摘要:電容式壓力傳感-電路集成和元件補償電容測量電路通常將電容轉變為其他的適于處理的熱學量，比如電流、電流和頻度。目前出現的測量電路大約可分為電容一電流轉換電路和電容一頻度轉換電路。將電容轉換成頻度的最簡單方式就是采用RLC回路產生共振.來測量
電容式壓力傳感-電路集成和元件補償
電容測量電路通常將電容轉變為其他的適于處理
的熱學量，比如電流、電流和頻度。目前出現的測量
電路大約可分為電容一電流轉換電路和電容一頻度轉
換電路。將電容轉換成頻度的最簡單方式就是采用
RLC回路產生共振.來測量頻度大小或相位的變化或
電容的變化。
(1)開關電容電路
開關電容電路借助IC加工時電容制做匹配性好
于阻值的優點，通過分時處理的方法，采用電容反饋
方式，獲得與電容比值相關的電流輸出，在ADC中
具有重要的應用。其具有電容反饋的固有特性促使開
關電容電路在電容檢測中得到應用。開關電容電路的
主要優點有:①與CMOS工藝兼容;②時間常數精
確;③電壓線性度高;④溫度特點好。
開關電容電路通過時鐘作用，分時實現電容的沖
放電過程，致使電容上電荷形成轉移，按照電荷守恒
的原則.得到輸入端對應的電流大小。圖29.4一給
出了開關電容放大器的原理圖。整個電路有兩項互不
重疊時鐘控制φ1和φ2，另外一個時鐘φ1'，其增長端
比φ1提早一個時間tlag，其目的是采用底極板取樣技
術時鐘，減少因為時鐘變化而形成的注人電荷的影
響。電路的輸出為
這樣通過開關電容電路就將電容量轉換成電流的
輸出，在具體的應用中，有時會在輸入端降低參考電
容，通過分時工作得到電容變化量對應的電流值。
為了增加電路的復雜性，同時去除紋波噪音的干
擾，可以采用差分輸入的方法，這樣就在電容相連的
一極施加驅動電流訊號，電容的另外兩極為輸出端，
接人到差分電路中。驅動電流的干擾可以通過這些方
式清除，增強了電源的干擾抑制能力，抵消了襯噪音
聲的影響。對于開關電容電路實現的電路方式，差分
輸人還有利于抑制因為開關打開而形成的電荷注人的
影響。圖29.4-9給出了電容測量電路的雙端輸人形
式，Ca為傳感電容，Cr為參考電容，兩個電容相
連組成橋式結構，在其中端施加驅動電流訊號，電容
的另兩端分別接到運算放大器的兩端，實現差分輸人
形式，Cn為反饋電容，通過這些方法，組成開關電
容電路方式。Cp為放大器的寄生電容，輸入電流脈
沖通常與電源供電電流匹配，通常為幾伏大小，開關
電容電路的輸出與輸人電流的變化成反比，電路電流
變化為ΔVa=VA+-vA-，在電容完全匹配的情況下，
電路的輸出電流為
電路反饋促使放大器輸入端的串擾電流形成偏
移，相應減少了作用在傳感電容和參考電容上的電
壓變化量。另外，寄生電容和反饋電容的不匹配就會
引起一定的偏差，小的誤差和濕度變化就會促使輸出
發生偏斜，影響了電路的穩定性。寄生電容和反饋電
容的失配引起的輸出失調為
(2)相關雙取樣技術(CDS)
在開關電容電路中，有好多種去除電路失調和低
頻1/f噪音的方式，相關雙取樣(CDS)就是其中的
一種，在微電容檢側電路的設計中，采用雙取樣技術
可以實現高精度。從訊號剖析的角度來看，相關雙采
樣電路為一個驍龍混頻器，可以將低頻的失調和噪音
去除。顧名思義，相關雙取樣技術采用兩次取樣來消
除失調，減少1/f噪音。第一次為清零狀態，這時輸
人為零，輸出為電路的失調和1擴噪音以及電荷注
人，第二次為訊號測量狀態，輸入為有效訊號以及噪
聲，因為低頻噪音隨時間的變化較小，這樣通過兩次
輸出的差就可以得到去除噪音的有效訊號。因為低頻
噪音隨時間變化較小，因而是相關的。但對于高頻噪
聲，如熱嗓聲來說，CDS技術不能清除，兩次取樣反
而降低了電路的熱噪音。對于電路部份熱噪音的優化
設計可LA增加這部份噪音。圖29.4-10給出了采用
CDS實現的電容一電流轉換電路。在φSN1取樣狀態
下，電路的失調、電荷注入、1/f噪音被放大儲存到
保持電容CH上，在護，取樣狀態下，電容艷人端施
加vs的電流訊號，這時有效訊號和失調、電荷注入
以及1/f噪音一起被放大到電容C，上極板，因為電
容的保持效應，在電路的輸出端得到第二次取樣得到
的值與偏差訊號的差值，電路的輸出得到清除失調、
減少1/f的有效輸出。在一階近似的情況下，CDS幾
乎完全去除失調和電荷注入，對1/f噪音具有毖波整
形作用，極大地降低了1/f噪音的大小。
(3)元件補償
電容式壓力傳感與壓阻式壓力傳感相比具有
眾多優點，并且有較高的非線性。壓阻式元件通常線
性度較好，而且在未補償時，僅有全阻值的0.5%
(8位)。對于補償而言，有兩種較為可行的方案，一
種是方程擬合，另一種是全盤程查找表。諸如，通
過使用片外CPU來實現，采用方程擬合，使用逐
步迭代方案.用153個固定取樣點來描述壓阻式多晶
硅全橋薄膜元件，以及濕度和壓力#帷。在補償之
前，全阻值的非線性為29%，補償以后，元件性能
增強了4.4位。
對電容壓力傳感，可采用高集成度方案，比如
電容式壓力傳感具有15位的區分力(403。片上電路
才能借助3位多路傳感及其選擇寄存器，提供5個
不同傳感器器的插口。它通過可編程增益以及偏置電路
來實現電路在不同阻值和范圍內正常工作，并具有
DC模擬輸出緩沖。系統提供校正和運行的模式以及
外部調試引腳。最終陣列包含5個不同的傳感，能
夠夜蓋()的范圍。因為電容式傳感器
器對規格方面的依賴性補償電容器工作電流過大，薄膜的規格變化范圍僅僅為
1000～1100μm。薄膜為中心具有BOSS結構的3.7/
0.3μm的Si/SiO2膜。傳感的測量使用五級可編程
開關電容電路(砷化鎵參考電容)。后端為使用折疊
共發射共基放大器差分電荷積分器，用電路控制工作
狀態補償電容器工作電流過大，因而首先是所有傳感處于工作狀態，之后電
路決定那個傳感工作便于獲得最大區分力。電路采
用雙取樣時鐘，用于減少閃動噪音和放大器甩尾。