一種低功耗全數字電容式傳感器接口電路設計的制作方法

本發明涉及一種低功耗全數字電容式傳感器接口電路設計，適用于各種集成傳感器。

背景技術：

電容式傳感器利用電容器原理，將外界環境中待測的非電量轉換為電容量，再將電容量的變化轉換為電壓、頻率等輸出量，被廣泛地應用在壓力、濕度、加速度、位移、氣體等檢測中。當前，得益于微電子技術的發展，作為集成電路制造主流工藝的CMOS工藝能很好地將電容式傳感器與讀出電路、信號處理電路等集成在同一芯片上，不僅大大降低系統成本，而且可以提高檢測精度，所以電容式傳感器被廣泛地應用于集成傳感器的設計中。但是對于模擬集成電路來說，工藝尺寸的減小所帶來的性能提高并不如數字電路那么大。除了匹配和噪聲性能的下降，M0S管閾值電壓的減小也不像電源電壓的減小那么顯著，這就導致在模擬集成電路設計中可允許的輸出電壓范圍的減小。因此當器件工藝進入納米時代后，在低電壓下設計傳感器接口電路成為一種挑戰。針對這一點，提出一種將傳統的在電壓幅度域處理傳感器信號方式轉移到在時間或頻率域處理傳感器信號方式。這樣可以采用全數字電路而不是模擬電路，可以使得電路可以工作在更低的電源電壓下，特別適合低功耗的射頻識別傳感器標簽及無線傳感器網絡節點的設計。

技術實現要素：

為了克服模擬集成電路構成的接口電路性能較低，匹配和噪聲性能較低，M0S管閾值電壓的減小也不像電源電壓的減小那么顯著，可允許的輸出電壓范圍減小的缺點。本發明設計了一種適用于各種集成傳感器的低功耗全數字電容式傳感器接口電路。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是。

在低功耗全數字電容式傳感器接口電路中設計了重要的三個部分：傳感器、頻率調制模塊、頻率解調模塊。其中頻率調制由一個傳感器控制振蕩器(SCO)構成，它直接將傳感器電容值轉換為相應的頻率。頻率解調是一個BBPLL鎖相環，它由一個1比特鑒相器(PD)和一個數字控制的振蕩器(DCO)組成。

本發明的有益效果是：控制環路采用開關式鎖相環(BBPLL)結構，這種數字式結構具有低壓低功耗、節省芯片面積、容易改變尺寸及受工藝影響小等優點。頻率調制模塊是直接將傳感器信號轉換到頻率域處理，從而避免了將傳感器信號轉換為電壓信號的中間過程，可以使得電路可以工作在更低的電源電壓下。而且電路設計簡單，克服了模擬接口電路性能較低、可允許的輸出電壓范圍減小的缺點。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是基于鎖相環的電容式傳感器接口電路原理圖。

圖2是鎖相環式頻率-數字轉換原理圖。

圖3是全數字電容式傳感器接口電路。

圖1中，SCO為傳感器控制振蕩器，DCO為數字控制振蕩器。

圖2中，VCO為壓控振蕩器，DAC為數模轉換器，V_SENS為傳感器信號，f_SENS為壓控振蕩器頻率，f_dig為環路振蕩器的頻率。

具體實施方式

圖1中，頻率調制由一個傳感器控制振蕩器(SCO)構成，它直接將傳感器電容值轉換為相應的頻率。頻率解調是一個BBPLL鎖相環，它由一個1比特鑒相器(PD)和一個數字控制的振蕩器(DCO)組成。BBPLL鎖相環檢測f_SENS超前還是落后于DCO的頻率f_dig，因此DCO的控制信號b_out是一個過采樣輸出的l比特信號,且它所代表的電壓值(平均占空比)與傳感器電容值變化成正比例。

圖2中，壓控振蕩器(VCO)受到傳感器信號V_SENS的控制，并產生一個與V_SENS相對應的頻率信號f_SENS。鑒相器(PD)比較壓控振蕩器頻率f_SENS和環路振蕩器頻率f_dig的相位差，并輸出一個1比特數字信號b_out，輸出信號b_out經反饋，通過一個l比特數模轉換器(DAC)轉換為相對應的模擬信號V_dig去控制環路振蕩器，并產生與之對應的環路振蕩器頻率f_dig。在反饋環路穩定情況下，數模轉換器(DAC)輸出電壓V_dig的最大最小值與傳感器信號的V_SENS最大最小值相對應。

圖3中，傳感器控制振蕩器(SCO)與數字控制的振蕩器(DCO)都采用結構簡單的5級環形振蕩器，不同的是，SCO包含傳感器電容，而DCO包含一個開關控制的可變負載電容。所以SCO輸出信號頻率受到傳感器電容的調制，而DCO輸出信號頻率受到鑒相器(PD)的輸出b_out的調制。DCO的可變負載電容由Co和Cm兩電容構成，其中Co始終接人電路，且和傳感器電容Csensor偏置部分大小一致。