摘要:電容式壓力傳感-電路集成和元件補(bǔ)償電容測(cè)量電路通常將電容轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌倪m于處理的熱學(xué)量，比如電流、電流和頻度。目前出現(xiàn)的測(cè)量電路大約可分為電容一電流轉(zhuǎn)換電路和電容一頻度轉(zhuǎn)換電路。將電容轉(zhuǎn)換成頻度的最簡(jiǎn)單方式就是采用RLC回路產(chǎn)生共振.來(lái)測(cè)量
電容式壓力傳感-電路集成和元件補(bǔ)償
電容測(cè)量電路通常將電容轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌倪m于處理
的熱學(xué)量，比如電流、電流和頻度。目前出現(xiàn)的測(cè)量
電路大約可分為電容一電流轉(zhuǎn)換電路和電容一頻度轉(zhuǎn)
換電路。將電容轉(zhuǎn)換成頻度的最簡(jiǎn)單方式就是采用
RLC回路產(chǎn)生共振.來(lái)測(cè)量頻度大小或相位的變化或
電容的變化。
(1)開(kāi)關(guān)電容電路
開(kāi)關(guān)電容電路借助IC加工時(shí)電容制做匹配性好
于阻值的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)分時(shí)處理的方法，采用電容反饋
方式，獲得與電容比值相關(guān)的電流輸出，在ADC中
具有重要的應(yīng)用。其具有電容反饋的固有特性促使開(kāi)
關(guān)電容電路在電容檢測(cè)中得到應(yīng)用。開(kāi)關(guān)電容電路的
主要優(yōu)點(diǎn)有:①與CMOS工藝兼容;②時(shí)間常數(shù)精
確;③電壓線性度高;④溫度特點(diǎn)好。
開(kāi)關(guān)電容電路通過(guò)時(shí)鐘作用，分時(shí)實(shí)現(xiàn)電容的沖
放電過(guò)程，致使電容上電荷形成轉(zhuǎn)移，按照電荷守恒
的原則.得到輸入端對(duì)應(yīng)的電流大小。圖29.4一給
出了開(kāi)關(guān)電容放大器的原理圖。整個(gè)電路有兩項(xiàng)互不
重疊時(shí)鐘控制φ1和φ2，另外一個(gè)時(shí)鐘φ1'，其增長(zhǎng)端
比φ1提早一個(gè)時(shí)間tlag，其目的是采用底極板取樣技
術(shù)時(shí)鐘，減少因?yàn)闀r(shí)鐘變化而形成的注人電荷的影
響。電路的輸出為
這樣通過(guò)開(kāi)關(guān)電容電路就將電容量轉(zhuǎn)換成電流的
輸出，在具體的應(yīng)用中，有時(shí)會(huì)在輸入端降低參考電
容，通過(guò)分時(shí)工作得到電容變化量對(duì)應(yīng)的電流值。
為了增加電路的復(fù)雜性，同時(shí)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(qū)動(dòng)電流訊號(hào)，電容的另外兩極為輸出端，
接人到差分電路中。驅(qū)動(dòng)電流的干擾可以通過(guò)這些方
式清除，增強(qiáng)了電源的干擾抑制能力，抵消了襯噪音
聲的影響。對(duì)于開(kāi)關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)的電路方式，差分
輸人還有利于抑制因?yàn)殚_(kāi)關(guān)打開(kāi)而形成的電荷注人的
影響。圖29.4-9給出了電容測(cè)量電路的雙端輸人形
式，Ca為傳感電容，Cr為參考電容，兩個(gè)電容相
連組成橋式結(jié)構(gòu)，在其中端施加驅(qū)動(dòng)電流訊號(hào)，電容
的另兩端分別接到運(yùn)算放大器的兩端，實(shí)現(xiàn)差分輸人
形式，Cn為反饋電容，通過(guò)這些方法，組成開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)
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?dāng)_電流形成偏
移，相應(yīng)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(huì)
引起一定的偏差，小的誤差和濕度變化就會(huì)促使輸出
發(fā)生偏斜，影響了電路的穩(wěn)定性。寄生電容和反饋電
容的失配引起的輸出失調(diào)為
(2)相關(guān)雙取樣技術(shù)(CDS)
在開(kāi)關(guān)電容電路中，有好多種去除電路失調(diào)和低
頻1/f噪音的方式，相關(guān)雙取樣(CDS)就是其中的
一種，在微電容檢側(cè)電路的設(shè)計(jì)中，采用雙取樣技術(shù)
可以實(shí)現(xiàn)高精度。從訊號(hào)剖析的角度來(lái)看，相關(guān)雙采
樣電路為一個(gè)驍龍混頻器，可以將低頻的失調(diào)和噪音
去除。顧名思義，相關(guān)雙取樣技術(shù)采用兩次取樣來(lái)消
除失調(diào)，減少1/f噪音。第一次為清零狀態(tài)，這時(shí)輸
人為零，輸出為電路的失調(diào)和1擴(kuò)噪音以及電荷注
人，第二次為訊號(hào)測(cè)量狀態(tài)，輸入為有效訊號(hào)以及噪
聲，因?yàn)榈皖l噪音隨時(shí)間的變化較小，這樣通過(guò)兩次
輸出的差就可以得到去除噪音的有效訊號(hào)。因?yàn)榈皖l
噪音隨時(shí)間變化較小，因而是相關(guān)的。但對(duì)于高頻噪
聲，如熱嗓聲來(lái)說(shuō)，CDS技術(shù)不能清除，兩次取樣反
而降低了電路的熱噪音。對(duì)于電路部份熱噪音的優(yōu)化
設(shè)計(jì)可LA增加這部份噪音。圖29.4-10給出了采用
CDS實(shí)現(xiàn)的電容一電流轉(zhuǎn)換電路。在φSN1取樣狀態(tài)
下，電路的失調(diào)、電荷注入、1/f噪音被放大儲(chǔ)存到
保持電容CH上，在護(hù)，取樣狀態(tài)下，電容艷人端施
加vs的電流訊號(hào)，這時(shí)有效訊號(hào)和失調(diào)、電荷注入
以及1/f噪音一起被放大到電容C，上極板，因?yàn)殡?span style="display:none">TRi物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
容的保持效應(yīng)，在電路的輸出端得到第二次取樣得到
的值與偏差訊號(hào)的差值，電路的輸出得到清除失調(diào)、
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(diào)和電荷注入，對(duì)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(bǔ)償
電容式壓力傳感與壓阻式壓力傳感相比具有
眾多優(yōu)點(diǎn)，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(bǔ)償時(shí)，僅有全阻值的0.5%
(8位)。對(duì)于補(bǔ)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(guò)使用片外CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用方程擬合，使用逐
步迭代方案.用153個(gè)固定取樣點(diǎn)來(lái)描述壓阻式多晶
硅全橋薄膜元件，以及濕度和壓力#帷。在補(bǔ)償之
前，全阻值的非線性為29%，補(bǔ)償以后，元件性能
增強(qiáng)了4.4位。
對(duì)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(qū)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(gè)
不同傳感器器的插口。它通過(guò)可編程增益以及偏置電路
來(lái)實(shí)現(xiàn)電路在不同阻值和范圍內(nèi)正常工作，并具有
DC模擬輸出緩沖。系統(tǒng)提供校正和運(yùn)行的模式以及
外部調(diào)試引腳。最終陣列包含5個(gè)不同的傳感，能
夠夜蓋()的范圍。因?yàn)殡娙菔絺鞲衅?span style="display:none">TRi物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
器對(duì)規(guī)格方面的依賴性補(bǔ)償電容器工作電流過(guò)大，薄膜的規(guī)格變化范圍僅僅為
1000～1100μm。薄膜為中心具有BOSS結(jié)構(gòu)的3.7/
0.3μm的Si/SiO2膜。傳感的測(cè)量使用五級(jí)可編程
開(kāi)關(guān)電容電路(砷化鎵參考電容)。后端為使用折疊
共發(fā)射共基放大器差分電荷積分器，用電路控制工作
狀態(tài)補(bǔ)償電容器工作電流過(guò)大，因而首先是所有傳感處于工作狀態(tài)，之后電
路決定那個(gè)傳感工作便于獲得最大區(qū)分力。電路采
用雙取樣時(shí)鐘，用于減少閃動(dòng)噪音和放大器甩尾。