一種低功耗電容式傳感器接口電路的制作方法
【專利摘要】一種低功耗電容式傳感器接口電路，由傳感器控制振蕩器、多路分頻器、多路選擇器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成，傳感器控制振蕩器的輸出端接多路分頻器的輸入端，多路分頻器的輸出端接多路選擇器的輸入端，多路選擇器的輸出端接計(jì)數(shù)器的一輸入端，計(jì)數(shù)器的另一輸入端外接時(shí)鐘信號(hào)；計(jì)數(shù)器的輸出端為數(shù)字信號(hào)輸出端。本發(fā)明之接口電路在頻率域處理傳感器信號(hào)，采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以工作于較低的電源電壓，有利于降低電路的整體功耗,節(jié)省芯片面積，受工藝影響小。
【專利說(shuō)明】一種低功耗電容式傳感器接口電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器接口電路領(lǐng)域，特別涉及一種低功耗電容式傳感器接口電路。

【背景技術(shù)】
[0002]電容式傳感器利用電容器原理，將外界環(huán)境中待測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換為電容量，再將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓、頻率等輸出量，被廣泛的應(yīng)用在壓力、濕度、加速度、位移、氣體等檢測(cè)中。當(dāng)前，得益于微電子技術(shù)的發(fā)展，作為集成電路制造主流工藝的CMOS工藝能很好的將電容式傳感器與讀出電路、信號(hào)處理電路等集成在同一芯片上，不僅大大降低系統(tǒng)成本，而且可以提高檢測(cè)精度，所以電容式傳感器被廣泛的應(yīng)用于集成傳感器的設(shè)計(jì)中。
[0003]物聯(lián)網(wǎng)已被確定為中國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵模塊的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和射頻識(shí)別傳感器標(biāo)簽的發(fā)展都對(duì)低功耗集成傳感器有著廣大的需求。對(duì)于電容式傳感器來(lái)說(shuō)，傳感器以電容形式接入接口電路，因此電容式傳感器的主要功耗來(lái)源于接口電路。傳統(tǒng)電容式傳感器接口電路在電壓幅度域處理傳感器信號(hào)，首先采用電容一電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)與傳感器電容和參考電容差值成正比例的電壓信號(hào)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出。這種設(shè)計(jì)方法能夠獲得高速和高分辨率性能，但由于采用了運(yùn)算放大器，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需使用較高的電源電壓，整體功耗甚高，不適合低功耗應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有電容式傳感器接口電路的在低功耗設(shè)計(jì)中的不足，提供一種基于振蕩器的低功耗電容式傳感器接口電路，此接口電路在頻率域處理傳感器信號(hào)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以工作于較低的電源電壓，有利于降低電路的整體功耗。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案:
一種低功耗電容式傳感器接口電路，由傳感器控制振蕩器、多路分頻器、多路選擇器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成，傳感器控制振蕩器的輸出端接多路分頻器的輸入端，多路分頻器的輸出端接多路選擇器的輸入端，多路選擇器的輸出端接計(jì)數(shù)器的一輸入端，計(jì)數(shù)器的另一輸入端外接時(shí)鐘信號(hào)；計(jì)數(shù)器的輸出端為數(shù)字信號(hào)輸出端。
[0006]所述傳感器控制振蕩器用于完成將傳感器電容值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的振蕩頻率。
[0007]所述多路分頻器用于產(chǎn)生多路振蕩頻率，消除因工藝偏差導(dǎo)致的傳感器電容值與振蕩器振蕩頻率的偏差對(duì)接口電路穩(wěn)定性的影響。
[0008]所述多路選擇器用于從多路分頻器輸出的多路頻率中選擇適合計(jì)數(shù)器工作的振蕩頻率。
[0009]所述計(jì)數(shù)器受時(shí)鐘信號(hào)的控制，計(jì)算一周期內(nèi)接收到多路選擇器輸出的脈沖數(shù)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出。
[0010]所述傳感器控制振蕩器、多路分頻器、多路選擇器和計(jì)數(shù)器均可采用數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)。
[0011]優(yōu)選地，所述傳感器控制振蕩器采用環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，此環(huán)形振蕩器由奇數(shù)個(gè)首尾相連的反相器構(gòu)成反饋回路，傳感器電容并聯(lián)接入反饋回路中。
[0012]優(yōu)選地，所述反相器采用電流受限型(Current-Starved)反相器，反相器的電流受電流鏡的限制。
[0013]本發(fā)明之接口電路在頻率域處理傳感器信號(hào)，可采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以工作于較低的電源電壓，有利于降低電路的整體功耗，節(jié)省芯片面積，受工藝影響小。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明的電容式傳感器接口電路結(jié)構(gòu)圖；
圖2為本發(fā)明的傳感器控制振蕩器結(jié)構(gòu)圖；
圖3為電流受限型反相器原理圖；
圖4為本發(fā)明的多路分頻器結(jié)構(gòu)圖；
圖5為本發(fā)明的多路選擇器結(jié)構(gòu)圖；
圖6本發(fā)明的計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)圖；
圖7為所測(cè)試的集成濕度傳感器的相對(duì)濕度與接口電路輸出關(guān)系圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和較優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地闡述。以下較優(yōu)選實(shí)施例僅僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，而不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制。
[0016]以采用臺(tái)積電0.1SMffl CMOS工藝設(shè)計(jì)并制造集成濕度傳感器芯片為例，該芯片的接口電路采用了本發(fā)明之低功耗電容式傳感器接口電路，由傳感器控制振蕩器、多路分頻器、多路選擇器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。
[0017]參照?qǐng)D1，傳感器控制振蕩器的輸出端接多路分頻器的輸入端，多路分頻器的輸出端接多路選擇器的輸入端，多路選擇器的輸出端接計(jì)數(shù)器的一輸入端，計(jì)數(shù)器的另一輸入端外接時(shí)鐘信號(hào)；計(jì)數(shù)器的輸出為傳感器相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出。
[0018]參照?qǐng)D2，所述傳感器控制振蕩器，采用環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，由3個(gè)首尾相連的反相器構(gòu)成反饋回路，濕度傳感器電容并聯(lián)接入反饋回路中，產(chǎn)生頻率為蕩頻率。
[0019]參照?qǐng)D3，所述反相器采用電流受限型(Current-starved)反相器，可使用IV電源電壓，電流鏡電流為ιομΑ。
[0020]所述多路分頻器用于產(chǎn)生多路振蕩頻率，本實(shí)施例中采用2、4、8、16四路分頻(參見圖1)。
[0021]所述多路選擇器用于從多路分頻器輸出的多路頻率中選擇適合計(jì)數(shù)器工作的振蕩頻率，本實(shí)施例中采用4選1通道模式，選擇4分頻通道。
[0022]所述計(jì)數(shù)器受系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的控制，計(jì)算一周期內(nèi)接收到多路選擇器輸出的脈沖數(shù)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出，本實(shí)施例采用lObits計(jì)數(shù)器，外接時(shí)鐘信號(hào)頻率為1kHz，計(jì)數(shù)器的輸出b-為傳感器相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出。
[0023]所述傳感器控制振蕩器、多路分頻器(參見圖4)、多路選擇器(參見圖5)和計(jì)數(shù)器(參見圖6)均可采用基本數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)，無(wú)需使用運(yùn)算放大器，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以工作于較低的電源電壓。
[0024]圖7為所測(cè)試的集成濕度傳感器的相對(duì)濕度與接口電路輸出關(guān)系圖，由圖7可知，本發(fā)明的電容式傳感器接口電路獲得了良好的線性度。
【權(quán)利要求】
1.一種低功耗電容式傳感器接口電路，其特征在于，由傳感器控制振蕩器、多路分頻器、多路選擇器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成，傳感器控制振蕩器的輸出端接多路分頻器的輸入端，多路分頻器的輸出端接多路選擇器的輸入端，多路選擇器的輸出端接計(jì)數(shù)器的一輸入端，計(jì)數(shù)器的另一輸入端外接時(shí)鐘信號(hào)；計(jì)數(shù)器的輸出端為數(shù)字信號(hào)輸出端； 所述傳感器控制振蕩器用于完成將傳感器電容值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的振蕩頻率； 所述多路分頻器用于產(chǎn)生多路振蕩頻率，消除因工藝偏差導(dǎo)致的傳感器電容值與振蕩器振蕩頻率的偏差對(duì)接口電路穩(wěn)定性的影響； 所述多路選擇器用于從多路分頻器輸出的多路頻率中選擇適合計(jì)數(shù)器工作的振蕩頻率; 所述計(jì)數(shù)器受系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的控制，計(jì)算一周期內(nèi)接收到多路選擇器輸出的脈沖數(shù)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗電容式傳感器接口電路，其特征在于，所述傳感器控制振蕩器、多路分頻器、多路選擇器和計(jì)數(shù)器均采用數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低功耗電容式傳感器接口電路，其特征在于，所述傳感器控制振蕩器采用環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，由奇數(shù)個(gè)反相器首尾相連構(gòu)成反饋回路，傳感器電容并聯(lián)接入反饋回路中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功耗電容式傳感器接口電路，其特征在于，所述反相器采用電流受限型反相器，反相器的電流受電流鏡的限制。
【文檔編號(hào)】H03K19/0175GK104485938SQ201510016077
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2015年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月13日
【發(fā)明者】何怡剛, 鄧芳明, 佐磊, 尹柏強(qiáng), 李兵, 袁莉芬, 項(xiàng)勝, 何威 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)