CN101568805A

CN101568805A - 低功率传感器系统的电容接口电路

Info

Publication number: CN101568805A
Application number: CNA200780036509XA
Authority: CN
Inventors: T·J·丹尼森
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: JP2010505335A; EP2192387A3; CA2664862A1; WO2008042015A3; EP2192387B1; JP5048070B2; EP2074381A2; ATE467821T1; US8000789B2; WO2008042015A2; US20110267212A1; US8352030B2; CA2664862C; EP2074381B1; EP2192387A2; AU2007302788B2; DE602007006528D1; AU2007302788A1; US20080079444A1; CN101568805B

Abstract

本公开描述了低功率系统的电容接口电路。电容接口电路被配置成实现了对基于电容的变换器的很低的噪声感测，诸如基于微机电系统(MEMS)的传感器，并具有高分辨率和低功率。电容接口电路使用差分放大器和相关的三重采样(CTS)基本消除或至少降低kT/C噪声、以及来自放大器输出端的放大器偏移和闪烁(1/f)噪声。电容接口电路可进一步包括输出级，输出级通过允许放大器输出中的瞬变稳定来减少输出信号中的假信号，即时钟瞬变。通过这种方式，电路可在低功率系统中使用以产生稳定的低噪声的输出。

Description

低功率传感器系统的电容接口电路

技术领域

【0001】本发明涉及传感器接口电路，且更具体地涉及低功率传感器系统的电容接口电路。

背景技术

【0002】在微机械系统中，诸如微机电系统(MEMS)传感器，可变电容器用作传感器与测量电路之间的接口，传感器例如加速计、陀螺仪、压力传感器、湿度传感器或其它类型的微机械传感器。这种传感器具有各种各样广泛的应用，包括工业监测、环境监测、和/或生理监测。生理监测具有各种生物医学的应用，包括姿势、活动、步调、静脉压、颅内压力、心音等等。

【0003】在加速计中，例如，电容板可以由耦合到检测质量(proofmass)的梁结构上的指以及耦合到惯性框的定指形成。该组指相互交叉并且用作电连接的电容器板，以形成可变的、差分电容器。通过弹簧将检测质量悬挂在衬底上方。由于检测质量以特定方向偏转，因此连接到检测质量的梁状指以及耦合到惯性框的相应的定指中的一个指之间的测量的电容会发生变化，表示特定方向的加速度。

【0004】由于沿着一个轴的加速度而导致的电容变化被电容接口电路转换成输出电压，该电容接口电路作为感测电路。对于加速计，电容接口电路处理来自可变电容器的信号以产生表示对运动的测量的传感器信号。加速计可以感测沿着一个轴、两个轴或三个轴的运动。

【0005】通常，传感器中的可变、差分电容器可大致为平行板电容器，其中板的重叠区域或者板之间的间隔是梁状指的位移的函数。典型的夹层结构的电容器电容感测电路的输出电压可以利用以下方程计算：

v_{o} = \frac{ΔC}{C_{I}} V_{S}

其中，v_o是电容感测电路的输出电压，C_I是与感测电路有关的反馈电容，ΔC是可变电容器的电容变化，而V_S是电源电压。

【0006】由于对微机械系统中的感测元件的尺寸限制，可变电容器的电容和电容的变化是很小的，例如，接近几百毫微微法(fF)到1-100微微微法(aF)。当反馈电容与感测电容的大小接近相同时，输出电压范围大约是10μV到1mV并且包括采样噪声(kT/C噪声)。一般说来，kT/C噪声表示存在过滤电容器时的热噪声。kT/C噪声是由夹层结构的电容器电路的复位开关引起的，并且被采样到电路的感测节点上。结果，放大器的输出端的传感器信号可能包括破坏传感器准确性和性能的放大器偏移、闪烁(1/f)噪声和kT/C噪声。

发明内容

【0007】本公开描述了用于低功率系统的电容接口电路。电容接口电路被配置成实现了对基于电容的换能器的很低的噪声感测，诸如基于微机电系统(MEMS)的传感器，并具有高分辨率和低功率损耗。电容接口电路使用差分放大器和相关的三重采样(CTS)用以显著降低kT/C噪声和闪烁(1/f)噪声以及抑制放大器偏移和漂移。放弃kT/C噪声允许较低的接口时钟并会导致功率降低。电容接口电路可进一步包括输出级，输出级通过允许放大器输出中的瞬变稳定来降低输出信号中的假信号(glitching)。

【0008】在一实施例中，本发明提供了一种方法，该方法包括放大差分传感器信号以产生输出信号，将输出信号存储在采样电容器上，以及施加相关的三重采样过程以降低输出信号中的一种或多种噪声分量。

【0009】在另一实施例中，本发明提供了一种传感器设备，其包括：传感器；差分放大器，其放大从传感器接收的传感器信号，以产生一输出信号；存储输出信号的采样电容器；和相关的三重采样电路，其降低输出信号中的一种或多种噪声分量。

【0010】在另一实施例中，本发明提供了电容接口电路，其包括：差分放大器，其放大传感器信号以产生输出信号；存储输出信号的采样电容器；和相关的三重采样电路，其降低输出信号中的一种或多种噪声分量采样。

附图说明

【0011】图1是图示传感器设备的框图。

【0012】图2是图示用于图1的传感器设备的接口电路的框图。

【0013】图3是图示图1的传感器设备中的传感器的示例模型的电路图。

【0014】图4是图示用于图1的传感器设备的接口电路的一个示例的电路图。

【0015】图5是图示用于图1的传感器设备的接口电路的另一个示例的电路图。

【0016】图6是图示用于图1的传感器设备的接口电路的又一个示例的电路图。

【0017】图7是图示与图4-6的接口电路任一电路一起使用的乒乓解调器的电路图。

【0018】图8图示图4-6中任一接口电路的时序时序波形。

【0019】图9是图示用于图4-6中任一接口电路的仪器放大器的电路的电路图。

具体实施方式

【0020】本公开描述了低功率传感器系统的电容接口电路。电容接口电路被配置成利用基于电容的传感器诸如基于微机电系统(MEMS)的传感器，来实现具有高分辨率和低功率的很低的噪声感测。电容接口电路使用差分放大器和相关的三重采样(CTS)来降低kT/C噪声和闪烁(1/f)噪声以及抑制放大器偏移和漂移。电容接口电路可进一步包括输出级，输出级通过允许放大器输出中的瞬变稳定来降低输出信号中的假信号。通过这种方式，该电路可用于低功率系统中以产生稳定的、低噪声的输出。

【0021】电容接口电路可以被配置成在基于MEMS的感测器中处理来自感测元件的信号，诸如加速计、陀螺仪、压力传感器、湿度传感器等。可使用根据本公开的电容接口电路的示例性应用包括生理监测应用，诸如监测姿势、活动、步调、静脉压、颅内压、心音、湿度、液位等。本文描述的电容接口电路也可用于工业或环境的监测应用中，特别是期望很低功率消耗的应用。

【0022】通常，在本公开中描述的电容接口电路可以被配置为针对很低功率的应用。这种低功率应用包括各种医学和非医学测量应用。例如，可植入医学设备(IMD)的特征可能在于需要持续数月或数年的有限电源。在一些情形中，IMD可以基于传感器输入传递生命维持治疗，诸如心脏起博或心脏除颤。可替代地，IMD可以提供各种其它有益治疗，诸如，神经刺激，例如脊髓电刺激、骨盆底肌刺激、深部脑刺激、胃刺激或外周神经刺激等。可以将传感器包含在IMD外壳、导线或导管中。可能要求与IMD关联的传感器吸取(draw)很低的功率，但仍旧提供精确且准确的测量。因此，期望与IMD关联的感测和治疗电路消耗的功率水平很小以延长设备的寿命。例如，如本公开所描述的包含电容接口电路的传感器的运行，在连续或周期性感测过程中运行可能需要范围在大约100毫微安到大约2.0微安的电流供应，更优选的范围是大约500毫微安到大约1.0微安。在这些范围内运行的传感器通常被称为微功率传感器。

【0023】根据本公开的各种实施例，电容接口电路可包括差分放大器以及耦合到差分放大器的输出端的采样电容器。该电容接口电路运行使用相关的三重采样(CTS)信号处理技术以基本消除输出的kT/C噪声、放大器偏移、和1/f(闪烁)噪声。正如其名称所暗示的，CTS是三个步骤的过程。前两个步骤发生在第一时钟相位期间，而第三步发生在接下来的第二时钟相位期间。通常，CTS过程基本去除或消除了放大器输出中在第一时钟相位和接下来的第二时钟相位之间不会变化的信号分量。kT/C噪声、放大器偏移、和1/f(闪烁)噪声在第一时钟相位和接下来的第二时钟相位之间不会变化。因此，通过CTX过程，将这些噪声分量从放大器的输出中基本消除。

【0024】第一步被称为复位步骤，当采样电容器被接到系统地时，该步骤重置传感器节点。在被称为采样步骤的第二步骤中，来自可变感测电容器的kT/C噪声通过差分放大器被采样到采样电容器上。偏移和闪烁噪声通过该差分放大器被添加到kT/C噪声，并且共同存储在该采样电容器上。

【0025】第三步被称为感测步骤，并且涉及将传感器信号应用到差分放大器。差分放大器放大传感器信号以产生输出信号，该输出信号包括传感器信号的放大表示和噪声分量。在采样步骤中，传感器信号与kT/C噪声遵循相同的信号路径，第三步骤中的差分输出的噪声分量包括kT/C噪声、放大器偏移和闪烁噪声。因此，存储在采样电容器上的噪声基本消除了由差分放大器在感测(第三)步骤中产生的输出信号的噪声分量。

【0026】电容接口电路也可以包括输出级，输出级包括两个交织的采样保持保持(S/H)级。该输出级可以被称为乒乓解调器。在运行过程中，乒乓解调器的一级(乒级)在第一时钟周期期间对差分放大器的输出进行采样，而另一级(乓级)在同一时刻输出信号。乓级输出的信号基于差分放大器在前一时钟周期期间的输出。在紧跟第一时钟周期的第二时钟周期期间，乒级基于在第一时钟周期期间采样的信号输出信号，乓级对差分放大器的电流输出进行采样。通过这种方式，乒乓解调器的两级交替地对差分放大器的输出进行采样并在输出该信号前将其保持一个时钟周期的时间。保持信号能够使信号中的瞬变稳定，从而使得乒乓解调器输出的信号减少假信号并且使该信号更为稳定。

【0027】此外，电容接口电路可以提供负反馈以施加限制信号的相反电荷。负反馈可以在输入端施加到输出级(乒乓解调器)或者作为全局反馈在输入端施加到差分放大器以保持小信号。反馈可以施加到差分放大器的两个输入端以提供差分端-单端转换。而且，电容接口电路可以包括其它信号处理电路，诸如模数转换器(ADC)。在这样的实施例中，负反馈可以作为离散全局反馈被施加。

【0028】根据本公开的各实施例的电容接口电路可以产生稳定的低噪声信号，同时以很低的功率运行。该电路通过基本消除噪声实现了低功率，更具体地，从输出中消除kT/C噪声，同时不需要快速的电路动态(dynamics)，即以吸取更多功率的快速时钟速率运行。事实上，电路可以以小于或大约等于500Hz的时钟速率运行，更具体地，以大约200Hz到大约300Hz的时钟速率运行。

【0029】以下介绍了各种示例性实施例。接口电路在传感器接口节点绝缘时是有用的，根据一些实施例，接口电路被配置成使得公共板可以被驱动，并且差分接口提取的信号电压与感测电容器的电容差成比例。此实施例用于微机械加速计使用的传感器结构。

【0030】根据表示出之前示例性实施例的修改的其它实施例，接口电路被配置成提供这样的传感器，这些传感器需要感测电容器的差分板的一侧保持在共同电势，例如系统地。后面的示例性实施例对于压力传感器结构可能是有用的，并且可以扩展到很多电容传感器应用，诸如湿度传感器和液位检测。

【0031】如之前提到的，电容接口电路可以结合与IMD关联的生理传感器使用。在这些情形下，重要的是传感器提供低噪声性能以便噪声不会导致灵敏度降低或者产生不正确或令人误解的诊断信息。同样重要的是传感器以低功率运行以便保存有限的电池资源，从而显著提高运行寿命。如本公开描述的微功率传感器包括传感器和电容接口电路，所述传感器诸如基于MEMS的传感器，所述电容接口电路被配置成以低功率实现稳定精确的测量。电容接口电路和关联的传感器电路可以广泛用于各种应用。但是，为了说明的目的，本公开描述的这种电路将主要用于医学应用的环境中。

【0032】图1是图示微机电系统(MEMS)传感器2的框图，该传感器允许以高分辨率和低功率测量电容波动。如图1所示，MEMS传感器2可包括基于电容器的传感器4和与传感器连接的传感器接口6。MEMS传感器2通过基本降低或消除kT/C采样噪声、放大器偏移和闪烁(1/f)噪声，以及通过减少信号中的瞬变可实现准确且稳定的测量。而且，在一些实施例中，MEMS传感器2可以被配置成实现此性能，同时以低时钟速率运行，例如小于或等于大约500Hz，大约200Hz到300Hz，且更优选为大约250Hz。结果，在一些实施例中，MEMS传感器2可以在微功率系统的限制下运行，例如从电源吸取大约100微毫安到大约2.0毫安的电流，更优选地吸取大约500微毫安到大约1.0毫安的电流。

【0033】为了说明的目的，但是并不构成限制，此公开主要将MEMS传感器2作为加速计进行描述，该加速计实现了在长期植入设备即可植入医学设备(IMD)中的生理惯性感测。生理惯性感测是重要的，因为病人的疾病状态或治疗部署可以通过活动和姿势表示或指示。例如，一些治疗的传递可以根据病人的活动、活动等级或姿势进行控制，或者关于疾病状态的检测进行控制，例如运动障碍或癫痫症情形中的颤动或痉挛。因此，惯性感测提供的信息对于诊断目的和传递治疗的控制回路的实现是有益的。例如，长期单轴的MEMS传感器可用来基于病人的活动等级调节心脏起博速率。另一示例，多轴的MEMS加速计可用来基于病人的姿势即坐、站立、躺下等调节治疗，诸如神经刺激治疗。但是，当植入到病人体内时，MEMS传感器2应当作为微功率系统运行，以保存有限的电池资源，从而延长IMD的运行寿命。MEMS传感器2还应当保持可接受的噪声基底(noise floor)即低噪声性能，以便噪声不会导致灵敏度降低或者引起信号呈现出不正确或令人误解的诊断信息。

【0034】为了在微功率系统的功率限制内运行，MEMS传感器2应当被锁定在大约500Hz或更小。但是，由于对MEMS传感器的感测元件的尺寸限制，可变电容器的电容变化很小，例如，大约几百fF到100af或更小。因此，当与传感器电路相关的反馈电容大约与感测电容具有相同尺寸时，微功率MEMS传感器的输出电压范围可能是从10μV到大约1mV。在这个小的输出电压范围内，MEMS传感器的输出端信号包括kT/C噪声以及放大器的偏移和来自放大器的闪烁(1/f)噪声。kT/C噪声是在采样过程中由复位传感器节点产生的。这些噪声分量可占据信号电压，从而破坏MEMS传感器的准确性和性能。

【0035】MEMS传感器2利用相关的三重采样(CTS)过程将kT/C噪声、放大器偏移和闪烁(1/f)噪声从传感器信号中基本消除。CTS过程不需要增大时钟速率，因此使得MEMS传感器2在微功率系统的低功率限制下运行。MEMS传感器2还包括用于减少信号链中瞬变的输出级，以产生稳定的输出信号。下文将更详细地描述CTS过程和输出级。

【0036】在图1的示例中，MEMS传感器2包括封装在衬底8上的传感器4和传感器接口6。传感器4可以利用MEMS技术制造，MEMS技术使用微机械加工过程选择性地蚀刻掉部分硅衬底或添加新的结构层以形成机械和机电设备。MEMS技术将机械元件、传感器、致动器和电子装置集成在共同的硅衬底上。传感器接口6可以利用集成的电路过程来制造并且可以通过工业标准的焊线(wirebond)耦合到传感器4。

【0037】传感器4和传感器接口6可以是衬底8上独立的分立组件。例如传感器4可以是成品MEMS传感器，诸如微机械的单个或多个轴加速计。这样，可以将MEMS传感器2的结构分割以再次使用现有的传感器技术以平衡交易量(commercial volumes)，从而确保高可靠性和低成本。如果MEMS传感器2与IMD共同用于监测生理信号，诸如病人姿势和活动，则可靠性对于传感器4来说可能是特别重要的。

【0038】传感器接口6可以是具体设计的组件，其提供自包含(self-contained)接口用以实现以低功率感测时的可靠的精确度。在图1所示的实施例中，传感器接口6被设计成以低功率将来自传感器4的小的电容偏差(deflection)转换成稳定的精确的模拟输出信号。传感器接口6可以与传感器4分开制造，但是与传感器4共同被校准和测试。当从制造商收到传感器接口4时，传感器4可被封装在具有传感器接口6的衬底8上。

【0039】在示例性实施例中，传感器4和传感器接口6可以模制(mold)到衬底8上的栅格阵列式(LGA)封装件中。例如，LGA封装件的尺寸可能是约3毫米(mm)宽，约3mm长，约1mm厚。LGA封装件保护MEMS传感器2的灵敏的高阻抗节点免受环境侵袭，诸如静电放电(ESD)。MEMS传感器2还可以被设计成可抵抗大于10kG的震动。结果，MEMS传感器2可以经受误用的掉落，例如在外科植入进程中使MEMS传感器2掉落。

【0040】在晶片-晶片结合步骤中可以将LGA封装件密闭地密封。可以在衬底8上形成“封闭盖”以保护传感器4和传感器接口6免受封装制造中的潮湿、塑胶等其它污染物。在一些实施例中，对于小的形状规格，封闭盖还可用作管芯堆叠传感器接口6的衬底。在一示例性实施例中，传感器4可以保持在气态混合物中，这便于保持共振时有限的传感器质量因子Q，并在存在震动的情况下提供非线性压膜阻尼。传感器的Q可能约为8。

【0041】如图1所示，MEMS传感器2通常实现为IMD的部分。在一个示例中，MEMS传感器2可以包含在IMD外壳内，有时被称为“密封外壳”，或者位于设备外壳上。在另一示例中，MEMS传感器2可位于从IMD延伸的导线或导管内，例如，沿着这种导线或导管的长度方向的远端处或某点处。在此情形下，MEMS传感器2可以通过在MEMS传感器2和设备密封外壳之间延伸的导线中的导电体被电耦合到IMD。当MEMS传感器2是用于监测心音的压力传感器时，该示例性实施例是有益的。导线可以包括导体和电极，用于传递电刺激和/或感测。导管可以包括内腔以传递或收回来自人体内区域的液体，并且可以包括耦合到传感器2的一个或多个导体。可替代地，可以对于无限遥测传感器信号装备传感器2。

【0042】一般说来，传感器4将机械能转换成模拟输出电压，该电压被传感器6处理以产生输出信号。例如，可以将传感器4实现为微机械三轴加速计，该加速计允许通过将三轴的加速度转换成三个独立的模拟通道从而以最小面积、功率代价和路径关注(concern)进行惯性测量，采用的方式是将。因此，传感器接口6可以包括多个接口电路，每个接口电路可以专供三个轴中一个使用。三轴加速度可以与封装件的尺寸对齐，即x、y和z方向(长、宽、高)。虽然可以使用其它MEMS过程，但制造传感器4的适当示例性过程是ST Microelectronics(意法半导体)研发的THELMA(用于微致动器和加速计的厚磊晶多晶矽层(Thick Epi-PolyLayer))过程。

【0043】在一些实施例中，加速计的结构可以包括单个横向加速计用于测量x和y的加速度，同时利用差动跷跷板(teeter-totter)布置可测量沿着z轴的加速度。传感器4的其它配置也是可能的。因此，本公开描述的特定结构作为很多可能配置中的一种是示例性的，任何情况下都不应当视为是限制性的。但是，关于本公开描述的示例性配置，加速计的每个轴可以使用由交叉的梁状指(interdigitated beam fingers)形成的差动电容器，以将加速度转换成模拟输出电压。交叉梳状指用作电连接的电容板，以形成可变差动电容器。检测质量被耦合到一组被称为梁状指的交叉梳状指，并且通过弹簧被悬挂在衬底上方。连接到检测质量的梁状指与对应的定指之间的电容随着检测质量在特定方向的偏离而发生变化。这种电容变化表示特定方向的加速度。因此，传感器4可以利用一组等价电容器来模仿，其中板的重叠区域和板之间的间隔是感测元件的位移的函数。

【0044】传感器接口6被耦合到传感器4，并将电容的变化转换为电压，该电压被处理以产生表示对运动的测量的传感器信号。如之前所述，可变电容器的电容通常在约几百fF的范围内，并且表现出类似于大约1-100fF的变化。结果，传感器接口6感测的电压可能在大约10μV到1mV的范围内。如果MEMS传感器2作为微功率系统运行，即以大约500Hz或更小的时钟速率运行，并且从电源吸取小于大约2.0微安的电流，kT/C噪声和其它误差，诸如放大器偏移和闪烁(1/f)噪声会占据信号电压。但是，传感器接口6使用相关的三重采样(CTS)从信号中基本消除或去除缺陷，即kT/C噪声、放大器偏移和闪烁噪声。

【0045】如之前提到的，CTS是消除不会在一个时钟周期的两个时钟相位之间变化的信号分量的采样过程。特别地，CTS包括在第一时钟相位期间采样噪声信号以及在第二时钟相位期间采样传感器信号。由于传感器信号与噪声信号遵循相同的信号路径，因此，噪声分量例如kT/C噪声、放大器偏移和闪烁噪声是两种信号共有的。因而，可以通过项消从传感器信号中去除kT/C噪声、放大器偏移和闪烁噪声。通过这种方式，传感器接口6产生低噪声传感器输出信号。

【0046】传感器接口6为CTS过程提供接口。该接口包括差分放大器、采样电容器和多个开关。通常，差分放大器的输入通过一对开关被耦合到传感器4。差分放大器的输出被耦合到采样电容器的一端。采样电容器的另一端被耦合到一开关。通过这种方式，开关位于信号路径上的各个节点处，并且可以由各时钟信号驱动用来控制CTS过程的步骤的顺序。

【0047】此外，CTS过程是一个三步骤的过程。前两步采样噪声信号并发生在时钟周期的第一相位期间。第三步采样传感器信号并发生在时钟周期的第二个相位期间。也被称为复位步骤的第一步在时钟信号的第一时钟相位的第一部分期间复位传感器节点。采样电容器也在第一步骤期间被接地。换句话说，传感器接口6中的差分放大器在第一步骤期间从传感器4断开以增大各个感测电容器上的kT/C噪声。

【0048】第二步骤发生在第一时钟相位的第二部分期间，在此步骤期间，差分放大器被连接到各感测电容器，并且kT/C噪声通过差分放大器被采样到采样电容器上。放大器还将偏移和闪烁噪声引入到信号中，二者被共同存储在具有kT/C噪声的采样电容器上。

【0049】第三步骤从时钟周期的第二相位开始，并且被称为感测步骤。如该步骤的名称所建议的，传感器信号跨过各可变电容器被施加到差分放大器。差分放大器放大电压信号的振幅以产生放大的信号。该放大的信号包括传感器信号和噪声分量的放大表示。

【0050】由于传感器信号与kT/C噪声在采样步骤期间遵循相同的信号路径，因此，kT/C噪声、放大器偏移和闪烁噪声是两个时钟相位之间共有的。也就是说，放大的信号的噪声分量与采样步骤期间存储在采样电容器上的信号基本相同。因此，采样(第二)步骤期间存储在采样电容器上的噪声信号基本消除了在感测(第三)步骤期间由差分放大器产生的放大信号的噪声分量。

【0051】但是，产生的信号可能仍包含瞬变，即由信号链中的快速动态造成的假信号。因此，传感器接口6可能包括耦合到采样电容器的输出级，该采样电容器抑制时钟瞬变。输出级包括两个交织的采样与保持(S/H)级，且可被称为乒乓解调器。乒乓解调器的一级(乒级)在第一时钟周期期间且更具体地，在第一时钟周期期间的CTS过程的第三步骤中对差分放大器的输出进行采样，而另一级(乓级)在同一时刻输出信号。乓级输出的信号基于在前一时钟周期的CTS过程的第三步骤期间从差分放大器采样的信号。

【0052】在紧跟第一时钟周期的第二时钟周期期间，乒级基于在第一时钟周期期间采样的信号输出一信号，而同时乓级对差分放大器的输出进行采样。通过这种方式，乒乓解调器交替地对差分放大器的输出进行采样并在接下来的时钟周期输出信号前将其保持一个时钟周期的时间。将输出保持一个时钟周期允许信号的瞬变(假信号)稳定。结果，MEMS传感器2中的传感器接口6的输出是稳定的低噪声信号。

【0053】输出级还被配置成提供负反馈，保持信号的变化很小。反馈被施加到输出级的输入端，或者可替代地可以全局施加到差分放大器的输入端。当反馈作为全局反馈被施加时，反馈被差动地施加到差分放大器的输入端以提供差分-单端转换。全局的反馈可以作为模拟反馈施加或作为离散反馈施加。在离散反馈的情形下，传感器接口6可以包括模拟-数字转换器(ADC)。

【0054】除了用于CTS过程的电路和输出级外，传感器接口6可以包括支持电路。例如，传感器接口6可以包括时钟状态机，参考电压与偏置电压产生器和用于调整(trim)偏移和灵敏度的片上调整存储器。片上存储器可以存储在生产过程中写入非易失性存储器的调整码，以消除在生产制造的整个过程中跟踪数据的必要性。特别是，传感器接口6可使用调整码来校准从传感器4获得的测量。而且，接口电路可以提供静电自检用以确定MEMS传感器2的可操作性。自检命令在运载到卖家之前的制造过程中可用于确定MEMS传感器2是否是可操作的。当MEMS传感器2被植入到病人体内并且用于监测生理信号时，自检命令还可以用于验证MEMS传感器2的运行。

【0055】传感器接口6的输出可以被传递到脱离芯片即LGA封装件以外的其它处理电路。例如，其它电路可以是IMD内的处理器或处理MEMS传感器2的输出的其它设备。例如，IMD内的处理器可以处理传感器输出信号以识别信号的特性，该信号的特性可以用于诊断的目的或实现用于传递治疗的控制回路。

【0056】尽管本公开在提供对基于生理的运动的感测时描述了MEMS传感器2，但是MEMS传感器2并不局限于这种方式。作为一种替代方式，应当理解MEMS传感器2，更具体地和传感器接口6适合于各种医学和非医学应用。例如，传感器4可以是任何基于电容性的传感器，这种传感器与传感器接口6结合使用时可以提供有益的传感器数据。因此，传感器4可以是陀螺仪、压力传感器、微致动器或利用MEMS技术制造的其它类型的惯性的、化学的或磁性的传感器，包括这种传感器的组合。MEMS传感器2还可以用于使用压力传感器的导管监测应用、使用压力传感器的心音的监测以及需要微功率系统以精确测量诸如加速度、压力、湿度和液位的其它生理监测应用。

【0057】图2是更详细地图示图1中传感器接口6的各种组件的框图。如图2所示，传感器接口6包括接口电路12X、12Y、12Z、调整存储器寄存器与电路10、时钟分配网络18和参考与偏置产生器19。在图2的示例中，接口电路12X-12Z(共同称为“接口电路12)将三轴加速度(X，Y和Z)转换成三个独立的模拟输出通道(X_OUT，Y_OUT和Z_OUT)。因此，接口电路12的每个对应于X，Y和Z感测轴的每个感测轴。接口电路12的每个可以分别包括对应的相关三重采样器14X-14Z(共同称为“相关的三重采样器14)和对应的乒乓解调器16X-16Z(共同称为“乒乓解调器16)。

【0058】相关的三重采样器的每个在其输出端产生低噪声信号，并包括差分放大器和被耦合到差分放大器的输出端的采样电容器。差分放大器可以是具有完全差分结构的仪器放大器，其与传感器4连接以抑制共模信号和漏电流。仪器放大器可以包括具有稳定增益特性、良好线性和较宽共模范围的低功率仪器放大器。示例性仪器放大器如图9所示。示例性相关三重采样器的电路图如图4、5和6所示。

【0059】乒乓解调器16中的每个接收由相关三重采样器14中对应的一个产生的低噪声信号作为输入，并输出对应的稳定的低噪声信号。乒乓解调器16在第一和第二输出级54A、54B中以交替偏置对电容器34的输出进行采样和保持。在乒乓解调器16的输入端，低噪声信号可能包括由信号路径中的快速切换动态产生的瞬变。乒乓解调器16每个包括一对交织的输出级，该输出级在时钟周期期间交替地采样相关三重采样器14的对应的一个的输出，并在接下来的时钟周期期间输出该信号。通过这种方式，例如，乒乓解调器16允许信号的瞬变在向其它处理电路施加产生的稳定的低噪声信号之前稳定一个时钟周期，。如之前所述，其它处理电路可以包括位于传感器接口6之上的ADC(未示出)或脱离传感器接口6的电路，诸如与IMD有关的电路，用于识别信号的特征，其可用于诊断目的或实现用于传递治疗的控制回路。示例性乒乓解调器的电路图在图7中提供。

【0060】调整存储寄存器和电路10可以包括存储调整校准码的电可擦可编程只读存储器(EEPROM)单元或其它非易失性存储器单元。封装式存储器诸如EEPROM单元允许传感器设备2在高容积生产线上被校准，之后作为IMD的部分被传递以进行装配，所述IMD向病人传递治疗并在治疗传递算法中使用由传感器设备2产生的输出以达到诊断的目的，或以上两者。

【0061】在一些实施例中，调整存储器寄存器和电路10可以包括偏移调整块，该偏移调整块包括向传感器节点注入电荷的电容器数模转换器(DAC)，从而消除时钟和放大器之间的较大无源耦合电容。该电容与加速力无关。

【0062】示例性的偏移调整块可以包括在复位传感器时钟的相位过程中无效(null)传感器节点所需的复位开关。注入的电荷的绝对量可以由被传感器时钟驱动的集成多晶-多晶电容来确定。二进制加权电容器DAC码确定注入电荷的相对量以及电荷被路由到哪个板。DAC码可以从调整存储器寄存器10获得。

【0063】时钟分配网络18从单个主外部时钟产生信号链和片上传感器定时。主外部时钟可以位于传感器接口6以外并且与使用传感器接口6的输出的IMD的处理电路有关。例如，时钟分配网络18可以产生一个或多个时钟信号以控制相关的三重采样器14和乒乓解调器16。也就是说，时钟分配网络18可以产生时钟信号，该时钟信号驱动位于信号链内各节点处的开关以控制CTS过程各步骤的顺序。

【0064】例如，信号链标称时钟频率大约是1kHz，该时钟频率被时钟分配网络18分割成驱动三重采样器14和乒乓解调器16所必需的相位(phasing)。激励传感器4的时钟驱动器可以包括一负电荷泵，该负电荷泵以传感器复位时钟将传感器4定时(clock)到-AVDD，在读出部分上定时到+AVDD。当使用适于传感器封装件的片上电容器时，传感器4上的大量电容负载可能将负时钟限定到大约AVDD的80％。这样的驱动量足以满足噪声需求。

【0065】参考与偏置产生器19为MEMS传感器2提供参考与偏置电压。例如，产生器19可以向相关的三重采样器14中的采样电容器提供参考电压，以及向接口电路12中的有源电路元件提供偏执电压，诸如相关的三重采样器14中的差分放大器以及乒乓解调器16中的S/H电路中的放大器。

【0066】以下描述提供了对示例性MEMS传感器的大体的部分说明。例如，形成传感器接口6的ASIC的接近最大尺寸大约2,100μm，在不包括哈姆块(ham)和切割道(scribe)时可能大约到1,300μm。传感器管芯可能大约是2,100μm到1,900μm。传感器4、保护封闭盖和基于ASIC的传感器接口6可以是管芯堆叠的并且置于工业标准的栅格阵列(LGA)中。在示例性实施例中，LGA封装件的尺寸长度上大约是3mm，宽度上大约是3mm，高度上是大约1mm。

【0067】参考与偏置产生器19可以被提供有用于传感器接口6的标称的电源电压以及用于编程调整存储寄存器10的最大电源电压。例如，标称电源电压和最大电源电压可以分别是1.9V(+/-5％)和14V。最小电源电压可以扩展到1.7V功能性，并且对于灵敏度和偏移的规定具有某种潜在的降低。对于三轴加速度的持续测量，MEMS传感器2标称供应电流最大值可以是大约1uA。MEMS传感器2还可以以将电流降低到大约500nA的低功率模式运行。这些值仅仅是示例性的，无论如何不应当被视为是限制性的。

【0068】此外，也可能存在“声像图模式”以沿着z轴测量心脏声像图，其提取与正常模式或低功率模式不同的电流量。对于声像图模式的驱动要求是具有最小50Hz带宽的5mg均方根噪声。信号链的标称时钟频率大约是1kHz，该频率被小型状态机分割成驱动传感器和乒乓解调放大器所必需的相位。激励传感器的时钟驱动器包括负电荷泵，以便以传感器复位时钟将传感器定时到-AVDD，然后在读出部分被定时到+AVDD。实际上，当使用适于传感器封装件的片上电容器时，传感器上的相当数量的电容负载(例如，大约6pF)会将负时钟限定到大约AVDD的80％。这样的驱动量足以满足噪声需求。

【0069】下文简短描述了传感器接口6上的结合焊盘(未显示)上可用的每个信号的特性和功能。传感器接口6可以包括6个差分感测焊盘X+，X-，Y+，Y-，Z+，Z-、共同的“转子”驱动COM和路由到所有传感器的两个接地焊盘GND。电极可以沿着传感器接口6的顶部放置。电极的顺序可以是GND∶Z+∶Y+∶X+∶COM∶X-∶Y-∶Z-∶GND。焊盘与焊盘中心线之间的距离(pad pitch)可以是大约110um。COM焊盘的中心线可与传感器接口6的中心线一致，彼此边缘大约相隔1050um。

【0070】为了降低输入电容，在某些实施例中的这些焊盘上可以没有静电放电(ESD)单元。传感器焊盘上的ESD保护可以串联的500kW的电阻器提供，这些电容器的大小是针对2kV HBM(人体模式)设计的。核心件上的开关扩散保护IC栅极。接合焊盘可以利用传感器接口6的电源来自举(bootstrap)以降低传感器的电容负载。

【0071】VSS和Vref焊盘分别提供地参考和参考电压。传感器接口6还可以包括模拟输出焊盘，例如X_OUT、Y_OUT和Z_OUT。模拟输出X_OUT、Y_OUT和Z_OUT为沿着三个不同的轴(X，Y和Z)的加速计信号提供三个不同的通道。信号电压可以集中在大约Vref/2，而灵敏度可以是与Vref的比率。这允许使用比率ADC用于鲁棒感测。Vref可以连接到AVDD用于比率操作，或者连接到带隙用于绝对参考。传感器接口6的输出能够提供大约是50微毫安的最小值。

【0072】传感器接口6可以包括穿过连续的I2C端口的其它四个引脚，用于对调整存储寄存器和电路10的EEPROM单元进行编程，提供数据以及分别选择调整码是来自易失性寄存器还是来自调整存储器10的EEPROM。6位的偏移可以被分配给每个轴的偏移，并且片上数模转换器(DAC)(未示出)可以将偏移电荷传递给传感器接口节点。每个轴的偏移可以被调整到0.25G之内。最后的校准可以在基于传感器4关于地的最后方位植入IMD之后执行。灵敏度调整可以调节输出端的缩放比例以及在乒乓解调器16中保持电容器，并且可以设置净公差(net tolerance)为50mV/G/Vdd+/-5％，其中Vdd是电源电压。

【0073】对于大约2.4V(2x带隙)的传感器激励电压，传感器通道的目标噪声在X和Y轴大约是500μg/rtHz，在Z轴大约是750μg/rtHz。这将提供在X和Y轴大约2mg-rms、Z轴大约是3mg-rms的标称噪声基底，用于姿势检测(10Hz带宽，一阶低通滤波器)。在一些实施例中，10Hz带宽中期望的估计噪声基底要求可能是10mg-rms。目标低噪声基底可以捕获MEMS过程的极限过程边界(extreme process corner)，而不降低功率规格。MEMS传感器2可包括一次调整，用于在发现MEMS过程稳定性不要求设计余量时，降低静电流。

【0074】在MEMS传感器2包括用于测量心音的压力传感器的实施例中，Z轴还可以具有降低噪声基底的高级模式(boost mode)。与更快的时钟结合，高级模式可以提供具有100Hz有效噪声带宽的大约5mg-rms的噪声基底。该模式，可以用于监测IMD应用中的心脏声像图。

【0075】X和Y加速计通道的标称带宽要求可能是大约20Hz(-3dB点)。Z加速计通道的最小带宽可能是大约50Hz(-3dB点)以允许计算心音。此外，低通特性可以是一阶并且由电容器比率和接口电路12的输出级中的系统时钟来确定。

【0076】用于X、Y和Z轴之间的传感器4的加速计的横轴灵敏度可以在大约5％以下。横轴灵敏度中的主要误差是封装件对准。对于具体的范围+/-6G，基于MEMS的传感器设备2的非线性可能小于大约5％。传感器4的绝对偏移可以调整为+/-0.5G/s。当作为加速计在病人体内实施以检测病人的姿势时，传感器4在病人体内的方位应当根据姿势进行校准。因此，只要动态范围是可接受的，绝对偏移可能不是关键的。但是，在温度范围大约在37C+/-5C范围内和传感器的寿命内，加速计的偏移优选不应当漂移超过+/-100mG。

【0077】图3是图示图1的传感器4的电路图，为了说明的目的，将传感器4模拟为一组等价的电容器。图3的模型表示多轴MEMS加速计的单个轴。在图3中，传感器4包括感测电容器20A和20B(共同称为“感测电容器20)，寄生电容器21A和21B(共同称为“寄生电容器21)，自检电容器22A和22B(共同称为“自检电容器22)和驱动电容器24。感测电容器20表示加速计的可变电容，其可通过用作电容器板的相互交叉的梳状指来形成。

【0078】电压通过三个传感器轴之间的共用的驱动节点44被施加到传感器4。驱动节点44可以由传感器接口4产生。因此，驱动电容器24表示多轴MEMS加速计的三个传感器之间共享的驱动电容。这些感测电容器20的每个在一端被耦合到驱动节点44且在另一端通过对应的寄生电容器21分流到地。感测电容器20由接口电路差动读出，诸如图2中的接口电路12中的一个。例如，感测电容可以与大约330fF的标称感测电容的差动大约是1fF/G。寄生电容器21的电容可以是大约1.4pF。

【0079】一般说来，自检电容器22在一端被耦合到驱动节点44并用于确定传感器4的可操作性。在另一端，自检电容器可以耦合到一接口电路，例如通过接口电路上的特定引脚。当在自检过程中向自检电容器22施加电势时，自检电容器22上的电压被测量。如果测量的电压在预定的范围内，则证实了传感器4的可操作性。如果测量的电压不在预定的范围内，则传感器4被视为不可操作。自检可以在制造过程中执行以在将传感器运载到卖家之前验证传感器是否可操作。也可以在传感器被植入到病人体内时执行自检。

【0080】在下表1中对各种参数的典型值进行了概括。表1还提供了感测电容的关键变化或扩展。如本公开所述，这些数可以用作设计示例性电容接口电路的基础。请注意，在静电引力将移动的传感器指折叠成(collapse into)定指时，传感器4的捕获电压超过5V。这意味着电源电压可以被安全地加倍以驱动传感器4从而改善噪声性能。在表1中，Co(所有轴)表示所有电容器的总的输出电容，Csense(x，y)表示感测电容器20在x和y轴的值，Csense(z)表示感测电容器20在z轴的值，Csense_par(x，y)表示感测电容器寄生电容21在x和y轴的值，Csense_par(z)表示感测电容器寄生电容21在z轴的值，Cdriver_par(所有轴共享)表示所有轴的组合的驱动电容24。Cdrive_par与公共节点关联，该公共节点被驱动并传送到传感器上共同的转子(MEMS梁)以便该节点上的寄生电容对于三个轴是共有的。

表1

电容	标称	扩展
电容	标称	扩展	Co(所有轴)	0.3pF	--
Csense(x，y)	0.5fF/g每感测电容	+/-15％	Co(所有轴)	0.3pF	--
Csense(x，y)	0.5fF/g每感测电容	+/-15％	Csense(z)	0.5fF/g每感测电容	-35％/+85％
Csense_par(x，y)	1pF	--	Csense(z)	0.5fF/g每感测电容	-35％/+85％
Csense_par(x，y)	1pF	--	Csense_par(z)	1.7pF	--
Cdriver_par(所有轴共有)	6pF	--	Csense_par(z)	1.7pF	--
Cdriver_par(所有轴共有)	6pF	--	捕获电压	5.5V(x，y)；7V(z)

在图3中，传感器接口6的输入通过感测+、感测-、自检+和自检-节点表示。具体地，这种输入可以被耦合到接口电路12的一个，每个输入可以对应X、Y和Z感测轴中的一个。在传感器接口6的接口电路12中形成CTS电路的部分的差分放大器分别通过感测+、感测-节点接收感测电容器20A、20B的输出。

【0081】图4是图示接口电路12A的电路图，接口电路12A表示图2的接口电路12的示例性实现方式。可以在传感器接口6中提供一个或多个接口电路12A。对于三轴加速计，传感器接口6可以包括三个不同的接口电路12A，例如，X、Y和Z轴的每个有一个接口电路对应。接口电路12A将跨过传感器4中的差分电容器20A和20B两端的小电容偏差转换成稳定的低噪声模拟输出信号，同时以低功率和低时钟速率运行。

【0082】在图4的示例中，接口电路12A包括相关的三重采样器14和乒乓解调器16。相关的三重采样器14和乒乓解调器16。图4示出了一接口电路，其可用于将沿着多轴加速计的一个轴的电容偏差转换成表示加速计沿着该轴的测量结果的模拟信号。乒乓解调器16包括交织的输出级54A和54B。在图4中，详细地示出了输出级54A，而输出级54B被表示为一个方块。为了说明的简易性，忽略了输出级54B的细节，但是其细节与输出级54A完全一致。在图7中提供了图示出两个输出级的乒乓解调器的更具体的电路图。

【0083】在图4中，传感器4用感测电容器20A和20B表示。感测电容器20A和20B一端被耦合到开关33，另一端被耦合到相关的三重采样器14。开关33通过时序信号Φ2进行控制。感测电容器20A和20B通常表示基于电容的传感器的电容变化，诸如加速计、陀螺仪、压力传感器、湿度传感器等的电容变化。而且，以使用加速计为例，感测电容器20A和20B可以表示加速计的相互交叉梳状指，其可以以特定方向移动以改变指的重叠区域或指间的间隔。

【0084】相关的三重采样器14包括差分放大器15、电阻器35、采样电容器34和开关36A和36B。36A和36B被分别耦合到差分放大器15的正输入38A和负输入3B，并且由时序信号Φ1控制。开关36A和36B可被共同称为“复位开关36。采样电容器34通过电阻器35被耦合到差分放大器15的输出端。在相反端，采样电容器34通过由时序信号Φ1控制的开关42被耦合到参考电压，即Vref/2。

【0085】如之前所述，相关的三重采样器14使用CTS过程，通过从信号中基本消除kT/C噪声以及放大器偏移和闪烁噪声，将从传感器4接收的传感器信号转换成低噪声信号。CTS过程的三个步骤被时序信号Φ1、Φ1和Φ2驱动，这些时序信号由时钟分配网络18提供。时钟分配网络18可以从单个时钟信号中产生时序信号Φ1、Φ1和Φ2。特别是，时序信号可以被产生，以便在时钟信号的第一相位的第一部分期间Φ1为高，而在第一相位的第二部分期间以及时钟信号的第二相位期间Φ1为低，在时钟信号的整个第一相位期间Φ1为高，而在时钟信号的整个第二相位期间Φ1为低，在时钟信号的第二相位期间Φ2为高，在第一相位期间Φ2为低。时钟信号的相对时序的示例如图8所示。

【0086】图4中的开关即开关33、36A、36B、42、43、50A和50B在对应的时序信号高时关闭，当该信号低时，图4中的开关打开。起初，时序信号Φ1和Φ1是高而Φ2是底。这对应于CTS过程的第一步，即复位步骤。在第一步骤期间，开关33打开，并且感测电容器20A和20B分别通过复位开关36A和36B连接到系统地面。结果，在感测电容器20A和20B上的kT/C噪声增大。同时，采样电容器34通过开关42被耦合到参考电压Vref/2。

【0087】CTS过程的第二步特征在于Φ1高，Φ1和Φ2低的时间间隔，即Φ1下降而Φ1保持高时的初始时间间隔。这种状态对应提供给时钟分配网络18的时钟信号的第一相位的第二部分。当仅Φ1高时，复位开关36A和36B打开，并且感测电容器20A和20B分别耦合到差分放大器15的输入端38A和38B。因此，传感器4由放大器15通过感测电容器20A和20B差动读出，以抑制作为共模现象的电磁干扰和漏电流。差分放大器15产生的放大的信号通过一些列电阻器35被存储在采样电容器34上。放大的信号是噪声信号，其包括kT/C噪声以及与放大器15有关的偏移和闪烁噪声。

【0088】第三步骤的特征在于Φ1的下降和Φ2的上升。第三步骤的时间间隔对应提供给时钟分配网络18的时钟信号的第二相位。开关33和43响应Φ2的上升而关闭。结果，耦合感测电容器20A和20B的公共节点44被驱动到参考电压Vref，而采样电容器34被耦合到乒乓解调器16。感测电容器20A和20B中的任何不平衡被差分放大器15放大，并且电压阶跃被传递到输出端。参考与偏置电压产生器19可以向公共节点44提供参考电压。

【0089】通过这种方式，由差分放大器15产生的放大信号包括传感器信号的放大表示和噪声分量，所述噪声分量包括与感测电容器20A和20B有关的kT/C噪声以及与放大器15有关的放大器偏移和闪烁噪声。从采样电容器34上保持的信号中减去放大器15的该输出，从而基本消除kT/C噪声、放大器偏移和闪烁噪声。

【0090】尽管kT/C噪声、闪烁噪声和偏移被基本去除，但是乒乓解调器16提供了其它处理以降低由时钟瞬变引起的假信号和混叠的白色噪声。乒乓解调器16包括交织的输出级54A和54B以及选择器56。在时序信号Φ3的控制下，选择器56在输出级54A和54B之间切换相关三重采样器14的输出。具体地，当Φ3为高时，选择器56将相关三重采样器14的输出施加到输出级54A，当Φ3为低时，选择器56将该输出施加到输出级54B。时序信号Φ3的极性在连接到信号Φ1、Φ1和Φ2的主时钟的每个周期间交替。这样，相关三重采样器14的输出在第一时钟周期期间被施加到输出级54A，而同时输出级54B向另一处理电路输出一信号。输出54B输出的信号基于在第一时钟周期之前的第二时钟周期期间施加到级54B的信号。在第一时钟周期后的第三时钟周期期间，相关的三重采样器14的输出被施加到输出级54B，而输出级54A基于在第一时钟周期期间所采样的信号输出一信号。

【0091】下文关于图4中所示组件详细描述输出级54A的运行。更具体地，下文描述了当Φ3为高时的运行，以及相关的三重采样器14的输出被施加到输出级54A。

输出级54A包括图4中的放大器17、保持电容器48和反馈电容器46。放大器17和保持电容器48形成积分器，而反馈电容器46将负反馈提供给相关的三重采样器14的输出。存储在反馈电容器46上的电压由开关50A和50B控制。具体地，当Φ1为高且Φ2为低时，开关50A将反馈电容器46耦合到图4中的Vref/2。结果，当Φ1为高时，采样电容器34保持Vref。但是，当Φ2为高且Φ1为低时，开关50B将反馈电容器46耦合到放大器17的输出端。

【0092】在CTS过程的前两步骤中，即当Φ1高时，乒乓解调器16(选择器56)并不连接到相关的三重采样器14的输出。但是，当Φ2为高时，开关43闭合并且相关的三重采样器14的输出端被连接到乒乓解调器16(选择器56)。由于在此说明书的上下文中Φ3为高，所以选择器56将相关的三重采样器14的输出施加到放大器17的反相输入端。同时，开关42打开并且放大器17的同相输入被耦合到参考电压Vref/2。因此，放大器17和保持电容器48开始作为积分器运行。但是，由积分器产生的信号没有在输出端(Vout)提供用以由其它电路处理，例如，当Φ2高时，远离传感器接口6的电路。这是因为当Φ3高时，Φ3控制的开关52为低。结果，在下一时钟周期期间积分器保持采样的信号直到开关52闭合。在下一时钟周期前保持该信号的目的是减少时钟瞬变，该时钟瞬变相当于由信号路径中的长瞬变引起的输出。具体地，当已经将输出节点处的信号稳定一段时间后，乒乓解调器16将之前采样的状态呈现到输出端。

【0093】当时序信号Φ3下落时，开关52闭合，这出现在下一个时钟周期期间。在接下来的时钟周期期间，相关的三重采样器14运行的方式与其在之前的时钟周期运行的方式相同。也就是说，相关的三重采样器14按照CTS过程产生低噪声信号。但是，在第三步骤期间(采样步骤)，选择器56将低噪声信号施加到输出级54B而不是输出级54A。在此采样步骤期间，开关52闭合并且输出级54A将其在之前的时钟周期期间保持的信号提供给输出端(Vout)。同时，输出级54B利用与输出级54A中的积分器类似的积分器来对相关的三重采样器14的输出进行采样。当该过程重复时，采样的信号被保持直至下一时钟周期，并且由相关的三重采样器14产生的低噪声信号被输出级54A采样。

【0094】对于每个轴采用接口电路12A的多轴加速计的具体实施方式，假设为了降低寄生负载自举(bootstrap)片上接合焊盘和接口布线，则静电荷重分配会在x和y轴两个通道差动地产生大约1.8mV/G，在z轴通道产生1.2mV/G。差分放大器15抑制传感器4的共模偏移，同时利用A_ina＝50(x-y)和75(z)的增益放大该小的差分电压。电压的这一偏移将电荷通过采样电容器34传送，该电压偏移被反馈电容器46的反馈电荷抵消。由于开关50A和50B分别响应Φ1和Φ2，并且将反馈电容器46分别耦合到Vref/2和放大器17的输出，因此放大器15的输入端与放大器17的输出端之间的总的信号链增益A是：

A＝2*Vref*[(dC/G)/(Ctot)]*A_ina*Cs/Cfb，

其中，A是增益，Vref是参考电压，dC/G是每G加速度的电容变化，Ctot是传感器的总电容，A_ina是差分放大器15的增益，Cs是采样电容器34的电容，以及Cfb是反馈电容器44的电容。对于感测电容器34与反馈电容器46(Cs/Cfb)的比例1.1，可能在信号链的输出端产生大约100mV/G的净转换率。

【0095】在图4的电路中，电容接口电路14包括差分放大器15、采样电容器34和相关的三重采样电路，相关的三重采样电路降低输出信号中的一个或多个噪声分量。在图4的示例中，相关的三重采样电路由开关42、43、36A、36B和33形成，这些开关根据不同时钟相位运行以实现关于采样电容器34所接收的信号的相关的三重采样过程。如上所述，在第一时钟相位Φ1期间，相关的三重采样电路耦合采样电容器34的输出，在第一时钟相位的第一(复位)部分Φ1期间，将差分放大器15的第一和第二输入端耦合至地，在第一时钟相位Φ1的第二部分期间，将差分放大器15的第一和第二输入端与地断开，在第二时钟相位Φ2期间，将采样电容器34的输出端与地断开，在第二时钟相位Φ2期间，将第一和第二电容传感器元件20A、20B耦合到参考电压，以及在第一时钟相位Φ1期间将第一和第二电容传感器元件20A、20B与参考电压断开。

【0096】通过这种方式，在第一时钟相位Φ1和第二时钟相位Φ2两者的第二部分期间，采样电容器34接收一种或多种噪声分量，并且在第二时钟相位Φ2期间阻挡多种噪声分量中的一种噪声分量的至少一部分以降低输出信号中的该一种或多种噪声分量。具体地，由于噪声分量在第一和第二时钟相位之间不会变化，所以电容器34不会通过开关43将它们传送到选择器56。作为替代，通过相关的三重采样过程将不变的噪声分量从输出信号中过滤掉。通过这种方式，电路14可以降低施加到乒乓解调器16的输出信号中的kT/C噪声、放大器偏移和闪烁噪声。相关的三重采样电路控制差分放大器15的输入，以便差分放大器放大第一时钟相位Φ1的至少一部分中的该一种或多种噪声分量，以及在第二时钟相位Φ2期间放大具有该一种或多种噪声分量的传感器信号。

【0097】在图4的示例中，相关的三重采样电路14包括：第一开关42，其在第一时钟相位Φ1期间将采样电容器34的一输出端耦合到地，并在第二时钟相位Φ2期间，将采样电容器的该输出端与地断开；第二开关36A，其在第一时钟相位Φ1的第一部分Φ1期间将放大器15的第一输入端接地，并在第一时钟相位Φ1的第二部分期间将放大器15的第一输入端与地断开；第三开关36B，其在第一时钟相位Φ1的第一部分Φ1期间将放大器15的第二输入端接地，以及在第一时钟相位Φ1的第二部分期间将放大器的第二输入端与地断开；和第四开关33，其在第二时钟相位Φ2期间将参考电压耦合到第一和第二电容传感器元件20A、20B，以及在第一时钟相位Φ1期间将参考电压与第一和第二电容传感器元件断开。第五开关43将电容器34的输出端耦合到选择器56、，断开。

【0098】图5是图示了在本公开中被称为接口电路12B的接口电路12中的一个接口电路的另一示例性实施方式的电路图。与接口电路12A类似，图5中的接口电路12B包括相关的三重采样器14和乒乓调制器16。因此，接口电路12A和接口电路12B关于相关的三重采样器14和乒乓调制器16以相似方式运行。但是，与接口电路12A有关的相关的三重采样器14的输出端的模拟反馈被接口电路12B中的全局模拟反馈取代。

【0099】在图5中，接口电路12B与传感器4连接，传感器4包括感测电容器20A和20B以及激励电容器64A和64B(共同称为“激励电容器64)。感测电容器20的每一个感测电容器使其电容板中的一个电容板连接到系统地，而另一电容板连接到激励电容器64中的一个对应的激励电容器。将感测电容器20的电容板中的一个保持在共同电位是压力传感器的特征。因此，图5的接口电路12B对于具有压力传感器结构的MEMS传感器特别有益。

【0100】在图5图示的示例中，全局反馈包括两个反馈路径，这两个反馈路径将差分全局反馈提供给传感器4中各自的信号路径。图5中示出的上部反馈路径包括反馈电容器60A，其一端耦合到激励电容器64A和感测电容器20A共有的节点。在另一端，反馈电容器60A通过开关61B被耦合至地或参考电压，或者通过开关61A被耦合到乒乓解调器16的输出端。开关61B和61A分别由时序信号Φ2和Φ1控制。

【0101】与此类似，图5中的较低反馈路径包括反馈电容器60B。反馈电容器60B在一端耦合到激励电容器64B和感测电容器20B共有的节点。在另一端，反馈电容器60B通过开关63A被耦合至地或耦合到参考电压，并且通过开关63B耦合到乒乓解调器16的输出端。开关63A和63B分别由时序信号Φ1和Φ2控制。开关63A和63B的相位被设置为提供来自单端测量的差分反馈。

【0102】一般说来，反馈电容器60提供的全局反馈将接口电路12B(Vout)的输出线性化。方程1中提供了接口电路12B的净传递函数，其中Vdr是激励电容器64的Φ2的振幅，Ccm是电容器64的电容，Cfb是反馈电容器60的电容，Cs1是感测电容器20A的电容，而Cs2是感测电容器20B的电容。

Vout＝Vdr(Ccm/Cfb)(Cs1-Cs2)[1+2((Ccm+Cfb)/(Cs1-Cs2))] (1)

【0103】方程1中的[1+2((Ccm+Cfb)/(Cs1-Cs2))]分量是非线性的。该非线性分量对于诸如姿势、运动和倒下的检测应用可以很小。因此，接口电路12B的带宽被一阶积分路径设置，即与输出级54A有关的保持电容器48以及与输出级54B有关的对应的保持电容器的电容。此外，接口电路12B的准确性由激励电容器64和反馈电容器60的比率以及传感器4的特征确定。

【0104】图6是图示在本公开中被称为接口电路12C的接口电路12的另一示例性实现方式的电路图。与接口电路12B类似，接口电路12C被耦合到传感器4并且包括相关的三重采样器14。但是，接口电路12C使用乒乓解调器16B代替了乒乓解调器16，乒乓解调器16B输出离散信号，该离散信号作为差分全局反馈被施加到传感器4。

【0105】在图6中，相关的三重采样器14如之前所述地运行。也就是说，相关的三重采样器14输出从传感器4采样的低噪声信号。乒乓解调器16B和更具体地输出级54如之前所述处理低噪声信号，以产生由量化器56接收的稳定的低噪声信号。在图6中，量化器56是用时序信号Φ1进行定时，并且将输出级54的模拟输出转换成具有振幅Vref离散脉冲的数字位流。量化器56产生的数字位流即VoutDisc的平均表示输出级54产生的模拟信号。通过这种方式，输出级54中的积分器和量化器56的运行类似于∑-□转换器。数字信号处理器或其它等价电路量化器56将数字位流平均以产生输出信号VoutDisc，并将其作为离散脉冲的平均值。

【0106】离散输出VoutDisc作为全局反馈通过反馈电容器60被施加给传感器4。按照与图5中的模拟全局反馈类似的方式提供全局反馈。因此，反馈电容器60提供的全局反馈将传感器4的输出线性化，以便在以下方程2中提供净传递函数，其中VoutDisc是激励电容器64的离散全局反馈的振幅，Ccm是电容器64的电容，Cfb是反馈电容器60的电容，Cs1是感测电容器20A的电容，而Cs2是感测电容器20B的电容。

Vout＝VoutDisc(Ccm/Cfb)(Cs1-Cs2)[1+2((Ccm+Cfb)/(Cs1-Cs2))] (2)

【0107】与图5中的接口12B类似，积分器电路12C的带宽由一阶积分路径设置，并且准确性由激励电容器64和反馈电容器60的比率以及传感器4的特征确定。

【0108】图7图示乒乓解调器16的示例性电路图。乒乓解调器16通常用作解调器和输出采样保持缓冲器。如之前所述，乒乓解调器16包括两个交织的输出级，即图4-6中的输出级54A和54B。在其中一级(乒级)对来自相关的三重采样器14的输出进行采样并在下一时钟周期前保持采样数据时，另一级(乓级)将之前采样的相关的三重采样器14的输出提供至输出。在信号已经稳定后，乓级将在之前的时钟周期期间被采样的信号提供至输出。通过这种方式，乒乓解调器16基本减少了输出中的时钟瞬变。

【0109】在图7中，详细图示了乒乓解调器16。也就是说，示出了可用于实现输出级54A、54B的示例性组件。关于图7，来自相关的三重采样器14的输出被施加到采样电容器34的一端，而采样电容器的另一端分别通过开关42和43在参考电压和选择器56的输入端之间切换。如前所述，参考电压可以等于Vref/2，并且在图7中通过电流源122和晶体管120来提供。时序信号Φ1和Φ2的相位从在Φ2期间将kT/C噪声、放大器偏移和闪烁噪声从采样到采样电容器34上的信号中去除。

【0110】当Φ2为高时，开关43闭合，并且将采样电容器34保持的低噪声信号施加给选择器56。如图7所示，选择器56可以是多路复用器110，其在时序信号I的控制下将其输入端信号施加给输出节点57的一个节点。例如，当I为高时，多路复用器110可以将其输入端的低噪声信号施加给输出节点57A，该输出节点57A被耦合到输出级54A。但是，当I为低时，多路复用器110将其输出端的低噪声信号施加给输出节点57B，该输出节点57B被耦合到输出级54B。时序信号I的相位导致多路复用器10在主时钟信号的每个时钟周期交替地将采样电容器34上保持的低噪声信号施加给输出级54A和54B。

【0111】输出级54的每级包括采样与保持(S/H)电路。在图7中，输出级54A的S/H电路包括晶体管117和保持电容器48，输出级54B的S/H电路包括晶体管119和保持电容器118。该配置允许输出端的轨-轨摆动。晶体管117和119以及保持电容器48和118应当完全匹配。晶体管117的栅极和源极被分别耦合到输出节点57A和电流源126。与此类似，晶体管119的栅极和源极被耦合到输出节点57B和电流源128。晶体管117和119的漏极被耦合到输出电容器124的一端。电容器124的另一端被耦合到乒乓解调器16的输出端。

【0112】输出级54A和54B产生的信号被分别耦合到多路复用器112和114，多路复用器112和114分别由时序信号Φ3和Φ3控制。多路复用器112和114选择性地将其输入端信号中的一个信号施加到其输出端。例如，当Φ3为高而Φ3为低时，多路复用器110可以将采样电容器34上的信号施加到输出级54A。因此，晶体管117和输出级54A中的保持电容器48作为积分器运行以保持该信号。同时，多路复用器112将输出级54B产生的信号作为反馈通过反馈电容器46施加。而且，与此同时，多路复用器114将输出级54B产生的信号施加到乒乓解调器16的输出作为Vout。如前所述，输出级54B此时产生的信号是基于前一时钟周期期间在采样电容器34上采样的信号。当信号在前一时钟周期期间被采样时，该信号包括由于信号路径中的快速动态而产生的瞬变(假信号)。当该信号通过多路复用器114在下一时钟周期中被施加到乒乓解调器16的输出时，瞬变已经稳定，从而在乒乓解调器16的输出端产生稳定的低噪声信号。当Φ3为低而Φ3为高时，输出级54A变成有源的。具体地说，多路复用器110将电容器34的输出施加到输出级54B，多路复用器112将输出级54A产生的信号作为反馈信号施加，并且多路复用器114将输出级54A产生的信号施加到乒乓解调器16的输出作为Vout。

【0113】图8图示了接口电路的时序信号或波形。时序波形Φ1 130，Φ1132和Φ2 134驱动三步的CTS过程，以从信号链中去除kT/C噪声。时序波形Φ3 136和Φ3 138控制乒乓解调器16的运行。时序波形Φ1 130，Φ1 132和Φ2 134、Φ3 136和Φ3 138的相位对于本公开中描述的接口电路的适当运行是至关重要的。但是，图8中示出的准确时序是为了说明的目的，不应当视为受限于此。

【0114】图8示出时序波形Φ1 132和时序波形130同时上升，但是Φ1132为高时的时间间隔比Φ1 130为高时的时间间隔短。此外，图8示出了时序波形Φ1 130下降的同时Φ2 134上升。

【0115】关于时序波形Φ3 136和Φ3 138，图8示出了这些波形的每个都具有一时间段，该时间段是时序波形Φ2 134的时间段大小的两倍。特别地，时序波形Φ3 136和Φ3 138为高的时间间隔与时序波形Φ2为高的期间的间隔一致。但是，时序波形Φ3 136和Φ3 138为高的时间间隔与时序波形Φ2 134的每个其它间隔一致。

【0116】图9图示了相关的三重采样器14中的差分放大器15的示例性电路图。差分放大器15通常可以是具有稳定增益特性、良好线性(例如小于2％积分非线性(INL)+/-2mV)和宽共模范围的低功率仪器放大器。在图9的示例中，差分放大器15包括场效应晶体管(FET)140A、140B、142A、142B、160、161、162、163、164和165，恒流源152、154、156和158，电阻器144以及耦合在输出节点146的电阻器150A和150B。FET 140A和140B的栅极接收偏置电压Vb。电流源152、154产生偏置电流Ib1，且电流源156、158产生偏置电流Ibo。FET 140A和140B的栅极从传感器例如，从可变电容器20A、20B接收差分输入信号。电阻器144跨过FET 140A、140B的源极并跨过FET 160、161的漏极耦合。通过前端场效应晶体管(FET)142A和142B的电流通过镜像伺服环路(mirror servo loop)保持恒定。镜像伺服环路迫使在输入FET 140A和140B的栅极处接收的差分电压跨过源电阻器144下降。顶端电流，即电流源152和154产生的电流，通过FET 162、163、164、165被镜像到输出电阻器接头(tap)146。特别地，FET 162的栅极被耦合到电流源154，且FET 163的栅极被耦合到FET 160的栅极。差分放大器15的增益由电阻器比率Ro/Ri确定，其中Ro是电阻器150A、150B的每个的电阻，Ri是源电阻器144的电阻。该增益在过程边界内可能是稳定的。此外，通过向电阻器串(string)即电阻器150A的顶部提供参考(Vref)，可以设置输出Vout sense的任意偏置点。例如，1.2V的参考电压可以产生集中在0.6V的传感器。差分放大器15的其它特征可以包括在传感器的动态范围例如+/-20mV内、在宽共模范围诸如0V到大约1.2V内提高的线性和通过伺服跟踪栅极电压的低阻抗源来自举焊盘和其它关键信号线的固有能力。

【0117】本公开描述的传感器设备和相关的电路、设备、系统和方法可用于各种应用。例如，本发明可以用于支持涉及对各种症状或条件进行电刺激或药物传递治疗的感测，其中各种症状或条件诸如心律不齐、心脏颤动、长期疼痛、颤抖、帕金森疾病、癫痫病、小便或大便失禁、性功能障碍、肥胖或局部麻痹，并且本发明适用于对各组织部位的电刺激或药物传递，诸如病人的心脏、大脑、脊髓、骨盆神经、外周神经或胃肠道。

【0118】传感器设备2可以与外部或可植入医学设备集成在一起、置于或耦合到外部或可植入医学设备或者另外与外部或可植入医学设备关联，外部或可植入医学设备诸如心律转变器/除颤器、脊髓刺激器、骨盆神经刺激器、深层脑刺激器、胃肠刺激器、外周神经刺激器或肌肉刺激器。传感器设备2还可以与可植入或外部药物传递设备结合使用。例如，传感器设备2可以位于可植入医学设备外壳内或者耦合到该设备的导线或导管。传感器设备2可以与不同的治疗应用结合使用，诸如心脏刺激、深层脑刺激(DBS)、脊髓刺激(SCS)、治疗骨盆疼痛的骨盆刺激、失禁或性功能障碍、治疗胃病的胃刺激、肥胖或其它紊乱或处理疼痛的外周神经刺激。刺激还可用于肌肉刺激，例如，功能性电刺激(FES)以促进肌肉运动或阻止萎缩。

【0119】图示的传感器设备2和传感器接口6的组件可利用各种不同制造技术中的任意一种来实现，包括各种IC工艺技术诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)、双极型晶体管(BJT)、双极型CMOS(BiCMOS)、矽锗(SiGe)、砷化镓(GaAs)等等。此外，传感器设备2的运行可以被部分地实现或者得到其它组件的协助，或者由一个或多个DSP、微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者任何其它等效的集成或分立电路以及这些组件的任意组合实现其功能。

Claims

1.一种电路，包括

用于放大差分传感器信号以产生输出信号的装置；

采样电容器，其存储所述输出信号；和

用于应用相关的三重采样过程以降低所述输出信号中的一种或多种噪声分量的装置。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述用于放大的装置包括：差分放大器，所述差分放大器放大所述差分传感器信号以产生所述输出信号；并且所述用于应用相关的三重采样过程的装置包括：相关的三重采样电路，其减少所述输出信号中的所述一种或多种噪声分量。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述差分放大器包括耦合到第一电容传感器元件的第一输入端、耦合到第二电容传感器元件的第二输入端和耦合到所述采样电容器的输入端的输出端。

4.根据权利要求3所述的电路，其中所述相关的三重采样电路在第一时钟相位期间将所述采样电容器的一输出端接地，在第一时钟相位的第一部分期间将所述第一和第二输入端接地，在所述第一时钟相位的第二部分期间将所述第一和第二输入端与地断开，在第二时钟相位期间将所述采样电容器的所述输出端与地断开，在所述第二时钟相位期间将所述第一和第二电容传感器元件耦合到参考电压，以及在所述第一时钟相位期间将所述第一和第二电容传感器元件与所述参考电压断开。

5.根据权利要求4所述的电路，其中所述采样电容器在所述第一时钟相位和所述第二时钟相位两者的所述第二部分期间接收所述一种或多种噪声分量，并且在所述第二时钟相位期间阻挡至少一部分所述一种或多种噪声分量以减小所述输出信号中的所述一种或多种噪声分量。

6.根据权利要求5所述的电路，其中所述一种或多种噪声分量包括kT/C噪声。

7.根据权利要求5所述的电路，其中所述一种或多种噪声分量包括kT/C噪声、放大器偏移和闪烁噪声的至少之一。

8.根据权利要求2所述的电路，其中

所述差分放大器包括耦合到第一电容传感器元件的第一输入端、耦合到第二电容传感器元件的第二输入端和一输出端；

所述采样电容器的一输入端被耦合到所述差分放大器的所述输出端以接收所述输出信号；并且

所述相关的三重采样电路包括：

第一开关，其在所述第一时钟相位期间将所述采样电容器的一输出端接地，并且在第二时钟相位期间，将所述采样电容器的所述输出端与地断开，

第二开关，其在所述第一时钟相位的所述第一部分期间将所述放大器的所述第一输入端接地，并在所述第一时钟相位的第二部分期间将所述放大器的所述第一输入端与地断开，

第三开关，其在所述第一时钟相位的所述第一部分期间将所述放大器的所述第二输入端接地，并在所述第一时钟相位的第二部分期间将所述放大器的所述第二输入端与地断开，

第四开关，其在所述第二时钟相位期间，将参考电压耦合到所述第一和第二电容传感器元件，并在所述第一时钟相位期间将所述参考电压与所述第一和第二电容传感器元件断开。

9.根据权利要求2所述的电路，其中所述相关的三重采样电路控制所述差分放大器的输入，以便所述差分放大器在第一时钟相位的至少一部分中放大所述一种或多种噪声分量，并且在第二时钟相位期间放大具有所述一种或多种噪声分量的所述传感器信号。

10.根据权利要求9所述的电路，其中所述采样电容器在所述第一时钟相位的至少一部分中存储来自所述差分放大器的所述一种或多种放大的噪声分量，在所述第二时钟相位期间接收所述放大的传感器信号，所述传感器信号具有来自所述差分放大器的所述一种或多种放大的噪声分量，并且阻挡所述一种或多种放大的噪声信号以减小所述输出信号中的所述一种或多种噪声分量。

11.根据权利要求2所述的电路，其中所述差分放大器从一对电容传感器元件接收所述传感器信号，其中所述传感器元件的每一个的第一电容器板被耦合到所述放大器的一输入端，第二电容器板被耦合到一参考电压。

12.根据权利要求2所述的电路，其中所述差分放大器从一对电容传感器元件接收所述传感器信号，其中所述传感器元件的每一个的第一电容器板被耦合到所述放大器的一输入端，第二电容器板被接地。

13.根据权利要求1所述的电路，进一步包括一乒乓解调器，其在第一和第二输出级交替地采样和保持所述采样电容器的输出。

14.根据权利要求13所述的电路，其中所述输出级的每个将所述采样电容器的输出保持一段时间，该段时间足以允许至少一些不期望的瞬变稳定。

15.根据权利要求13所述的电路，进一步包括所述乒乓解调器的一输出端和所述乒乓解调器的一输入端之间的反馈路径。

16.根据权利要求13所述的电路，进一步包括第一和第二差分反馈路径，其中所述第一差分反馈路径被耦合于所述乒乓解调器的一输出端和所述差分放大器的第一输入端之间，并且其中所述第二差分反馈路径被耦合在所述乒乓解调器的一输出端和所述差分放大器的第二输入端之间。

17.根据权利要求2所述的电路，其中所述相关的三重采样电路以小于约500Hz的时钟速率运行。

18.根据权利要求2所述的电路，其中所述相关的三重采样电路以小于约300Hz的时钟速率运行。

19.根据权利要求2所述的电路，其中所述电路损耗的电流小于约2微安。

20.根据权利要求2所述的电路，其中所述电路损耗的电流小于约1微安。

21.根据权利要求2所述的电路，其中所述电路被容纳在一可植入医学设备内。

22.一种传感器设备，包括一传感器和权利要求1-21中任一项所述的电路，其中所述传感器产生所述传感器信号。

23.一种方法，包括：

放大差分传感器信号以产生输出信号；

在一采样电容器上存储所述输出信号；以及

应用相关的三重采样过程以降低所述输出信号中的一种或多种噪声分量。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述差分放大器包括耦合到第一电容传感器元件的第一输入端、耦合到第二电容传感器元件的第二输入端和耦合到所述采样电容器的输入端的输出端。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述相关的三重采样过程包括在第一时钟相位期间将所述采样电容器的一输出端接地，在所述第一时钟相位的第一部分期间将所述第一和第二输入端接地，在所述第一时钟相位的第二部分期间将所述第一和第二输入端与地断开，在第二时钟相位期间将所述采样电容器的所述输出端与地断开，在所述第二时钟相位期间将所述第一和第二电容传感器元件耦合到参考电压，以及在所述第一时钟相位期间将所述第一和第二电容传感器元件与所述参考电压断开。

26.根据权利要求25所述的方法，进一步包括在所述第一时钟相位和所述第二时钟相位两者的所述第二部分期间接收所述采样电容器处的所述一种或多种噪声分量，以及在所述第二时钟相位期间通过所述采样电容器阻挡所述一种或多种噪声分量的至少一部分，以减少所述输出信号中的所述一种或多种噪声分量。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述一种或多种噪声分量包括kT/C噪声、放大器偏移和闪烁噪声的至少之一。

28.根据权利要求23所述的方法，其中：

所述采样电容器的一输入端被耦合至所述差分放大器的所述输出端以接收所述输出信号，并且

所述相关的三重采样过程包括：

在所述第一时钟相位期间将所述采样电容器的一输出端接地，在所述第二时钟相位期间将所述采样电容器的所述输出端与地断开，

在所述第一时钟相位的所述第一部分期间将所述放大器的所述第一输入端接地，在所述第一时钟相位的第二部分期间将所述放大器的所述第一输入端与地断开，

在所述第一时钟相位的所述第一部分期间将所述放大器的所述第二输入端接地，在所述第一时钟相位的第二部分期间将所述放大器的所述第二输入端与地断开，

在所述第二时钟相位期间将参考电压耦合到所述第一和第二电容传感器元件，以及在所述第一时钟相位期间将所述第一和第二电容传感器元件与所述参考电压断开。

29.根据权利要求23所述的方法，其中所述相关的三重采样过程包括控制到达所述差分放大器的输入，以便所述差分放大器在第一时钟相位的至少一部分中放大所述一种或多种噪声分量，以及在第二时钟相位期间放大具有所述一种或多种噪声分量的所述传感器信号。

30.根据权利要求29所述的方法，进一步包括在所述第一时钟相位的至少一部分中将来自所述差分放大器的所述一种或多种放大的噪声分量存储在所述采样电容器中，在所述第二时钟相位期间接收所述放大的传感器信号，所述传感器信号具有位于所述采样电容器上的来自所述差分放大器的所述一种或多种放大的噪声分量，并且通过所述采样电容器阻挡所述一种或多种放大的噪声信号以减小所述输出信号中的所述一种或多种噪声分量。

31.根据权利要求23所述的方法，进一步包括从一对电容传感器元件接收所述传感器信号，其中所述传感器元件的每个的第一电容器板被耦合到所述放大器的一输入端，第二电容器板被耦合到一参考电压。

32.根据权利要求23所述的方法，进一步包括从一对电容传感器元件接收所述传感器信号，其中所述传感器元件的每个的第一电容器板被耦合到所述放大器的一输入端，第二电容器板接地。

33.根据权利要求23所述的方法，进一步包括在乒乓解调器的第一和第二输出级交替地采样与保持所述采样电容器的输出，其中所述输出级的每个均将所述采样电容器的所述输出保持一段时间，该段时间足以允许至少一些不期望的瞬变稳定。

34.根据权利要求33所述的方法，进一步包括将来自所述乒乓解调器的一输出端的反馈信号施加给所述乒乓解调器的一输入端。

35.根据权利要求33所述的方法，进一步包括通过第一差分反馈路径和第二差分反馈路径施加反馈信号，所述第一差分反馈路径被耦合在所述乒乓解调器的一输出端和所述差分放大器的第一输入端之间，所述第二差分反馈路径被耦合在所述乒乓解调器的一输出端和所述差分放大器的第二输入端之间。

36.根据权利要求37所述的方法，进一步包括使所述相关的三重采样过程运行在小于大约500Hz的时钟速率。

37.根据权利要求37所述的方法，进一步包括使所述相关的三重采样过程运行在小于大约300Hz的时钟速率。

38.根据权利要求37所述的方法，其中所述差分放大器和所述采样电容器被容纳在一可植入医学设备内。