專(zhuān)利名稱(chēng)：一種數(shù)字控制可變電容器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可變電容器，尤其涉及一種數(shù)字控制可變電容器的設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)背景在微機(jī)械傳感器領(lǐng)域中，有很多實(shí)用電容檢測(cè)式的微機(jī)械傳感器，包括微 機(jī)械加速度計(jì)和微機(jī)械陀螺等。為了補(bǔ)償微機(jī)械傳感器由于在工藝過(guò)程中的不 對(duì)稱(chēng)性以及溫度變化導(dǎo)致的差分電容零偏，需要使用可變電容器對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。 傳統(tǒng)地，為了降低微機(jī)械傳感器的零偏，使用的可變電容器包括電容值根據(jù)控 制電壓而改變的電壓控制可變電容器，通過(guò)機(jī)械調(diào)節(jié)電容值的可變電容器。圖4示出了使用二極管的電壓控制可變電容器。電壓控制可變電容器的布 置方式為PN結(jié)二極管的正極側(cè)接地，并且給其負(fù)極側(cè)上的端子^施加控制電 壓，由此改變?cè)诙O管的PN結(jié)表面形成的耗盡層寬度，從而改變從端子Z?？吹?的電容值。圖中示出的被配置用來(lái)將反向偏置電壓施加到二極管上的電壓控制 可變電容器可以通過(guò)在一定范圍內(nèi)改變控制電壓來(lái)改變其電容值。然而，通常 這樣的電壓控制可變電抗器不能產(chǎn)生很高的關(guān)于控制電壓變化的電容值變化的 靈敏度。圖5 (a)中所示的是通過(guò)機(jī)械方式調(diào)整的可變電容正視圖，圖5 (b)中所 示的是通過(guò)機(jī)械方式調(diào)整的可變電容側(cè)視圖。該可變電容通過(guò)機(jī)械旋鈕調(diào)節(jié)上 下兩極板的正對(duì)面積，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電容大小的效果。此種通過(guò)機(jī)械旋鈕方式 調(diào)整的可變電容在受到到機(jī)械振動(dòng)或是長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力釋放的情況下 由于旋鈕位置的變化會(huì)導(dǎo)致輸出電容值發(fā)生變化，無(wú)法提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出值。 同時(shí)由于該可變電容通過(guò)機(jī)械旋鈕調(diào)節(jié)，無(wú)法進(jìn)行精確微調(diào)，因此控制精度也 較低。圖6是使用固定電容器和MOS晶體管的電壓控制可變電容器。該電壓控制 可變電容器的結(jié)構(gòu)如下固定電容器的一端和MOS晶體管的漏極串聯(lián)，并且 MOS晶體管源極接地，由此改變MOS晶體管的柵極電壓，從而改變MOS晶體 管的導(dǎo)通電阻值，以改變從電容器的另一端^看到的電容值。圖7是從端子Zc看到的電容值關(guān)于圖中示出的電壓控制可變電容器的控制 電壓乙^的變化特性(C-V特性圖)。當(dāng)施加到柵極上的控制電壓^自,從0逐 漸增大大并超過(guò)閾值^時(shí)，MOS晶體管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。也就是說(shuō)，當(dāng)控制電壓 ^^增大時(shí)，MOS晶體管的導(dǎo)通電阻值減小。這樣，電壓控制可變電容器的電容值在如圖所示的控制電壓范圍內(nèi)迅速地從o變?yōu)閏。可以看出此c-v特性線性度不高，該種電壓控制可變電容是難以線性控制電容變化的。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種數(shù)字控制可變電容器的設(shè)計(jì)方法。它包括如下步驟1) 確定可變電容的動(dòng)態(tài)范圍及，計(jì)算公式為/ =》，其中C皿為最小電容變化精度、C皿為最大電容變化范圍；2) 尋找大于上述計(jì)算得到的動(dòng)態(tài)范圍/ 的整數(shù)i '，使/ '符合如下條件可 以分解為兩個(gè)較為相近的整數(shù)之積，即及'=^5，且^ + 5日|j-B|，尋找整數(shù)"和 整數(shù)m，使"和m符合如下條件2"-ld《2"-l， 2"-l < 5 S 2m-l ，其中"為 印制電路板正面的數(shù)字電平控制線數(shù)量，w為反面的數(shù)字電平控制線數(shù)量；3) 尋找兩個(gè)正數(shù)"/，使/， /符合如下條件"/ = ^，同時(shí)!' +川卩-/|，仏一般地取/ = _/ = 、/^，其中；為正面最窄電極寬度，/為反面最窄電極寬度，其中J為印制電路板厚度、s,為印制電路板材料相對(duì)介電常數(shù)；4) 正面柵型電極的長(zhǎng)度/,—2""-l" + (w-l化，背面柵型電極的長(zhǎng)度 /2=(2"-1)/ + ("-1>2， ^=1.5" &=1.5;'其中^為正面柵型電極兩兩之間間隔， &為反面柵型電極兩兩之間間隔；5) 選定數(shù)字開(kāi)關(guān)的閾值電壓和工作頻率。本發(fā)明設(shè)計(jì)的數(shù)字控制可變電容中，分布在印制電路板兩面的柵型電極的 寬度不同，因此可以在寬范圍內(nèi)改變可變電容的輸出值，同時(shí)又可以達(dá)到很高 的控制精度。由于采用數(shù)字量進(jìn)行控制，可以方便地和數(shù)字芯片進(jìn)行連接，可 以實(shí)現(xiàn)高速電容變化，可以應(yīng)用于自動(dòng)控制等領(lǐng)域。由于電容變化是決定于不 同數(shù)字電平的組合，不需要經(jīng)過(guò)一系列中間值，因此可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)電容大范圍 跳變。


圖1是數(shù)字控制可變電容結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是數(shù)字開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是輸入可變電容的數(shù)字量與可變電容器的電容值關(guān)系曲線圖；圖4是使用二極管的傳統(tǒng)電壓控制可變電容器的結(jié)構(gòu)圖；圖5(a)是使用機(jī)械旋鈕式可變電容器的結(jié)構(gòu)正視圖；圖5(b)是使用機(jī)械旋鈕式可變電容器的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖6是使用固定電容器和MOS晶體管的傳統(tǒng)電壓控制可變電容器的結(jié)構(gòu)圖；圖7是使用固定電容器和MOS晶體管的傳統(tǒng)電壓控制可變電容器的C-V特 性圖。
具體實(shí)施方式
數(shù)字控制可變電容器的設(shè)計(jì)方法包括如下步驟1) 確定可變電容的動(dòng)態(tài)范圍及，計(jì)算公式為/ =》，其中C皿為最小電容變化精度、C皿為最大電容變化范圍；2) 尋找大于上述計(jì)算得到的動(dòng)態(tài)范圍/ 的整數(shù)/ '，使i '符合如下條件可 以分解為兩個(gè)較為相近的整數(shù)之積，即及、A5，且J + 5D 5|，尋找整數(shù)"和 整數(shù)m，使"和w符合如下條件2"-!-1< j^2"-l， 2m-1-1 <￡《2m-1 ，其中"為 印制電路板正面的數(shù)字電平控制線數(shù)量，w為反面的數(shù)字電平控制線數(shù)量；3) 尋找兩個(gè)正數(shù)/， _/，使/, _/符合如下條件/xy = W，同時(shí)/ +川|"_/|，一般地取/ = _/ = ]^，其中；為正面最窄電極寬度，y為反面最窄電極寬度，其中J為印制電路板厚度、^為印制電路板材料相對(duì)介電常數(shù)；4) 正面柵型電極的長(zhǎng)度/1=(2"-1);' + —-，背面柵型電極的長(zhǎng)度 /2=(2"-+ 1>2，盡=1.5/， *2=1.5_/其中A為正面柵型電極兩兩之間間隔， &為反面柵型電極兩兩之間間隔；印制電路板正反兩面的柵型極板可以認(rèn)為是一種平行板電容器，電容值為C尸CJ^) (1) 其中S為上下兩面接入電路的面積，由公式(1)可以看出，通過(guò)改變S就可以對(duì)電容c^進(jìn)行調(diào)節(jié)?？梢栽O(shè)正面數(shù)控開(kāi)關(guān)電平依次為為《^，>^:2...5^，當(dāng)輸入電平為高電平時(shí) s&4，當(dāng)輸入電平為低電平時(shí)SA;-o，相似地，可以設(shè)反面數(shù)控開(kāi)關(guān)電平依次為為SY1,SY2…S);，當(dāng)輸入電平為高電平時(shí)5};=1，當(dāng)輸入電平為低電平時(shí)^=0。 設(shè)二進(jìn)制數(shù)x-2"s^+2"-2sA;—i+…+s^， y二2"si;+2"-2s];一+…+sx ，這樣正反 極板間的正對(duì)面積可以表示為<formula>formula see original document page 6</formula> 當(dāng)SX,"， Sl^l其他輸入端都為低電平時(shí)，該數(shù)字控制可變電容可以提供最小 為<formula>formula see original document page 6</formula>。的電容值，當(dāng)所有數(shù)控開(kāi)關(guān)的控制電壓都為高電平，此時(shí)h2"-l，F(xiàn) = 2m-1，該數(shù)字控制可變電容提供最大為C皿("」)j"一^^的電容值。由此可見(jiàn)該數(shù)字控制可變電容的動(dòng)態(tài)范圍為^^ = (2"—l)(2m-l) (3)完全取決于印制電路板正反兩面數(shù)字控制信號(hào)的個(gè)數(shù)附和"。根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字控制可變電容的柵型極板以一下方式布置印制電路板 同一面的柵型基板的長(zhǎng)度相同，寬度逐漸增大，每?jī)蓧K柵型極板之間的間距相 同。每塊極板的長(zhǎng)度為印制電路板另一面所有極板的寬度以及間距之和。 5)選定數(shù)字開(kāi)關(guān)的閾值電壓和工作頻率。本發(fā)明所述的數(shù)字控制可變電容器是電容值根據(jù)施加在其上的控制數(shù)字電 平而改變的數(shù)字控制可變電容器。該數(shù)字控制可變電容器包括分布在印制電 路板兩面的多個(gè)寬度不同的柵型極板(分布在印制電路板的兩面，并且兩面的 柵型極板方向相互垂直)，其中每一個(gè)連接有一個(gè)數(shù)字控制開(kāi)關(guān)的輸入端，在印 制電路板兩面分別有一條導(dǎo)線連接到該面柵型極板的數(shù)字控制開(kāi)關(guān)的輸出端， 兩個(gè)輸出端子分別連接到印制電路板兩面的導(dǎo)線上。當(dāng)某個(gè)數(shù)字控制開(kāi)關(guān)的控 制電平為高電平時(shí)，該數(shù)字控制開(kāi)關(guān)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，該數(shù)字控制開(kāi)關(guān)所對(duì)應(yīng)的 極板就通過(guò)導(dǎo)線與輸出端子連接。多路數(shù)字信號(hào)的電平組合使多個(gè)極板的連接 狀態(tài)產(chǎn)生不同的組合方式，此時(shí)，數(shù)字控制可變電容器的輸出電容即決定于連 接入電路的印制電路板兩面柵型極板的正對(duì)面積之和。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，由于所述分布在印制電路板兩面的柵型電極的寬度不同， 因此可以在寬范圍內(nèi)改變可變電容的輸出值，同時(shí)又可以達(dá)到很高的控制精度。如圖l所示在印制電路板的正面加工出長(zhǎng)度相同，寬度為分別為2"，(其中 /為最細(xì)線條的寬度)的柵型極板，印制電路板正面第一塊柵型極板15，正面第二塊柵型極板16，正面第三塊柵型極板17,正面第四塊柵型極板18分別與正 面第一數(shù)控開(kāi)關(guān)l，正面第二數(shù)控開(kāi)關(guān)2，正面第三數(shù)開(kāi)關(guān)3，正面第四數(shù)控開(kāi) 關(guān)4的一端連接。以上四個(gè)正面數(shù)字開(kāi)關(guān)的另一端都和導(dǎo)線27相連。與正面相 似，印制電路板反面第一塊柵型極板ll，印制電路板反面第二塊柵型極板12， 印制電路板反面第三塊柵型極板13，印制電路板反面第四塊柵型極板14分別與 反面第一數(shù)控開(kāi)關(guān)7，反面第二數(shù)控開(kāi)關(guān)8，反面第三數(shù)控開(kāi)關(guān)9，反面第一數(shù) 控開(kāi)關(guān)10相連。以上四個(gè)反面數(shù)字開(kāi)關(guān)的另一端都和導(dǎo)線28相連。數(shù)字電平 輸入端口23， 24， 25， 26分別為正面第一，二，三，四數(shù)控開(kāi)關(guān)的電平輸入端， 相似地，端口19， 20， 21, 22分別為反面面第一，二，三，四數(shù)控開(kāi)關(guān)的電平 輸入端。導(dǎo)線27, 28分別與端口5， 6相連；5， 6之間的電容值即為可變電容 器的電容輸出。依照上述步驟制作制版底圖用照相制版工藝制作出印制電路板的照相版。 使用直接感光法將權(quán)利要求10中的照相版，利用直接感光法將電路版圖曝光到 覆銅板上。直接感光法的步驟分為覆銅板表面處理，涂感光膠，曝光，顯影， 固膜，修版等。用三氯化鐵對(duì)經(jīng)過(guò)感光的覆銅板進(jìn)行刻蝕，鉆孔，去油，粗化，浸清洗液， 孔壁活化，化學(xué)沉銅，電鍍加厚，金屬涂覆，涂阻焊層等步驟加工出如圖1所 示的印制電路板。如圖2所示數(shù)字控制可變電容器的數(shù)控開(kāi)關(guān)中，MOS管2通過(guò)電阻5與地 相連，控制電平輸入端3通過(guò)二極管7與MOS管的柵極相連，信號(hào)輸入端1與 MOS管的漏極相連，電阻4連接MOS管的柵極與源極，信號(hào)輸出端與MOS管 的漏極相連。在控制電平輸入端為高電平時(shí)，MOS管導(dǎo)通，信號(hào)輸入端的信號(hào)就可以傳 輸?shù)捷敵龆?，這樣控制電平就可以起到控制開(kāi)關(guān)通斷的作用。將上述的數(shù)字開(kāi)關(guān)焊接到圖1中所述制作出來(lái)的印制電路板上。圖3表示本發(fā)明中所述的數(shù)字控制可變電容器的輸入控制信號(hào)X*Y與輸出 電容值C之間的關(guān)系，可以看出可變電容值與控制的數(shù)字信號(hào)成嚴(yán)格的線性關(guān) 系，可以實(shí)現(xiàn)良好的線性控制性能。對(duì)制作完成的可變電容進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法為，控制輸入數(shù)字開(kāi)關(guān)的數(shù)字 電平組合，對(duì)正反兩面所有可能出現(xiàn)的數(shù)字開(kāi)關(guān)組合狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)測(cè)試 輸出電容值是否等于預(yù)期電容值C。預(yù)期電容值的計(jì)算方法為設(shè)正面數(shù)控開(kāi)關(guān) 電平依次為為W，S^…5X"，當(dāng)輸入電平為高電平時(shí)SX"-1，當(dāng)輸入電平為低電平時(shí)&^ =0，相似地，可以設(shè)反面數(shù)控開(kāi)關(guān)電平依次為為51;,>^2...51;，當(dāng)輸入 電平為高電平時(shí)si;-i ，當(dāng)輸入電平為低電平時(shí)si;-o 。設(shè)二進(jìn)制數(shù) %<formula>formula see original document page 0</formula>此時(shí)預(yù)期電容值
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字控制可變電容器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括如下步驟1)確定可變電容的動(dòng)態(tài)范圍R，計(jì)算公式為<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>C</mi><mi>MAX</mi> </msub> <msub><mi>C</mi><mi>MIN</mi> </msub></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100611419C00011.gif" wi="78" he="56" img-content="drawing" img-format="tif"/-->其中CMIN為最小電容變化精度、CMAX為最大電容變化范圍；2)尋找大于上述計(jì)算得到的動(dòng)態(tài)范圍R的整數(shù)R′，使R′符合如下條件可以分解為兩個(gè)較為相近的整數(shù)之積，即R′＝A×B，且A+B□|A-B|，尋找整數(shù)n和整數(shù)m，使n和m符合如下條件2n-1-1＜A≤2n-1，2m-1-1＜B≤2m-1，其中n為印制電路板正面的數(shù)字電平控制線數(shù)量，m為反面的數(shù)字電平控制線數(shù)量；3)尋找兩個(gè)正數(shù)i，j，使i，j符合如下條件<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>i</mi><mo>&times;</mo><mi>j</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>C</mi> <mi>MIN</mi></msub><mi>d</mi> </mrow> <mrow><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>r</mi></msub><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0002" file="S2008100611419C00012.gif" wi="103" he="43" img-content="drawing" img-format="tif"/-->同時(shí)i+j□|i-j|，一般地取<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>j</mi><mo>=</mo><msqrt> <mfrac><mrow> <msub><mi>C</mi><mi>MIN</mi> </msub> <mi>d</mi></mrow><mrow> <msub><mi>&epsiv;</mi><mi>r</mi> </msub> <msub><mi>&epsiv;</mi><mn>0</mn> </msub></mrow> </mfrac></msqrt><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0003" file="S2008100611419C00013.gif" wi="119" he="50" img-content="drawing" img-format="tif"/-->其中i為正面最窄電極寬度，j為反面最窄電極寬度，其中d為印制電路板厚度、εr為印制電路板材料相對(duì)介電常數(shù)；4)正面柵型電極的長(zhǎng)度l1＝(2m-1)j+(m-1)k1，背面柵型電極的長(zhǎng)度l2＝(2n-1)i+(n-1)k2，k1＝1.5i，k2＝1.5j其中k1為正面柵型電極兩兩之間間隔，k2為反面柵型電極兩兩之間間隔；5)選定數(shù)字開(kāi)關(guān)的閾值電壓和工作頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種數(shù)字控制可變電容器的設(shè)計(jì)方法。包括如下步驟1)確定可變電容的動(dòng)態(tài)范圍R；2)確定印制電路板正面的數(shù)字電平控制線數(shù)量n，為反面的數(shù)字電平控制線數(shù)量m；3)確定正面最窄電極寬度i，反面最窄電極寬度j；4)確定正面柵型電極的長(zhǎng)度l₁，背面柵型電極的長(zhǎng)度l₂，正面柵型電極兩兩之間間隔k₁，反面柵型電極兩兩之間間隔k₂；5)選定數(shù)字開(kāi)關(guān)的閾值電壓和工作頻率。本發(fā)明設(shè)計(jì)的數(shù)字控制可變電容中，分布在印制電路板兩面的柵型電極的寬度不同，在寬范圍內(nèi)改變可變電容的輸出值，同時(shí)又可以達(dá)到很高的控制精度。方便地和數(shù)字芯片進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)高速電容變化。由于電容變化是決定于不同數(shù)字電平的組合，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)電容大范圍跳變。
文檔編號(hào)H01G5/00GK101241801SQ20081006114
公開(kāi)日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2008年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月11日
發(fā)明者周曉奇, 昊 王, 金仲和 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)