分析低功耗全数字电容式传感器接口电路设计

谢孟喆+康瑶

摘 要：针对低功耗全数字电容式传感器接口电路设计进行分析，介绍了全数字电容式传感器接口电路，结合这些内容，探讨了接口电路的设计方式，内容有： 电压比较器电路设计，异或门电路设计D触发器电路设计，计数器电路设计。此后还介绍了测试结果。

关键词：低功耗；全数字电容式传感器；接口电路

电容式传感器主要是借助电容器原理，对外界环境当中等待测试的非电量转变成电容量，然后对电容量的变化进行转变，促使其成为电压、频率等输出量。这种传感器被广泛的应用在压力、湿度和加速度等的检测工作中。

一、全数字电容式传感器接口电路

以某低功耗全数字电容式传感器接口电路设计为例，其中通过传感器所控制的振荡器和数字控制的振荡器，两者使用的都是结构比较简单的5级环形振荡器。但是不同的是，SCO的内容有传感器电容，但是DCO所包含的是一个开关控制的可变负载电容。对此，SCO所输出的信号频率，会在一定程度上受到传感器电容的调制，同时DCO输出的信号频率也会因为鉴相器（PD）所输出的Bout调制。图1 为全数字电容式传感器接口电路：

在这一电路当中，DCO主要是负载电容通过Co以及Cm两个电容所构成的，而其中的Co始终和电路之间相互连接，并且和传感器电容Csensor偏置的部分相一致。此外，Cm因为接入了开关控制，所得到的值要比Csensor的最大变化范围还大。这是对线性度和流片后的误差进行分析，通常情况下，对Cm进行设计，可以将其设置成可编程电容，取值设置为Csensor最大变化值范围的1-2倍。为了促使功耗得以减小，在一定程度上提升灵敏度，对虚拟电容Cd的取值较小。在本电路的设计过程中，因为传感器电容Csensor是从5PE向着6.5PE变化的，也就是最大△Csensor=1.5PE。对此，在接口电路当中，偏置电容Co可以设计成5PE，对于开关电容来说Cm可以设置成2PE，其中的虚拟电容可有设置成1PE。

对于鉴相器进行分析，其属于一个相对简单的D触发器（DFF），其中的反相器同样使用的是数字集成电路中比较简单的结构。这一电路当中使用的鉴相器所输出的内容，经过一定的反馈，对负载电容Cm是否能够接入，在环路相对稳定的状况下，鉴相器所输出的bout所占的空间比会受到调制，这一信号的平均值以及传感器电容值相互之间存在一定比例关系，对此bout也就是传感器的数字信号输出。

二、电路设计

1.电压比较器电路设计

电压比价器电路主要是通过差分放大器、共源放大器、推挽输出级放大器、偏置电压电路共同组成。图2为相应示意图：

在电压比较器当中，共存在两个输入端，分别为通向输入端和反向输入端，所输入的电压分别使用的是V+和V-。如果V+比V-高，M1管导通，I1比I2要大，M管以及M3管所流经的电流是相同的。同时M4管和M3管漏极电压是高电平，M6管以及M7管所产生的漏极电压属于高电平，此后V0所输出的是低电平。

2.异或门电路设计

異或门电路主要是通过或门和或非门相互组成，两个并联的NMOS管以及两个串联的PMDS管共同构成，形成了两个输入或者非门，在输入端的AB或非的结果以及AB和结果向或非。如果AB端输入值处于不同状态下，或非门所输出的便是低电平，而AB相与的结果也是低电平。这种情况下，或非的结果L则是高电平。

3.D触发器电路设计

D触发器主要是通过传输门、倒相器和或非门共同组成。图3 为D触发电路：

RES端主要是复位端，如果RES成为高电平时，这时的或非门所得到的输出的Q始终属于低电平，而其中的电路则为高电平异步复位。如果RES是低电平，同时T为低电，G是高电平，这种情况下的TG1、TG4导通，TG2和TG3截止，在输出端的Q出现的逻辑不会随着D而变化。如果T跳动变成高电平时，这时的TG1和TG4截止，TG2和TG3导通。Q所逻辑主要是通过T为低电平最后时刻状态来决定的，进而构成了上升沿触发的D触发器电路。

三、测试结果

本研究主要是将中芯国际0.18μmCMOS工艺为基础，所设计的全数字电容式传感器接口和湿度传感器之间成功流片。在片上，所集成的灰度传感器所使用的标准主要是CMOS工序，而在其顶部位置，金属层上设置了一定的叉指结构单元，其中不存在任何特殊工序以及后续处理工序，这种情况下就促使湿度传感器的制作成本有所降低。

对其进行测试，当温度处于23℃的时候，所存在的湿度则会从10%RH上升到90%RH，这时其中的传感器电容Csensor将会从5PE逐渐向着6.5PE变化，其中的接口电路所使用的是全数字电路，对此电源电压所使用的则是低电压0.5V，而整接口电路所消耗的功率大约为1.5μW。本研究所设计的电路结构相对简单，所使用的芯片面积也较小。虽然其中仅存在中等有效位数，但是电容式传感器的接口电路可以在超低电源电压基础上工作，这和之前的接口电路不同，其功耗得到大大降低，而性能上得到了极大的改善。

四、结语

综上所述，随着无线传感技术以及射频技术的快速发展，涌现出一种低功耗的电容式传感器，对其接口电流进行设计，主要是将锁相环原理作为基础性内容，然后对传统的电压域对传感器信号进行处理，通过这种方式转移到频率域进行处理。针对这一方式而言，技术人员可有对全数字结构进行使用。对此，这一接口电路可以在接近工艺阈值电压的超低电源电压下工作。

参考文献：

[1]邱禹，李长友，徐凤英，麦智炜.基于平板结构的电容式粮食水分检测仪的设计[J].农机化研究，2013， 01：78-82.

[2]邢文奇，胡红利，闫洁冰.一种参比电容传感器接口电路设计及性能评估[J].仪表技术与传感器，2013， 07：5-8.

[3]吴艳，董林玺.基于MEMS传感器的无线传感网络节点的硬件设计[J].机电工程，2012， 03：343-346.

[4]邢文奇，胡红利，罗政元.基于开关电容的电容传感器接口电路设计与测试[J].工业仪表与自动化装置，2012， 06：18-21.endprint