sar?adc有足夠強(qiáng)的驅(qū)動能力，保障信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。