全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路的制作方法
【專利摘要】全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路，由傳感器控制振蕩器和開關(guān)式鎖相環(huán)兩部分組成；開關(guān)式鎖相環(huán)輸入端接傳感器控制振蕩器輸出端，開關(guān)式鎖相環(huán)輸出端為數(shù)字信號輸出端；開關(guān)式鎖相環(huán)是由鑒相器和數(shù)字控制振蕩器構(gòu)成閉合回路，傳感器控制振蕩器輸出端與鑒相器一輸入端相連，鑒相器一輸入端接數(shù)字控制振蕩器反饋輸出端，鑒相器輸出端與數(shù)字控制振蕩器輸入端相連；鑒相器用于比較傳感器控制振蕩器信號與數(shù)字控制振蕩器信號的相位差，得到數(shù)字輸出信號，數(shù)字輸出信號經(jīng)反饋?zhàn)饔糜跀?shù)字控制振蕩器。本發(fā)明傳感器控制振蕩器直接將傳感器電容值轉(zhuǎn)化為頻率信號，用開關(guān)式鎖相環(huán)為整個(gè)電路控制環(huán)路，低壓低功耗，節(jié)省芯片面積，易改變尺寸，受工藝影響小。
【專利說明】全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及傳感器接口電路領(lǐng)域，特別涉及一種全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路。
【背景技術(shù)】
[0002]電容式傳感器利用電容器原理，將外界環(huán)境中待測的非電量轉(zhuǎn)換為電容量，再將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓、頻率等輸出量，被廣泛的應(yīng)用在壓力、濕度、加速度、位移、氣體等檢測中。當(dāng)前，得益于微電子技術(shù)的發(fā)展，作為集成電路制造主流工藝的CMOS工藝能很好的將電容式傳感器與讀出電路、信號處理電路等集成在同一芯片上，不僅大大降低系統(tǒng)成本，而且可以提高檢測精度，所以電容式傳感器被廣泛的應(yīng)用于集成傳感器的設(shè)計(jì)中。
[0003]CMOS工藝的發(fā)展主要是針對于數(shù)字集成電路。隨著工藝尺寸的減小，數(shù)字集成電路的速度、功耗和面積等性能都獲得很大提高。但是對于模擬集成電路來說，工藝尺寸的減小所帶來的性能提高并不如數(shù)字電路那么大。除了匹配和噪聲性能的下降，MOS管閾值電壓的減小也不像電源電壓的減小那么顯著，這就導(dǎo)致在模擬集成電路設(shè)計(jì)中可允許的輸出電壓范圍的減小。因此，當(dāng)器件工藝進(jìn)入納米時(shí)代后，在低的電源電壓下設(shè)計(jì)低功耗傳感器接口電路成為難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有集成電容式傳感器接口電路的在低功耗設(shè)計(jì)中的不足，提出一種基于鎖相環(huán)原理的全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路，此接口電路直接將傳感器電容值轉(zhuǎn)換為頻率信號，整個(gè)接口電路結(jié)構(gòu)簡單，可以工作在接近工藝閾值電壓的超低電源電壓下，有利于降低電路的整體功耗。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案:
全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路，由傳感器控制振蕩器和開關(guān)式鎖相環(huán)兩部分組成；開關(guān)式鎖相環(huán)的輸入端接傳感器控制振蕩器的輸出端，開關(guān)式鎖相環(huán)的輸出端為數(shù)字信號輸出端；所述開關(guān)式鎖相環(huán)是由鑒相器和數(shù)字控制振蕩器構(gòu)成的閉合回路，傳感器控制振蕩器的輸出端與鑒相器的一輸入端相連，鑒相器的另一輸入端接數(shù)字控制振蕩器的反饋輸出端，鑒相器的輸出端與數(shù)字控制振蕩器的輸入端相連；
所述鑒相器用于比較傳感器控制振蕩器信號與數(shù)字控制振蕩器信號的相位差，從而得到數(shù)字輸出信號，且所述數(shù)字輸出信號經(jīng)反饋?zhàn)饔糜跀?shù)字控制振蕩器。
[0006]進(jìn)一步，所述傳感器控制振蕩器采用環(huán)形振蕩器，此環(huán)形振蕩器由至少兩個(gè)反相器I首尾相連構(gòu)成。
[0007]進(jìn)一步，傳感器控制振蕩器所采用的環(huán)形振蕩器的一級反相器I輸出端接有一個(gè)傳感器電容，傳感器電容為一級反相器I的負(fù)載電容。
[0008]進(jìn)一步，所述數(shù)字控制振蕩器亦采用環(huán)形振蕩器，此環(huán)形振蕩器由至少兩個(gè)反相器II首尾相連構(gòu)成，反相器II的個(gè)數(shù)與反相器I的個(gè)數(shù)相同，即反相器II的級數(shù)與反相器I的級數(shù)相同，反相器II所選用的反相器類型亦與反相器I所選用的反相器類型相同。
[0009]進(jìn)一步，數(shù)字控制振蕩器所采用的環(huán)形振蕩器的一級反相器II輸出端接一個(gè)偏置電容和一個(gè)開關(guān)電容，偏置電容和開關(guān)電容并聯(lián)，偏置電容和開關(guān)電容共同構(gòu)成一級反相器II的負(fù)載電容，開關(guān)電容受鑒相器的輸出端控制。
[0010]所述鑒相器采用I比特的D觸發(fā)器。
[0011]本發(fā)明中，頻率調(diào)制通過一個(gè)傳感器控制振蕩器(SCO)實(shí)現(xiàn)，它直接將傳感器電容的值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率f—;頻率解調(diào)通過是開關(guān)式鎖相環(huán)(BBPLL)實(shí)現(xiàn)，它由一個(gè)I比特鑒相器(PD)和一個(gè)數(shù)字控制振蕩器(DCO)組成。開關(guān)式鎖相環(huán)的鑒相器(PD)用于檢測是超前還是落后于數(shù)字控制振
蕩器(DCO)的頻率/? ,鑒相器輸出端輸出的比特信號即為開關(guān)式鎖相環(huán)的數(shù)字信號輸出
端的數(shù)字輸出信號，開關(guān)式鎖相環(huán)的數(shù)字信號輸出端的數(shù)字輸出信號是一個(gè)過采樣輸出的I比特信號，它所代表的電壓值(平均占空比)與傳感器電容值變化成正比例。
[0012]傳感器電容值為某一恒定值時(shí)，環(huán)路穩(wěn)定情況下各相應(yīng)點(diǎn)的波形圖如圖2
所示。因?yàn)閭鞲衅麟娙葜礐wbw恒定，所以傳感器控制振蕩器為一固定頻率上_。數(shù)字控制振蕩器的頻率/?在最大值和最小值間切換。數(shù)字輸出信號1?_代表著傳感器控制振蕩器和數(shù)字控制振蕩器的相位差，因此，在環(huán)路鎖定的情況下，f—的平均值等于/?。所以當(dāng)過采樣輸出經(jīng)數(shù)字濾波后，Kis就是相對應(yīng)的數(shù)字信號輸出。
[0013]本發(fā)明采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)簡單，輸入與輸出之間保持良好的線性，可以工作在接近工藝閾值電壓的超低電源電壓下，降低整體電路的功耗。本發(fā)明選用開關(guān)式鎖相環(huán)(BBPLL)為整個(gè)電路的控制環(huán)路，具有低壓低功耗、節(jié)省芯片面積、容易改變尺寸及受工藝影響小等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路結(jié)構(gòu)圖；
圖2為本發(fā)明傳感器電容值恒定時(shí)，接口電路結(jié)構(gòu)各相應(yīng)點(diǎn)波形圖；
圖3為本發(fā)明傳感器電容變化值與輸出電壓平均占空比對比圖；
圖4為本發(fā)明全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路具體實(shí)現(xiàn)電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于本領(lǐng)域技術(shù)人員理 解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明晰的界定。
[0016]參照圖1，全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路，由傳感器控制振蕩器SCO和開關(guān)式鎖相環(huán)兩部分組成；開關(guān)式鎖相環(huán)的輸入端接傳感器控制振蕩器SCO的輸出端，開關(guān)式鎖相環(huán)的輸出端為數(shù)字信號輸出端；所述開關(guān)式鎖相環(huán)是由鑒相器ro和數(shù)字控制振蕩器DCO構(gòu)成的閉合回路，傳感器控制振蕩器sco的輸出端與鑒相器ro的一輸入端相連，鑒相器ro的另一輸入端接數(shù)字控制振蕩器Dco的反饋輸出端，鑒相器ro的輸出端與數(shù)字控制振蕩器DCO的輸入端相連；
所述鑒相器ro用于比較傳感器控制振蕩器sco信號與數(shù)字控制振蕩器dco信號的相位差，從而得到數(shù)字輸出信號，且所述數(shù)字輸出信號經(jīng)反饋?zhàn)饔糜跀?shù)字控制振蕩器DC0。
[0017]本實(shí)施例中，所述傳感器控制振蕩器SCO采用環(huán)形振蕩器，此環(huán)形振蕩器由五個(gè)兩個(gè)反相器I首尾相連構(gòu)成。
[0018]本實(shí)施例中，傳感器控制振蕩器所采用的環(huán)形振蕩器的一級反相器I輸出端接有一個(gè)傳感器電容，傳感器電容為一級反相器I的負(fù)載電容。
[0019]所述數(shù)字控制振蕩器DCO亦采用環(huán)形振蕩器，此環(huán)形振蕩器也由五個(gè)反相器II首尾相連構(gòu)成，反相器II的個(gè)數(shù)與反相器I的個(gè)數(shù)相同，即反相器II的級數(shù)與反相器I的級數(shù)相同，反相器II所選用的反相器類型亦與反相器I所選用的反相器類型相同。
[0020]數(shù)字控制振蕩器DCO所采用的環(huán)形振蕩器的一級反相器II輸出端接一個(gè)偏置電
容Cg和一個(gè)開關(guān)電容Cm，偏置電容C。和開關(guān)電容并聯(lián),偏置電容C。和開關(guān)電容Cm
共同構(gòu)成一級反相器II的負(fù)載電容，開關(guān)電容受鑒相器ro的輸出端控制。
[0021]所述鑒相器采用I比特的D觸發(fā)器。
[0022]傳感器電容值Cssnsor為某一恒定值時(shí)，開關(guān)式鎖相環(huán)環(huán)路穩(wěn)定情況下各相應(yīng)點(diǎn)的波形圖如圖2所示。因?yàn)楹愣?，所以傳感器控制振蕩器為一固定頻率(周期為Tsejis )。數(shù)字控制振蕩器的頻率在最大值和最小值間切換(頻率/?最大值對應(yīng)圖2中的Tiran，頻率/#最小值對應(yīng)圖2中的7_ )。數(shù)字輸出`信號代表著傳感器控制振蕩器和數(shù)字控制振蕩器的相位差，因此，在開關(guān)式鎖相環(huán)環(huán)路鎖定的情況下，f—的平均值等于
/%。所以當(dāng)過采樣輸出經(jīng)數(shù)字濾波后，辦_就是相對應(yīng)的數(shù)字信號輸出。
[0023]本實(shí)施例中，頻率調(diào)制通過一個(gè)傳感器控制振蕩器(SCO)實(shí)現(xiàn)，它直接將傳感器電容的值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率Zeas ;頻率解調(diào)通過是開關(guān)式鎖相環(huán)(BBPLL)實(shí)現(xiàn)，它由一個(gè)I比特鑒相器(PD)和一個(gè)數(shù)字控制振蕩器(DCO)組成。開關(guān)式鎖相環(huán)的鑒相器(PD)用于檢測f懸是超前還是落后于數(shù)字控制振蕩器(DCO)的頻率/? ,鑒相器輸出端輸出的比特信號
即為開關(guān)式鎖相環(huán)的數(shù)字信號輸出端的數(shù)字輸出信號，開關(guān)式鎖相環(huán)的數(shù)字信號輸出
端的數(shù)字輸出信號是一個(gè)過采樣輸出的I比特信號，它所代表的電壓值(平均占空比)與傳感器電容值變化成正比例。
[0024]本發(fā)明采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)簡單，輸入與輸出之間保持良好的線性(如圖3所示)，可以工作在接近工藝閾值電壓0.4V電源電壓下，功耗僅為0.5--W。
[0025]圖4為本發(fā)明全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路具體應(yīng)用。
[0026]傳感器控制振蕩器SCO與數(shù)字控制振蕩器DCO都是5級環(huán)形振蕩器，不同的是，
SCO包含傳感器電容C麗講,而DCO包含一個(gè)開關(guān)控制的可變負(fù)載電容。所以SCO頻率受到傳感器電容Gmw的調(diào)制，DCO頻率受到鑒相器ro輸出的數(shù)字輸出信號的調(diào)制。DCO
的可變負(fù)載電容由偏置電容C；和開關(guān)電容構(gòu)成，其中C。始終接入電路且和C—偏置大小一致；而開關(guān)電容Cm受到開關(guān)控制接入，考慮到線性度及流片后的誤差，一般開關(guān)電容設(shè)計(jì)為可編程電容，且取值為最大變化范圍的1-2倍。為了減小功耗和增加
靈敏度，虛擬電容Cd取值較小。鑒相器ro是簡單的D觸發(fā)器DFF，它的輸出經(jīng)反饋去控制
開關(guān)電容仏是否接入。在環(huán)路穩(wěn)定的情況下，鑒相器H)輸出是一個(gè)占空比(Duty Cycle)受到調(diào)制的信號，且該信號的平均值和傳感`器電容的值變化成比例。
【權(quán)利要求】
1.全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路，其特征在于，由傳感器控制振蕩器和開關(guān)式鎖相環(huán)兩部分組成；開關(guān)式鎖相環(huán)的輸入端接傳感器控制振蕩器的輸出端，開關(guān)式鎖相環(huán)的輸出端為數(shù)字信號輸出端；所述開關(guān)式鎖相環(huán)是由鑒相器和數(shù)字控制振蕩器構(gòu)成的閉合回路，傳感器控制振蕩器的輸出端與鑒相器的一輸入端相連，鑒相器的另一輸入端接數(shù)字控制振蕩器的反饋輸出端，鑒相器的輸出端與數(shù)字控制振蕩器的輸入端相連； 所述鑒相器用于比較傳感器控制振蕩器信號與數(shù)字控制振蕩器信號的相位差，從而得到數(shù)字輸出信號，且所述數(shù)字輸出信號經(jīng)反饋?zhàn)饔糜跀?shù)字控制振蕩器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路，其特征在于，所述傳感器控制振蕩器采用環(huán)形振蕩器，此環(huán)形振蕩器由至少兩個(gè)反相器I首尾相連構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路，其特征在于，傳感器控制振蕩器所采用的環(huán)形振蕩器的一級反相器I輸出端接有一個(gè)傳感器電容，傳感器電容為一級反相器I的負(fù)載電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路，其特征在于，所述數(shù)字控制振蕩器亦采用環(huán)形振蕩器，此環(huán)形振蕩器由至少兩個(gè)反相器II首尾相連構(gòu)成，反相器II的個(gè)數(shù)與反相器I的個(gè)數(shù)相同，反相器II所選用的反相器類型亦與反相器I所選用的反相器類型相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路，其特征在于，數(shù)字控制振蕩器所采用的環(huán)形振蕩器的一級反相器II輸出端接一個(gè)偏置電容和一個(gè)開關(guān)電容，偏置電容和開關(guān)電容并聯(lián)，偏置電容和開關(guān)電容共同構(gòu)成一級反相器II的負(fù)載電容，開關(guān)電容受鑒相器的輸出端控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全數(shù)字集成電容式傳感器接口電路，其特征在于，所述鑒相器采用I比特的D觸發(fā)器。
【文檔編號】H03L7/099GK103840825SQ201410108964
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】何怡剛, 鄧芳明, 陳震, 梁華為 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)