[发明专利]全数字集成电容式传感器接口电路

说明书

技术领域

本发明涉及传感器接口电路领域，特别涉及一种全数字集成电容式传感器接口电路。

背景技术

电容式传感器利用电容器原理，将外界环境中待测的非电量转换为电容量，再将电容量的变化转换为电压、频率等输出量，被广泛的应用在压力、湿度、加速度、位移、气体等检测中。当前，得益于微电子技术的发展，作为集成电路制造主流工艺的CMOS工艺能很好的将电容式传感器与读出电路、信号处理电路等集成在同一芯片上，不仅大大降低系统成本，而且可以提高检测精度，所以电容式传感器被广泛的应用于集成传感器的设计中。

CMOS工艺的发展主要是针对于数字集成电路。随着工艺尺寸的减小，数字集成电路的速度、功耗和面积等性能都获得很大提高。但是对于模拟集成电路来说，工艺尺寸的减小所带来的性能提高并不如数字电路那么大。除了匹配和噪声性能的下降，MOS管阈值电压的减小也不像电源电压的减小那么显著，这就导致在模拟集成电路设计中可允许的输出电压范围的减小。因此，当器件工艺进入纳米时代后，在低的电源电压下设计低功耗传感器接口电路成为难点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有集成电容式传感器接口电路的在低功耗设计中的不足，提出一种基于锁相环原理的全数字集成电容式传感器接口电路，此接口电路直接将传感器电容值转换为频率信号，整个接口电路结构简单，可以工作在接近工艺阈值电压的超低电源电压下，有利于降低电路的整体功耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

全数字集成电容式传感器接口电路，由传感器控制振荡器和开关式锁相环两部分组成；开关式锁相环的输入端接传感器控制振荡器的输出端，开关式锁相环的输出端为数字信号输出端；所述开关式锁相环是由鉴相器和数字控制振荡器构成的闭合回路，传感器控制振荡器的输出端与鉴相器的一输入端相连，鉴相器的另一输入端接数字控制振荡器的反馈输出端，鉴相器的输出端与数字控制振荡器的输入端相连；

所述鉴相器用于比较传感器控制振荡器信号与数字控制振荡器信号的相位差，从而得到数字输出信号，且所述数字输出信号经反馈作用于数字控制振荡器。

进一步，所述传感器控制振荡器采用环形振荡器，此环形振荡器由至少两个反相器Ⅰ首尾相连构成。

进一步，传感器控制振荡器所采用的环形振荡器的一级反相器Ⅰ输出端接有一个传感器电容，传感器电容为一级反相器Ⅰ的负载电容。

进一步，所述数字控制振荡器亦采用环形振荡器，此环形振荡器由至少两个反相器Ⅱ首尾相连构成，反相器Ⅱ的个数与反相器Ⅰ的个数相同，即反相器Ⅱ的级数与反相器Ⅰ的级数相同，反相器Ⅱ所选用的反相器类型亦与反相器Ⅰ所选用的反相器类型相同。

进一步，数字控制振荡器所采用的环形振荡器的一级反相器Ⅱ输出端接一个偏置电容和一个开关电容，偏置电容和开关电容并联，偏置电容和开关电容共同构成一级反相器Ⅱ的负载电容，开关电容受鉴相器的输出端控制。

所述鉴相器采用1比特的D触发器。

本发明中，频率调制通过一个传感器控制振荡器（SCO）实现，它直接将传感器电容的值转换为相应的频率                                               ；频率解调通过是开关式锁相环（BBPLL）实现，它由一个1比特鉴相器（PD）和一个数字控制振荡器（DCO）组成。开关式锁相环的鉴相器（PD）用于检测是超前还是落后于数字控制振荡器（DCO）的频率，鉴相器输出端输出的比特信号即为开关式锁相环的数字信号输出端的数字输出信号，开关式锁相环的数字信号输出端的数字输出信号是一个过采样输出的1比特信号，它所代表的电压值（平均占空比）与传感器电容值变化成正比例。

传感器电容值为某一恒定值时，环路稳定情况下各相应点的波形图如图2所示。因为传感器电容值恒定，所以传感器控制振荡器为一固定频率。数字控制振荡器的频率在最大值和最小值间切换。数字输出信号代表着传感器控制振荡器和数字控制振荡器的相位差，因此，在环路锁定的情况下，的平均值等于。所以当过采样输出经数字滤波后，就是相对应的数字信号输出。

本发明采用全数字结构，电路结构简单，输入与输出之间保持良好的线性，可以工作在接近工艺阈值电压的超低电源电压下，降低整体电路的功耗。本发明选用开关式锁相环（BBPLL）为整个电路的控制环路，具有低压低功耗、节省芯片面积、容易改变尺寸及受工艺影响小等优点。

附图说明

图1为本发明全数字集成电容式传感器接口电路结构图；