本發(fā)明屬于集成電路，具體的說，涉及一種基于負電容寄生電容校準(zhǔn)的電容傳感器讀出電路和寄生電容校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著傳感技術(shù)的不斷進步，以各類電容器為敏感元件的電容傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。隨著微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical?system,mems)技術(shù)的發(fā)展，電容敏感元件具有功耗低、尺寸小、動態(tài)特性優(yōu)良以及支持非接觸測量的優(yōu)勢。電容式傳感器的敏感元件通常采用平行板電容器的結(jié)構(gòu)形成，由于兩極板之間的介質(zhì)損耗通常很小，因此其可以實現(xiàn)極高的檢測精度，非常適用于進行微弱信號的檢測。

2、電容傳感器通常工作在較低的頻段，在低頻處，閃爍噪聲是影響電路精度的主要因素之一。為了減弱閃爍噪聲的影響，現(xiàn)有電路一般采用如圖1所示的鎖相放大器來進行電路讀出。在這種架構(gòu)中，外部的激勵信號使得電容傳感器cs上有信號電流is流過。信號電流is通過跨阻放大器(transimpedance?amplifier,tia)產(chǎn)生一個變化的信號電壓，這個電壓包含了電容傳感器的檢測信息。在這之后，這個電壓通過一個雙通道的解調(diào)電路，產(chǎn)生兩路低頻變化的信號。其中，i通道的信號就表征了電容變化的信息。

3、根據(jù)跨阻元件的不同，跨阻放大器可以分為電阻反饋跨阻放大器(resistivetransimpedance?amplifier)，以及電容反饋跨阻放大器(capacitive?transimpedanceamplifier)，如圖2所示。對于電阻反饋跨阻放大器來說，其精度，速度與增益存在設(shè)計上的折中，不適合應(yīng)用在同時需要大帶寬以及高精度的設(shè)計場景中。因此，基于鎖相放大器架構(gòu)的電容傳感器讀出電路通常采用圖2右側(cè)所示的電路架構(gòu)。

4、在有輸入直流電流的情況下，電容反饋跨阻放大器容易飽和，因此需要直流偏置電路，以確保tia有正確的靜態(tài)工作點。在現(xiàn)有技術(shù)方案中，較合適的方案為采用dc伺服環(huán)路(dc?servo?loop,dsl)。dsl的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，積分器僅對低頻信號進行放大，使得電路中的dc電流可以通過電阻rdc被dsl所抽走，從而使得tia的輸出dc點穩(wěn)定。

5、對于電容反饋跨阻放大器，考慮到其在高精度電容傳感領(lǐng)域的應(yīng)用需求，其傳感精度受到寄生電容的影響和制約。如圖4所示，電子線路以及傳感器線路所引入的寄生電容有多種來源，包括：傳感器本身，pcb線路，芯片引腳，esd保護電路，主運放等。該數(shù)值通常在皮法(～pf)數(shù)量級。

6、輸入節(jié)點的pf級寄生會顯著影響電容傳感電路的檢測精度，這是因為，電容反饋跨阻放大器對于輸入節(jié)點的寄生非常敏感。理論分析如下，僅考慮主運放的等效輸入噪聲則等效的電容噪聲可以表征如下：

7、

8、其中，cs為電容傳感器的電容值，cf為反饋電容，cp為電路輸入節(jié)點的寄生電容。此式所示的等效電容噪聲就表示了電路最終實現(xiàn)的檢測精度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于負電容寄生電容校準(zhǔn)的電容傳感器讀出電路和寄生電容校準(zhǔn)方法。本發(fā)明基于負電容實現(xiàn)的電容傳感讀出電路可以實現(xiàn)很高的精度。此外，本發(fā)明實現(xiàn)了對寄生電容的自動校準(zhǔn)，避免了手動校準(zhǔn)的復(fù)雜性。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下。

3、本發(fā)明提供一種基于負電容寄生電容校準(zhǔn)的電容傳感器讀出電路，其具有高精度，大帶寬，輸入dc電流處理能力；其包括負電容、跨阻放大器tia和dc伺服環(huán)路dsl；其中，負電容電路接在跨阻放大器的輸入端，與寄生電容c_p以及提供dc偏置的電阻r_dc相連，其作用為消除輸入端寄生電容對跨阻放大器的性能影響；dc伺服環(huán)路dsl連接在跨阻放大器反饋電容的兩端，其作用是為電容耦合形式的跨阻放大器提供dc偏置；其中：負電容由正向放大器和正反饋電容構(gòu)成；正向放大器由電容進行反饋，其增益為

4、a＝1+c_(p,cal)/c_1

5、式中，c_(p,cal)為連接在共模電平v_cm和運放負輸入端的電容，c_1為連接在運放負輸入端和輸出端之間的反饋電容；其中，c_(p,cal)由一個可調(diào)電容陣列cdac進行具體實現(xiàn)，最終實現(xiàn)的等效負電容值為

6、

7、式中，cc為正反饋電容的大小，正反饋電容連接在正向放大器輸出端以及跨阻放大器輸入端之間；由等效負電容的表達式可知，當(dāng)?shù)刃щ娙葜礳eq和寄生電容cp相等時，即實現(xiàn)對寄生電容的校準(zhǔn)；

8、電容傳感器讀出電路具有兩種工作模式：校準(zhǔn)模式和傳感模式；其中：

9、在校準(zhǔn)模式中，外部激勵以及跨阻放大器tia均與負電容斷開，dsl中的電阻rdc連接到vcm用于為此電路提供dc偏置；負電容直接連到電路輸入端，對其寄生電容cp進行校準(zhǔn)；

10、在傳感模式中，負電容與跨阻放大器tia相連接，以進行電容信號傳感；cs由外部激勵信號vac所驅(qū)動，產(chǎn)生信號電流，并由跨阻放大器tia轉(zhuǎn)為信號電壓；跨阻放大器tia與解調(diào)模塊demodulator相連，產(chǎn)生最終的輸出信號。

11、本發(fā)明中，可調(diào)電容陣列cdac中為mim電容。

12、本發(fā)明還提供一種基于上述的電容傳感器讀出電路的寄生電容校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)過程中通過極點頻率的變化判斷電路穩(wěn)定性，調(diào)整負電容值直至補償?shù)嚼硐霠顟B(tài)；通過振蕩檢測與逐次逼近寄存器sar邏輯實現(xiàn)負電容的自動校準(zhǔn)；振蕩檢測電路判斷負電容補償狀態(tài)，并通過反饋調(diào)整補償值，逐次逼近sar邏輯對可調(diào)電容陣列cdac進行調(diào)整。

13、本發(fā)明中，振蕩檢測電路由兩個比較器和一個或門生成；一個比較器的正輸入端與輸入信號連接，負輸入端連接基準(zhǔn)電壓vcm-vth，vth為可重構(gòu)的電壓值；另一個比較器的負輸入端與輸入信號連接，正輸入端連接另一基準(zhǔn)電壓vcm+vth，vth為可重構(gòu)的電壓值；兩個比較器的輸出通過或門運算得到最終的檢測結(jié)果；振蕩檢測電路用于檢測輸入信號是否在vcm-vth與vcm+vth之間發(fā)生了跳變，即檢測電路是否發(fā)生了振蕩。

14、本發(fā)明中，負電容中運放輸出端vp,cal將在過補償時振蕩，此時cdac的容值將減小；當(dāng)vp,cal保持恒定時，電路穩(wěn)定，此時cdac的容值將增大；經(jīng)過若干個時鐘周期，電路完成對cdac的調(diào)整，cdac整體容值cp,cal收斂到寄生電容cp附近。

15、和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

16、(1)相對于傳統(tǒng)的電容傳感器讀出電路，基于負電容實現(xiàn)的電容傳感讀出電路可以實現(xiàn)很高的精度。

17、(2)本發(fā)明實現(xiàn)了對寄生電容的自動校準(zhǔn)，避免了手動校準(zhǔn)的復(fù)雜性。

技術(shù)特征：

1.一種基于負電容寄生電容校準(zhǔn)的電容傳感器讀出電路，其特征在于，其包括負電容、跨阻放大器tia和dc伺服環(huán)路dsl；其中，負電容電路接在跨阻放大器的輸入端，與寄生電容cp以及提供dc偏置的電阻rdc相連，其作用為消除輸入端寄生電容對跨阻放大器的性能影響；dc伺服環(huán)路dsl連接在跨阻放大器反饋電容的兩端，其作用是為電容耦合形式的跨阻放大器提供dc偏置；其中：負電容由正向放大器和正反饋電容構(gòu)成；正向放大器由電容進行反饋，其增益為

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容傳感器讀出電路，其特征在于，可調(diào)電容陣列cdac中為mim電容。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容傳感器讀出電路，其特征在于，負電容采用多級正反饋放大器。

4.一種基于權(quán)利要求1所述的電容傳感器讀出電路的寄生電容校準(zhǔn)方法，其特征在于，校準(zhǔn)過程中通過極點頻率的變化判斷電路穩(wěn)定性，調(diào)整負電容值直至補償?shù)嚼硐霠顟B(tài)；通過振蕩檢測與逐次逼近寄存器sar邏輯實現(xiàn)負電容的自動校準(zhǔn)；振蕩檢測電路判斷負電容補償狀態(tài)，并通過反饋調(diào)整補償值，逐次逼近sar邏輯對可調(diào)電容陣列cdac進行調(diào)整。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寄生電容校準(zhǔn)方法，其特征在于，振蕩檢測電路由兩個比較器和一個或門生成；一個比較器的正輸入端與輸入信號連接，負輸入端連接基準(zhǔn)電壓vcm-vth，vth為可重構(gòu)的電壓值；另一個比較器的負輸入端與輸入信號連接，正輸入端連接另一基準(zhǔn)電壓vcm+vth，vth為可重構(gòu)的電壓值；兩個比較器的輸出通過或門運算得到最終的檢測結(jié)果；

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寄生電容校準(zhǔn)方法，其特征在于，負電容中運放輸出端vp,cal將在過補償時振蕩，此時cdac的容值將減??；當(dāng)vp,cal保持恒定時，電路穩(wěn)定，此時cdac的容值將增大；經(jīng)過若干個時鐘周期，電路完成對cdac的調(diào)整，cdac整體容值cp,cal收斂到寄生電容cp附近。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于負電容寄生電容校準(zhǔn)的電容傳感器讀出電路和寄生電容校準(zhǔn)方法；電容傳感器讀出電路包括負電容、跨阻放大器TIA和DC伺服環(huán)路DSL；負電容由正向放大器和正反饋電容構(gòu)成；正向放大器由電容進行反饋；電容傳感器讀出電路具有兩種工作模式：校準(zhǔn)模式和傳感模式；其中：校準(zhǔn)模式下，外部激勵信號和跨阻放大器均與負電容斷開，DC伺服環(huán)路中的連接到，用于為此電路提供DC偏置；傳感模式下，負電容與跨阻放大器相連接，以進行電容信號傳感。相較于傳統(tǒng)的電容傳感器讀出電路，本發(fā)明基于負電容實現(xiàn)的電容傳感讀出電路能實現(xiàn)更高精度。此外，本發(fā)明實現(xiàn)了對寄生電容的自動校準(zhǔn)，避免了手動校準(zhǔn)的復(fù)雜性。

技術(shù)研發(fā)人員：蔣旻格,葉深,徐佳偉
受保護的技術(shù)使用者：復(fù)旦大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15