基于電容一頻率轉化原理的電容接口電路

1 引 言

　　本文介紹的單片集成電容式壓力傳感器，傳感器電容結構由多晶硅/柵氧/n阱硅構成，并通過(guò)體硅腐蝕和陽(yáng)極鍵合等后處理工藝完成了電容結構的釋放和腔的真空密封。接口電路基于電容一頻率轉化電路，該電路結構簡(jiǎn)單，并通過(guò)“差頻”，消除了溫漂和工藝波動(dòng)的影響，具有較高的精度。

　　2 接口電路原理及特性

　　接口電路原理圖和流水芯片照片如圖1所示。該電路由兩部分組成：電容一頻率轉化電路和差頻電路。本電路采用張馳振蕩器來(lái)實(shí)現電容-頻率轉化。張馳振蕩器由電流源、CMOS傳輸門(mén)、施密特觸發(fā)器構成。電路分為充電周期和放電周期。工作原理如下：假設最初Vout高電平，則開(kāi)關(guān)S11閉合，S12斷開(kāi)，電路進(jìn)入充電周期，電流源I對Cs進(jìn)行充電，當Cs上的電壓Vcs充電至施密特觸發(fā)器高閾值電平VH時(shí)，施密特觸發(fā)器發(fā)生翻轉，Vout變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)S11斷開(kāi)，S12閉合，電路進(jìn)入放電周期，電流源對Cs進(jìn)行放電，當電容上電壓Vcs下降到施密特低閾值電平VL時(shí)，輸出再次翻轉，Vout變?yōu)楦唠娖?，電路又進(jìn)入充電周期。如此循環(huán)，該部分電路輸出一列頻率與電容Cs相關(guān)的方波，實(shí)現了電容-頻率的轉化。為了實(shí)現差頻功能，引進(jìn)了參考電容Cr，并通過(guò)相同的G-f電路完成參考電容到參考頻率fs的轉化。D觸發(fā)器則用于實(shí)現信號頻率fs與參考頻率fr的差值，實(shí)現差頻電路功能。接口電路最后輸出頻率

　　式中：Cs為壓力傳感器敏感電容;Cr為參考電容;I為充放電電流;VH，VI分別為施密特觸發(fā)器的高、低閾值電平。

　　使用Pspice對電路特性進(jìn)行模擬，圖2給出了接口電路的誤差特性曲線(xiàn)。從圖2中可以看出：參考頻率為100 kHz左右時(shí)，電路輸出相對誤差較小;參考頻率與傳感器頻率之差越小，電路的輸出精度越高。設計電路時(shí)，通過(guò)調整充放電電流I，使得參考頻率工作在100 kHz左右，同時(shí)通過(guò)合理設置參考電容Cr的大小，使得傳感器頻率和參考頻率差值盡可能小，以保證電路獲得較高精度。

　　綜合考慮芯片面積、傳感器靈敏度和功耗因素，傳感器敏感電容設計為800 μm×800μm，初值電容為1104 pF，壓力測量范圍為80～110 kPa，在該量程內，傳感器電容由1207.4 pF變化到1220.5 pF。參考電容設計為1222 pF，以保證參考頻率和傳感器頻率差值盡可能小。充放電電流設計值為400μA，使得參考頻率fs工作在100 kHz附近(見(jiàn)式(1))。為保證電路具有較高的噪聲容限，施密特觸發(fā)器的高低閾值電平設計為VH=3V，VL=1V，圖3仿真了量程范圍內電容響應曲線(xiàn)及接口電路輸出頻率。芯片在無(wú)錫58所1 μm工藝線(xiàn)流水，見(jiàn)圖1(b)。

3 接口電路測試及分析

　　施密特觸發(fā)器和D觸發(fā)器是電容接口電路的核心模塊，對上述電路進(jìn)行功能測試的結果如下：

　　圖4(a)給出了施密特觸發(fā)器的傳輸特性，由圖4得到施密特觸發(fā)器低閾值電平VL=1.1 V、高閾值電平VH=3.05 V，與設計值基本符合。

　　

　　圖4(b)給出了D觸發(fā)器的測試結果，在fd=100.1 kHz，fck=98.04 kHz條件下，輸出頻率fout=2.06 kHz，fout與(fd-fck)=2.062(kHz)的值近似。表1給出了對應于幾組不同的fd和fck差頻電路的測試結果。結果表明，差頻電路在符合2/3fd

　　對電路進(jìn)行優(yōu)化設計時(shí)，將傳感器電容轉化后的頻率與參考電容轉化后的頻率值滿(mǎn)足以上條件，可以獲得較高的精度。

　　

　　4 結 論

　　本文介紹了一種基于電容一頻率轉化原理的電容接口電路，仿真和測試結果均表明，通過(guò)差頻，電路可以獲得較高的精度。同時(shí)較大的傳感器初值電容(1104 pF)有利于抑制寄生電容的影響，為接口電路設計帶來(lái)了方便。在80～110 kPa壓力范圍內，接口電路的分辨率約為3.77 Hz/hPa。