集成微电容式传感器检测电路设计与研究

电容式传感器被广泛的应用在压力、湿度、加速<度、位移 、气体 等检 测 中¨ J。它是 利用 电容器 原<理 ，将外界环境 中待测的非 电量转换 为电容量 。当<前 ，得益于微电子技术的发展 ，利用 CM OS 工艺将 电<容式传感器与读出电路、处理电路等集成在同一芯<片，实现集成 电容式传感器

微电容信号的检测电路可分为电容转换电压、<电容转换频率、电容转换电流等形式。其中将微电<容信号转换为电压信号电路，由于其输出稳定性好、精度高、便于集成等优点成为检测电路中常用的方<法¨¨。本文采用差分式开关电容电路原理 ，将随外<界非电量改变而变化的电容量转换 为 电压 的变化<量。该检测 电路在 CM OS 工艺下实现，利用 C M OS<开关 、误差存储电容和多相时钟源的方法 ，有效的消<除了检测电路的失调电压和偏置电压误差，减少 了<电荷注入和时钟馈通的影响。

1<电路工作原理

微电容检测电路是利用差分式开关电容电路将<电容值转换为 电压值 ，再通过放大、滤波进行优化<输出。

1．1<差分式开关电容电路

首先，分析开关电容电路的工作原理，其工作状<态由采 样 阶段 与放 大 阶段 组 成，电路 如 图 1 所示<。利用运放输人端电荷量保持不变的特性 ，得<到开关电容电路的输出电压<为

采用带误差存储电容的差分式开关电容电路如<下图 2 所示。其中 c 。 为对外界非 电量敏感电容 ，

利用电容的充放电原理，考虑运放工作时的偏<置电压及输入失调 电压 的影响 ，输 出电压 中存在误<差量 ，<如下所示

当开关s。和s闭合，s断开时，输出电压为信<号电压值<与误差电压之和，误差存储 电容 C 存<储着运放 的失调 电压和偏置 电压值。当开关 S：闭<合 ，s。和 S 断开时，输 出电压为信号电压值<与误<差电压之和。利用差分工作原理，最终得到的输出电<压值<已消除了误差 电压的影响。因此 ，在差分式<开关电容电路中加入误差存储电容的电路结构可以<消除运放的失调电压和偏置电压误差 ，将随外界非电<量改变而变化的电容量转换为电压的变化量。

1．2<反 相放 大 电路

由差分式开关电容电路的输出电压经过开关电<容放大 电路后反相放大 ，如下 图 3 所示。利用 电荷<守恒原理 ，得到电路的输出电压<为 ：

1．3<低通滤波电路电感厂电感厂http://www.pupukj.com/

检i贝0电路设计中，为减少电阻所占布局面积，低<通滤波电路采用一阶开关 电容滤波器，如下图 4 所<示。开关 S 、s 与 电容 c 相 当于电阻 R ，其 电阻等<1<效值为 R =<，其中f 为开关的时钟频率。该滤波

2电路设计

微电容检测电路由差分式开关电容电路、反相<放大电路、低通滤波电路组成，并在所有电路的开关<实现中采用 CM OS 开关。在整体电路设计中运算放<大器性能的优劣关系到传感器的检测精度，因此，首<先针对运放电路进行分析和设计。

2．1<运放电路的设计

根据微电容检测电路的要求，运放采用两级放大电路，双电源供电，初步设计的运放指标为：采用<0．18IxmCMOS工艺，供电电压为±3．3V；开环直流<增益1> 60 dB ；相位裕度 I> 60。；共模输入电压范围为<±2．3 V ；输出电压摆幅为±2．3 V ；静态功耗 ≤2 m w 。<根据设计要求所选择的电路结构如图 6 所示。

运放电路第1级为差分放大器，第2级为增益的<共源放大器 ，频率补偿电容 c 利用源跟随器与放大<器的输出端相连，减少了输 出信号 的相位变化 ，改善<了运放的稳定性。

提取TSMC0．18I．Lm3．3VCMOS工艺的部分模<型参数为 NM OS ：L = 1<； h=O．8 V ；K = 1．7~ 10

设定负载电容为C=20pF，根据设计要求可<得 ：工作电流<=60A，频率补偿电容选择NMOS<电容 ，C = 4．9 pF ，各 M OS 管参数如表 1 所示。

2．2<整体电路设计

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