基于電流鏡的微電容式傳感器接口電路研究

摘要：在集成微電容式傳感器的研究中，由于敏感電容值的變化量非常微小，其接口電路的研究對(duì)傳感器性能提升是至關(guān)重要的。設(shè)計(jì)了一種基于電流鏡原理檢測(cè)的微電容式傳感器接口電路，電路由電容轉(zhuǎn)換電壓電路、減法器電路、脈沖電路、緩沖器電路等組成?；?.18 μm CMOS工藝庫(kù)對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，結(jié)果表明該電路便于與敏感電容兼容，輸出電壓與敏感電容成線性關(guān)系，其檢測(cè)精確度高、范圍廣。

0 引言

隨著微電子技術(shù)與微機(jī)械加工技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器的微型化、集成化、智能化等成為了研究趨勢(shì)?；贑MOS MEMS技術(shù)將傳感部分與接口電路等在同一芯片完成，有利于大批量生產(chǎn)降低成本、減小器件尺寸、提高傳感器的靈敏度、增強(qiáng)抗干擾能力等。

集成微電容式傳感器由于電路集成度高、制程兼容性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在集成傳感器的研究中，如電容式加速度傳感器、電容式濕度傳感器、電容式壓力傳感器、電容式氣體傳感器等。其工作原理是將外界變化的加速度、濕度、壓力等非電量轉(zhuǎn)換為電容值的變化，然后再將其轉(zhuǎn)換為易于處理的電學(xué)量。

本文研究一種基于電流鏡原理檢測(cè)的微電容式傳感器接口電路，將敏感電容變化的電容值轉(zhuǎn)換為輸出電壓值的變化。電路便于與敏感電容兼容，且輸出電壓與敏感電容成線性關(guān)系。本電路可以避免利用開(kāi)關(guān)電容電路原理進(jìn)行檢測(cè)時(shí)由開(kāi)關(guān)切換電荷注入所產(chǎn)生的誤差，且電路可根據(jù)敏感電容值的范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，檢測(cè)精確度高。

1 電路工作原理

將隨外界物理量變化而改變的敏感電容值轉(zhuǎn)換為電壓值的變化是接口電路設(shè)計(jì)中普遍采用的方式之一。其中，利用開(kāi)關(guān)電容電路原理將敏感電容值轉(zhuǎn)換為電壓值較為常用，這種接口電路具有輸出電壓線性度高、與CMOS工藝兼容、溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)。但是由于開(kāi)關(guān)切換時(shí)電荷注入會(huì)產(chǎn)生誤差，引起輸出偏差，因此，設(shè)計(jì)時(shí)采用基于電流鏡原理進(jìn)行檢測(cè)，電路如圖1所示。電路通過(guò)分時(shí)工作的方式，采用對(duì)電容的充放電，將電容轉(zhuǎn)換為電壓，實(shí)現(xiàn)電容到電壓信號(hào)的讀出。

如圖1所示，Cs為對(duì)外界非電量敏感電容，Cref為參考電容。當(dāng)M1管和M2管工作在飽和區(qū)時(shí)，則：

若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制的影響，由于M1管的柵極和漏極電位相同，且M1管處于飽和區(qū)，因此對(duì)敏感電容Cs充電一段時(shí)間t后，Cs上的電壓為：

設(shè)L1=L2，則：

因此，由公式推導(dǎo)可知輸出電壓Vm與敏感電容和參考電容的比值成線性關(guān)系，且電路可根據(jù)參考電容的不同對(duì)其敏感電容值的范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 電路設(shè)計(jì)

基于電流鏡原理所設(shè)計(jì)的微電容式傳感器接口電路由脈沖電路、電容轉(zhuǎn)換電壓電路、緩沖器電路、減法器電路、反相器電路等組成，電路框圖如圖2所示。

控制敏感電容和參考電容充放電的脈沖信號(hào)由脈沖電路產(chǎn)生。在電容到電壓的轉(zhuǎn)換電路中，由于電流鏡只有在輸出電壓Vm

設(shè)計(jì)時(shí)將MOS管M1和M2的寬長(zhǎng)比設(shè)為相同，即(W/L)1=(W/L)2。由式(10)可知，輸出電壓Vo與Cs/Cref成線性關(guān)系。當(dāng)參考電容值一定時(shí)，輸出電壓隨敏感電容值的變化而變化，因此，可以將隨外界待測(cè)物理量變化而變化的電容值轉(zhuǎn)換為易于后期電路處理的電壓值的變化。

在基于電流鏡原理實(shí)現(xiàn)的接口電路設(shè)計(jì)中，運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的單元，因此電路的設(shè)計(jì)中也應(yīng)完成運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)。運(yùn)放電路如圖4所示。電路由偏置電路、差分輸入級(jí)和增益放大級(jí)三部分組成，并采用米勒補(bǔ)償作為頻率補(bǔ)償。

控制敏感電容和參考電容充放電的脈沖信號(hào)CP1和CP2如圖5所示。

3 電路仿真結(jié)果與分析

利用Cadence spectre仿真器和TSMC公司的0.18μm 3.3V CMOS庫(kù)文件，仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路性能。

在低頻范圍中得到運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益為63.3 dB，單位增益帶寬29.17MHz，相位裕度為65.24，共模抑制比85.2 dB，電源抑制比87 dB，功耗1.81mW。其中開(kāi)環(huán)增益、單位增益帶寬和相位裕度如圖6和圖7所示。

當(dāng)參考電容Cref=200fF，敏感電容Cs=180fF，接口電路的仿真結(jié)果如圖8所示。

當(dāng)參考電容一定時(shí)Cref=200fF，敏感電容Cs=190fF～100fF變化，輸出電壓Vo的仿真結(jié)果如圖9所示。

如圖9，當(dāng)敏感電容Cs=190fF時(shí)，輸出電壓VT(“/vo”)0>為2.54V;當(dāng)敏感電容Cs=180fF時(shí)，輸出電壓VT(“/vo”)1>為2.44V;當(dāng)敏感電容Cs=160fF時(shí)，輸出電壓VT(“/vo”)3>為2.24V;當(dāng)敏感電容Cs=140fF時(shí)，輸出電壓VT(“/vo”)5>為2.035V;當(dāng)敏感電容Cs= 120fP時(shí)，輸出電壓VT(“/vo”)7>為1.83V;當(dāng)敏感電容Cs=100fF時(shí)，輸出電壓VT(“/vo”)9>為1.62V。

因此，由圖9可知，當(dāng)敏感電容值線性變化時(shí)，輸出電壓的變化值也為線性，該對(duì)應(yīng)關(guān)系與式(10)相符。當(dāng)參考電容為Cref=200fF時(shí)，敏感電容Cs=190fF～150fF之間變化線性度好，其電容到電壓轉(zhuǎn)換的分辨率為100mV/10fF。該接口電路中也可以通過(guò)改變參考電容值的大小，以檢測(cè)不同的敏感電容值。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)微電容式傳感器接口電路設(shè)計(jì)了一種基于電流鏡原理的檢測(cè)電路，電路利用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，將敏感電容變化的電容值轉(zhuǎn)換為輸出電壓值的變化。通過(guò)仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明本電路仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)相符，其輸出電壓與敏感電容的線性度高，檢測(cè)范圍廣，利于后期電路處理。