分析低功耗全數字電容式傳感器接口電路設計

謝孟喆+康瑤

摘 要：針對低功耗全數字電容式傳感器接口電路設計進行分析，介紹了全數字電容式傳感器接口電路，結合這些內容，探討了接口電路的設計方式，內容有： 電壓比較器電路設計，異或門電路設計D觸發器電路設計，計數器電路設計。此后還介紹了測試結果。

關鍵詞：低功耗；全數字電容式傳感器；接口電路

電容式傳感器主要是借助電容器原理，對外界環境當中等待測試的非電量轉變成電容量，然后對電容量的變化進行轉變，促使其成為電壓、頻率等輸出量。這種傳感器被廣泛的應用在壓力、濕度和加速度等的檢測工作中。

一、全數字電容式傳感器接口電路

以某低功耗全數字電容式傳感器接口電路設計為例，其中通過傳感器所控制的振蕩器和數字控制的振蕩器，兩者使用的都是結構比較簡單的5級環形振蕩器。但是不同的是，SCO的內容有傳感器電容，但是DCO所包含的是一個開關控制的可變負載電容。對此，SCO所輸出的信號頻率，會在一定程度上受到傳感器電容的調制，同時DCO輸出的信號頻率也會因為鑒相器（PD）所輸出的Bout調制。圖1 為全數字電容式傳感器接口電路：

在這一電路當中，DCO主要是負載電容通過Co以及Cm兩個電容所構成的，而其中的Co始終和電路之間相互連接，并且和傳感器電容Csensor偏置的部分相一致。此外，Cm因為接入了開關控制，所得到的值要比Csensor的最大變化范圍還大。這是對線性度和流片后的誤差進行分析，通常情況下，對Cm進行設計，可以將其設置成可編程電容，取值設置為Csensor最大變化值范圍的1-2倍。為了促使功耗得以減小，在一定程度上提升靈敏度，對虛擬電容Cd的取值較小。在本電路的設計過程中，因為傳感器電容Csensor是從5PE向著6.5PE變化的，也就是最大△Csensor=1.5PE。對此，在接口電路當中，偏置電容Co可以設計成5PE，對于開關電容來說Cm可以設置成2PE，其中的虛擬電容可有設置成1PE。

對于鑒相器進行分析，其屬于一個相對簡單的D觸發器（DFF），其中的反相器同樣使用的是數字集成電路中比較簡單的結構。這一電路當中使用的鑒相器所輸出的內容，經過一定的反饋，對負載電容Cm是否能夠接入，在環路相對穩定的狀況下，鑒相器所輸出的bout所占的空間比會受到調制，這一信號的平均值以及傳感器電容值相互之間存在一定比例關系，對此bout也就是傳感器的數字信號輸出。

二、電路設計

1.電壓比較器電路設計

電壓比價器電路主要是通過差分放大器、共源放大器、推挽輸出級放大器、偏置電壓電路共同組成。圖2為相應示意圖：

在電壓比較器當中，共存在兩個輸入端，分別為通向輸入端和反向輸入端，所輸入的電壓分別使用的是V+和V-。如果V+比V-高，M1管導通，I1比I2要大，M管以及M3管所流經的電流是相同的。同時M4管和M3管漏極電壓是高電平，M6管以及M7管所產生的漏極電壓屬于高電平，此后V0所輸出的是低電平。

2.異或門電路設計

異或門電路主要是通過或門和或非門相互組成，兩個并聯的NMOS管以及兩個串聯的PMDS管共同構成，形成了兩個輸入或者非門，在輸入端的AB或非的結果以及AB和結果向或非。如果AB端輸入值處于不同狀態下，或非門所輸出的便是低電平，而AB相與的結果也是低電平。這種情況下，或非的結果L則是高電平。

3.D觸發器電路設計

D觸發器主要是通過傳輸門、倒相器和或非門共同組成。圖3 為D觸發電路：

RES端主要是復位端，如果RES成為高電平時，這時的或非門所得到的輸出的Q始終屬于低電平，而其中的電路則為高電平異步復位。如果RES是低電平，同時T為低電，G是高電平，這種情況下的TG1、TG4導通，TG2和TG3截止，在輸出端的Q出現的邏輯不會隨著D而變化。如果T跳動變成高電平時，這時的TG1和TG4截止，TG2和TG3導通。Q所邏輯主要是通過T為低電平最后時刻狀態來決定的，進而構成了上升沿觸發的D觸發器電路。

三、測試結果

本研究主要是將中芯國際0.18μmCMOS工藝為基礎，所設計的全數字電容式傳感器接口和濕度傳感器之間成功流片。在片上，所集成的灰度傳感器所使用的標準主要是CMOS工序，而在其頂部位置，金屬層上設置了一定的叉指結構單元，其中不存在任何特殊工序以及后續處理工序，這種情況下就促使濕度傳感器的制作成本有所降低。

對其進行測試，當溫度處于23℃的時候，所存在的濕度則會從10%RH上升到90%RH，這時其中的傳感器電容Csensor將會從5PE逐漸向著6.5PE變化，其中的接口電路所使用的是全數字電路，對此電源電壓所使用的則是低電壓0.5V，而整接口電路所消耗的功率大約為1.5μW。本研究所設計的電路結構相對簡單，所使用的芯片面積也較小。雖然其中僅存在中等有效位數，但是電容式傳感器的接口電路可以在超低電源電壓基礎上工作，這和之前的接口電路不同，其功耗得到大大降低，而性能上得到了極大的改善。

四、結語

綜上所述，隨著無線傳感技術以及射頻技術的快速發展，涌現出一種低功耗的電容式傳感器，對其接口電流進行設計，主要是將鎖相環原理作為基礎性內容，然后對傳統的電壓域對傳感器信號進行處理，通過這種方式轉移到頻率域進行處理。針對這一方式而言，技術人員可有對全數字結構進行使用。對此，這一接口電路可以在接近工藝閾值電壓的超低電源電壓下工作。

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