[發明專利]一種用于電容檢測的數字化二階積分調制器

有效

• 申請號: 202011502455.5
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112653471B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發明（設計）人: 陳祥發;佟曉娜;張奇榮;鄔君
• 申請（專利權）人: 北京時代民芯科技有限公司;北京微電子技術研究所
• 主分類號: H03M3/00
• 分類號: H03M3/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 胡健男

本發明一種用于電容檢測的數字化二階積分調制器，包括：第一級積分調制模塊、第二級積分調制模塊、比較器；第一級積分調制模塊，接收電容信號，對電容信號進行失配調整后，再進行電容信號到電壓信號的轉換，形成電壓信號，送至第二級積分調制模塊；第二級積分調制模塊對第一級積分調制模塊輸出的信號進行積分，得到積分后的電壓信號，送至比較器，比較器對積分后的電壓信號與參考信號進行比較，輸出比較結果，形成1bit數字碼流，作為用于電容檢測的數字化二階積分調制器電路的輸出，實現高精度電容到數字信號轉換。

技術領域

本發明涉及一種用于電容檢測的數字化二階積分調制器，屬于集成電路技術領域。

背景技術

電容傳感器廣泛應用于加速度、壓力、位置等測量場景中，待測電容值一般為pF量級甚至是更小的fF量級，很多情況下信號電容比測量電路中的寄生電容值要小得多，因此對電容值讀取電路要求比較高。

傳統的CMOS工藝上實現很高的信號處理精度比較困難，電阻、電容等片上元件的參數值仍然會有10％甚至以上的偏差，因此高精度電路設計非常具有挑戰性，電路設計可能需要激光修正、自動電路校正等非常特殊的工藝和技術。另外，隨著工藝特征尺寸的下降，CMOS場效應晶體管的短溝道效應、載流子遷移速度飽和等效應日益顯現，使得晶體管的本征增益變差，同時產生比長溝道情況下更多的噪聲。電源電壓的降低也增加了模擬電路的設計難度，使得經典的電路，如通過晶體管級聯來增加運放增益的結構，無法在低電壓環境下使用。必須采用新的電路結構，這種結構可同時滿足低電壓、大信號幅度和低噪聲等要求。

發明內容

本發明解決的技術問題為：克服上述現有技術的不足，提供一種用于電容檢測的數字化二階積分調制器，待測電容器作為調制器的輸入電容值，直接將電容量轉換為數字碼流，實現高精度電容到數字信號轉換。

本發明解決的技術方案為：一種用于電容檢測的數字化二階積分調制器，包括：第一級積分調制模塊、第二級積分調制模塊、比較器；

第一級積分調制模塊，接收電容信號，對電容信號進行失配調整后，再進行電容信號到電壓信號的轉換，形成電壓信號，送至第二級積分調制模塊；第二級積分調制模塊對第一級積分調制模塊輸出的信號進行積分，得到積分后的電壓信號，送至比較器，比較器對積分后的電壓信號與參考信號進行比較，輸出比較結果，形成1bit數字碼流，作為用于電容檢測的數字化二階積分調制器電路輸出的同時又反饋到第一級積分調制模塊進行sigma-delta調制。

優選的，第一級積分調制模塊采用開關電容電荷守恒原理實現CV(電容電壓)轉換。與傳統CV轉換電路相比，采用開關電容電荷守恒原理的CV轉換電路無需高精度低噪聲高性能運放電路進行電荷到電壓的轉換，而采用sigma-delta調制器本身對低頻噪聲整形特性實現高精度電容轉換，在低功耗的工作模式下大大提高了微弱電容信號檢測性能。

優選的，第一級積分調制模塊使用不交疊兩相時鐘結合開關電容斬波技術實現電路低頻噪聲外推至高頻，簡化前端電荷到電壓處理模擬電路設計難度的同時提升了電路噪聲處理性能，有利于模擬電路和數字去噪濾波電路高度集成。

優選的，第一級積分調制模塊內部集成了7bit位寬的開關電容DAC，通過共享積分器運放結合片內高精度電容網絡，實現對外部待傳感器失調電容的匹配。通過寄存器控制DAC輸入值實現157fF到20pF的電容失調匹配，擴大了電容檢測電路的適配性，提升了電容檢測的容值范圍。

本發明與現有技術相比的優點在于：

(1)本發明為了滿足電路要求，并且最大限度的克服CMOS工藝對電路性能的影響，采用過Sigma-Delta調制電容檢測技術是一個很好的選擇。本發明采用二階Sigma-Delta調制器結構作為電容讀取電路，待測電容器作為調制器的輸入電容值，直接將電容量轉換為數字碼流，實現高精度電容到數字信號轉換。