一種低功耗電容式傳感器接口電路的制作方法
【專利摘要】一種低功耗電容式傳感器接口電路，由傳感器控制振蕩器、多路分頻器、多路選擇器和計數器構成，傳感器控制振蕩器的輸出端接多路分頻器的輸入端，多路分頻器的輸出端接多路選擇器的輸入端，多路選擇器的輸出端接計數器的一輸入端，計數器的另一輸入端外接時鐘信號；計數器的輸出端為數字信號輸出端。本發明之接口電路在頻率域處理傳感器信號，采用全數字結構，電路結構簡單，可以工作于較低的電源電壓，有利于降低電路的整體功耗,節省芯片面積，受工藝影響小。
【專利說明】一種低功耗電容式傳感器接口電路
【技術領域】
[0001]本發明屬于傳感器接口電路領域，特別涉及一種低功耗電容式傳感器接口電路。
【背景技術】
[0002]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，被廣泛的應用在壓力、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工藝能很好的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的應用于集成傳感器的設計中。
[0003]物聯網已被確定為中國戰略性新興產業之一，作為物聯網關鍵模塊的無線傳感器網絡節點和射頻識別傳感器標簽的發展都對低功耗集成傳感器有著廣大的需求。對于電容式傳感器來說，傳感器以電容形式接入接口電路，因此電容式傳感器的主要功耗來源于接口電路。傳統電容式傳感器接口電路在電壓幅度域處理傳感器信號，首先采用電容一電壓轉換器產生一個與傳感器電容和參考電容差值成正比例的電壓信號，再經過模數轉換器將此電壓信號轉換為相對應的數字信號輸出。這種設計方法能夠獲得高速和高分辨率性能，但由于采用了運算放大器，電路結構復雜，需使用較高的電源電壓，整體功耗甚高，不適合低功耗應用。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是，克服現有電容式傳感器接口電路的在低功耗設計中的不足，提供一種基于振蕩器的低功耗電容式傳感器接口電路，此接口電路在頻率域處理傳感器信號，電路結構簡單，可以工作于較低的電源電壓，有利于降低電路的整體功耗。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案:
一種低功耗電容式傳感器接口電路，由傳感器控制振蕩器、多路分頻器、多路選擇器和計數器構成，傳感器控制振蕩器的輸出端接多路分頻器的輸入端，多路分頻器的輸出端接多路選擇器的輸入端，多路選擇器的輸出端接計數器的一輸入端，計數器的另一輸入端外接時鐘信號；計數器的輸出端為數字信號輸出端。
[0006]所述傳感器控制振蕩器用于完成將傳感器電容值轉換為相應的振蕩頻率。
[0007]所述多路分頻器用于產生多路振蕩頻率，消除因工藝偏差導致的傳感器電容值與振蕩器振蕩頻率的偏差對接口電路穩定性的影響。
[0008]所述多路選擇器用于從多路分頻器輸出的多路頻率中選擇適合計數器工作的振蕩頻率。
[0009]所述計數器受時鐘信號的控制，計算一周期內接收到多路選擇器輸出的脈沖數，從而產生相應的數字信號輸出。
[0010]所述傳感器控制振蕩器、多路分頻器、多路選擇器和計數器均可采用數字集成電路設計。
[0011]優選地，所述傳感器控制振蕩器采用環形振蕩器結構，此環形振蕩器由奇數個首尾相連的反相器構成反饋回路，傳感器電容并聯接入反饋回路中。
[0012]優選地，所述反相器采用電流受限型(Current-Starved)反相器，反相器的電流受電流鏡的限制。
[0013]本發明之接口電路在頻率域處理傳感器信號，可采用全數字結構，電路結構簡單，可以工作于較低的電源電壓，有利于降低電路的整體功耗，節省芯片面積，受工藝影響小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的電容式傳感器接口電路結構圖；
圖2為本發明的傳感器控制振蕩器結構圖；
圖3為電流受限型反相器原理圖；
圖4為本發明的多路分頻器結構圖；
圖5為本發明的多路選擇器結構圖；
圖6本發明的計數器結構圖；
圖7為所測試的集成濕度傳感器的相對濕度與接口電路輸出關系圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和較優選實施例對本發明的技術方案進行詳細地闡述。以下較優選實施例僅僅用于說明和解釋本發明，而不構成對本發明技術方案的限制。
[0016]以采用臺積電0.1SMffl CMOS工藝設計并制造集成濕度傳感器芯片為例，該芯片的接口電路采用了本發明之低功耗電容式傳感器接口電路，由傳感器控制振蕩器、多路分頻器、多路選擇器和計數器構成。
[0017]參照圖1，傳感器控制振蕩器的輸出端接多路分頻器的輸入端，多路分頻器的輸出端接多路選擇器的輸入端，多路選擇器的輸出端接計數器的一輸入端，計數器的另一輸入端外接時鐘信號；計數器的輸出為傳感器相對應的數字信號輸出。
[0018]參照圖2，所述傳感器控制振蕩器，采用環形振蕩器結構，由3個首尾相連的反相器構成反饋回路，濕度傳感器電容并聯接入反饋回路中，產生頻率為蕩頻率。
[0019]參照圖3，所述反相器采用電流受限型(Current-starved)反相器，可使用IV電源電壓，電流鏡電流為ιομΑ。
[0020]所述多路分頻器用于產生多路振蕩頻率，本實施例中采用2、4、8、16四路分頻(參見圖1)。
[0021]所述多路選擇器用于從多路分頻器輸出的多路頻率中選擇適合計數器工作的振蕩頻率，本實施例中采用4選1通道模式，選擇4分頻通道。
[0022]所述計數器受系統時鐘信號的控制，計算一周期內接收到多路選擇器輸出的脈沖數，從而產生相應的數字信號輸出，本實施例采用lObits計數器，外接時鐘信號頻率為1kHz，計數器的輸出b-為傳感器相對應的數字信號輸出。
[0023]所述傳感器控制振蕩器、多路分頻器(參見圖4)、多路選擇器(參見圖5)和計數器(參見圖6)均可采用基本數字集成電路設計，無需使用運算放大器，電路結構簡單，可以工作于較低的電源電壓。
[0024]圖7為所測試的集成濕度傳感器的相對濕度與接口電路輸出關系圖，由圖7可知，本發明的電容式傳感器接口電路獲得了良好的線性度。
【權利要求】
1.一種低功耗電容式傳感器接口電路，其特征在于，由傳感器控制振蕩器、多路分頻器、多路選擇器和計數器構成，傳感器控制振蕩器的輸出端接多路分頻器的輸入端，多路分頻器的輸出端接多路選擇器的輸入端，多路選擇器的輸出端接計數器的一輸入端，計數器的另一輸入端外接時鐘信號；計數器的輸出端為數字信號輸出端； 所述傳感器控制振蕩器用于完成將傳感器電容值轉換為相應的振蕩頻率； 所述多路分頻器用于產生多路振蕩頻率，消除因工藝偏差導致的傳感器電容值與振蕩器振蕩頻率的偏差對接口電路穩定性的影響； 所述多路選擇器用于從多路分頻器輸出的多路頻率中選擇適合計數器工作的振蕩頻率; 所述計數器受系統時鐘信號的控制，計算一周期內接收到多路選擇器輸出的脈沖數，從而產生相應的數字信號輸出。
2.根據權利要求1所述的低功耗電容式傳感器接口電路，其特征在于，所述傳感器控制振蕩器、多路分頻器、多路選擇器和計數器均采用數字集成電路設計。
3.根據權利要求1或2所述的低功耗電容式傳感器接口電路，其特征在于，所述傳感器控制振蕩器采用環形振蕩器結構，由奇數個反相器首尾相連構成反饋回路，傳感器電容并聯接入反饋回路中。
4.根據權利要求3所述的功耗電容式傳感器接口電路，其特征在于，所述反相器采用電流受限型反相器，反相器的電流受電流鏡的限制。
【文檔編號】H03K19/0175GK104485938SQ201510016077
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2015年1月13日 優先權日:2015年1月13日
【發明者】何怡剛, 鄧芳明, 佐磊, 尹柏強, 李兵, 袁莉芬, 項勝, 何威 申請人:合肥工業大學