[發明專利]一種低功耗高分辨率電容測量電路

有效

• 申請號: 202110042598.0
• 申請日: 2021-01-13
• 公開（公告）號: CN112881775B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 簡明朝;郭春炳;孔祥鍵;陸維立;楊德旺;高鈞達
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 張生梅

本發明公開了一種低功耗高分辨率電容測量電路，包括模擬前端模塊和數模轉換器，其中：待測電容一端接地，另一端通過開關連接至所述模擬前端模塊；所述模擬前端模塊包括輸入級、放大級和輸出級，當所述開關閉合后，所述輸入級通過電容分壓將待測電容轉換為相應的線性輸出電壓，線性輸出電壓經過放大級以提高電壓輸出擺幅，繼而通過電流鏡技術傳送到所述輸出級；將輸出級輸出的電壓值保存在輸出電容上，再經過所述數模轉換器轉換成數字信號后輸出。本發明采用電容分壓?電流鏡調節技術來檢測被測電容的大小變化，有著高分辨的特點，同時具有功耗低、結構簡單，易于實現，具有可全集成的優點。

技術領域

本發明涉及模擬前端集成電路技術領域，具體涉及一種低功耗高分辨率電容測量電路(Capacitor to Digital Converter，CDC)，用于將待測電容大小轉化為數字信號輸出。

背景技術

電容是電學中重要的物理參數之一，電容測量電路在科學和工業應用中得到廣泛應用，例如電容感應式的觸摸屏；當手指觸摸屏幕，觸摸屏控制器通過感應自電容或互電容在觸摸屏上的大小變化來確定觸摸對象的位置。

現階段電容測量電路包括交流電橋法和交流鎖相放大,其中，基于交流電橋的方法采用交流激勵，然后使用ADC對電橋的輸出進行解調和數字化，以獲得與電容變化相對應的數字輸出，穩定性好且寄生電容影響小，但此方法需要一個高阻抗、低溫漂的運算放大器，因此對工藝條件要求較高，難以集成，且測量誤差較大。交流鎖相放大電容測量電路低溫漂、信噪比高，但電路復雜，功耗大，成本較高，抗雜散性仍有待提高且分辨率只能達到nF級。

發明內容

本發明的目的是提供一種低功耗高分辨率電容測量電路，用以克服現有電容測量電路存在的電路功耗大、分辨率低和電路復雜的問題。

為了實現上述任務，本發明采用以下技術方案：

一種低功耗高分辨率電容測量電路，包括模擬前端模塊和數模轉換器，其中：

待測電容Cx一端接地，另一端通過開關S1連接至所述模擬前端模塊；

所述模擬前端模塊包括輸入級、放大級和輸出級，當所述開關S1閉合后，所述輸入級通過電容分壓將待測電容Cx轉換為相應的線性輸出電壓，線性輸出電壓經過放大級以提高電壓輸出擺幅，繼而通過電流鏡技術傳送到所述輸出級；將輸出級輸出的電壓值保存在輸出電容上，再經過所述數模轉換器轉換成數字信號后輸出。

進一步地，所述電容測量電路還包括低壓差線性穩壓器；

所述低壓差線性穩壓器分別與模擬前端模塊、數模轉換器連接，用于為模擬前端模塊、數模轉換器提供穩定的工作電壓使其適應在不同的外部電源電壓下工作。

進一步地，所述輸入級包括電容C_initial、電容C1、傳輸門TG1、傳輸門TG2、傳輸門TG3、MOS管M1和MOS管M2；其中：

所述待測電容Cx的上極板接地，下極板通過開關S1連接到輸入級中的電壓節點X；電容C_initial和電容C1的上極板連接電壓節點X，C_initial下極板連接地，C1下極板連接MOS管M1的漏極和MOS管M2的源極；MOS管M1的源極連接地，MOS管M2漏極連接電壓源VR；MOS管M1和MOS管M2的柵極接控制信號CLK1；傳輸門TG1連接電壓節點X和地，傳輸門TG2連接輸出V1和參考電壓Vref，傳輸門TG3連接電壓節點X和輸出V1；傳輸門TG1、傳輸門TG2的控制信號為CLK1，傳輸門TG3的控制信號為CLK2。

進一步地，所述輸入級的工作過程為：

當CLK1為高電平CLK2為低電平時，MOS管M2和傳輸門TG3截止，MOS管M1、傳輸門TG1和傳輸門TG2導通，將電容C1和電容C_Initial的上下級板均下拉到GND，電壓節點X通過傳輸門TG1拉到地，輸出V1通過傳輸門TG2拉到參考電壓Vref；