[发明专利]差动电容的感测电路及方法

说明书

技术领域

本发明是有关一种差动电容的感测电路，特别是关于一种差动电容的感测电路及方法，可抵减运算放大器内部的非理想效应对输出的影响。

背景技术

差动电容(differential Capacitance)又称为电极电容，是针对两电极各自形成的电容的差值大小作感测，广泛地应用于感测压力、加速度、直线位移、旋转角度等物理作用所造成的电容变化的感测器(sensor)，其电路结构依感测量的要求不同而不同，但基本皆是以感测器中两电极各自形成的电容的差异来产生感测值。

图1是现有量测差动电容10的感测电路，于美国专利公告第6,949,937号所提出，包含有切换式电容前端电路12及放大级(Amplifier Stage)14。差动电容10为两电极之间的电容，可视为由一对可变电容CT1、CT2组成。切换式电容前端电路12具有切换电路16及电荷储存电路18，于感测端Input1、Input2分别连接电容CT1、CT2，利用切换电路16中开关S1～S8的切换，让电容CT1、CT2连接电源VDD和VSS以供应适当的电荷，再重复将电容CT1、CT2的电荷转移至电荷储存电路18中的电容C1、C2中，最后将电容C1、C2中的电荷储存于一浮接的电容CD两端，以电容CD两端的电位差V_CD对应电容CT1、CT2的差值，最后将电容CD的两端连接放大器14的输入，将此电位差V_CD由放大级14放大输出，达到感测差动电容10的效果。图2a～图2e所示是图1中切换式电容前端电路12的操作示意图。而此现有技术更以过取样(Over-sampling)的方式，在不重置开关SR1及SR2的情况下重复图2a～图2d的动作，对电容CT1及CT2重复充放电，并重复转移电荷至内部的单一储存电容C1或C2中，用以于前端的切换式电容前端电路12中进行平均以抑制RF干扰或电源噪声后，之后，如图2e将电容C1、C2中的电荷储存于电容CD两端，最后，由图1中后端的放大级(Amplifier Stage)14连接电容CD的两端，放大输出。由于此现有技术是重复操作前端的切换式电容前端电路12以进行平均，并不是重复操作整个电路后再平均，具有节省功率消耗的效果。

但是，放大级14是利用运算放大器直接将对应输出电压V_OUT1、V_OUT2的差值V_CD放大，会同时将运算放大器的非理想效应一并于输出端输出，如偏移(Offset)、闪烁噪声(Flicker Noise)、有限增益的错误(Finite Gain error)...等，使得感测结果受到影响。

此外，上述的操作方式，却无法有效地平均，以降低噪声。以经由电荷守恒计算可得n次电荷转移后，以C1电容为例，其输出电压V_OUT1如下：

V_OUT1＝V_n+V_n-1·X+V_n-2·X²+…+V₁·X^n-1，公式1

X=C1CT1+CT2+C1,]]>公式2