微小电容测试电路.docx

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微小电容测试电路

微小电容测试电路

摘要：

随着MEMS工艺的逐渐提高，传感电容越来越小，外界物理量引起的传感电容的变化更是微小，这样检测电路就变的相对复杂。

传感器的检测精度很大部分被检测电路所限制。

本文的检测电容ASIC用于检测MEMS电容传感器的微弱电容变化，把传感器变化的电容量转换成变化的电压值。

我们的目的是把设计流片出来的裸片和传感器封装在一个管壳内，从而达到降低传感器体积、增加传感器灵敏度的目的。

微电容检测主要是把MEMS电容传感器因外界某物理量的变化而引起的传感电容的变化转换成电压或者电流信号，并对信号进行放大，使信号可以在仪器上输出或者控制其它执行器件的运行。

在电容式加速度计中，常见的检测电路有：

震荡电路、连续时间电流读出方式、连续时间电压读出方式、差动脉冲调宽电路、开关电容电荷积分方式等，通过对各种检测方法的分析，得出了开关电容检测方式最适合我们的设计目标。

本文通过研究开关电容检测方式设计出电路设计。

根据性能指标，查阅文献，确定检测方法，确定电路原理图，设计检测ASIC需要的低噪声放大器，时序控制电路等，完成整体电路晶体管级设计，完成整体电路的版图设计，并对对电路进行深入分析，总结不足，提出进一步研究的方向。

关键词：

MEMS；电容式微传感器；运算放大器；低噪声；精度

毕业设计说明书中文摘要

毕业设计说明书外文摘要

ABSTRACT

Smallcapacitancetestcircuit

WiththefastdevelopmentofthedesignandmanufacturinglevelofMEMS,thechangeofthesensorcapacitancebecomesmuchsmalleralongwiththesensorcapacitor,complicatingthedesignofreadoutcircuit.Sincethesensitivityofthesensorhighlydependsonthereadoutcircuit,weproposeaASICformulti-dimensionacceleratorwithlownoiseinthispaper.

ThiscapacitancedetectionASICforMEMScapacitivesensorsdetectaslightchangeincapacitance,thesensorcapacitancechangeintovoltagechanges.whichcanreducesensorsize,Detectionofmicro-capacitanceMEMScapacitivesensorsismainlyduetoaphysicalchangeintheoutsideworldcausedbysensingchangesincapacitanceintoavoltageorcurrentsignals,andsignalamplification,thesignalcanbeoutputorcontrolotherdevicesontheimplementationoftheoperationofthedevice

Intheaccelerometer,thecommondetectioncircuitare:

oscillatorcircuit,continuous-timecurrentreadoutmode,continuous-timevoltagereadoutmode，andpoorarterialpreparedandholdcircuit,throughavarietyofdetectionmethodsTheanalysisshowsthattheswitched-capacitordetectionmethodmostsuitableforourdesigngoals.

KeyWords:

MEMS；capacitive-micro-sensor；Opamp；lownoise;Accuracy

双端转单端电路设计20

第一章绪论

1．1研究现状及意义

加速度计作为一种测量加速度的仪器，在民用、军用领域都有普遍的应用在民用方面，普遍应用于汽车平安气囊等平安爱惜装置中；军用方面，加速度计是飞机、火箭、导弹中不可缺少的一部份。

随着微电子技术的飞速进展，芯片的集成度不断加大，如何设计出体积小、精度高、抗干扰能力强、对工作环境的适应能力强的加速度计，已经成为一个重要的课题[1，23]。

MEMS（微机电系统）电容式加速度计检测ASIC是一个数模混合集成电路，要紧部份是模拟集成电路。

随着MEMS工艺的提高，MEMS电容传感器的信号检测加倍具有挑战性，设计出对寄生电容阻碍小、低噪声、低失调的电容检测ASIC对提高加速度计的性能有着超级重要的作用。

MEMS（MicroElectromechanicalSystem1最近几年来进展最快的技术之一，随着.MEMS技术的快速进展，电容式加速度计的电容转变转变量愈来愈小，对检测技术提出了新的要求。

在电容式传感器中，经常使用电容检测电路是将其转换为电压、

电流或频率信号。

目前的微型电容传感器的极板面积变得愈来愈小，电容总量

只有几个pF，转变量就更小。

针对这种微小电容的检测，目前的方式要紧有震荡电路、持续时刻电流读出方式、持续时刻电压读出方式、差动脉冲调宽电路、开关电容电荷积分方式，这几种都是利用模拟器件实现，输出均为模拟量。

随着数字电路的成熟，也有数字方式[2]。

1．2课题背景

加速度计作为一种测量加速度的仪器，在民用、军用领域都有普遍的应用。

针对加速度计中的电容检测显现了很多种方式，可是这些方式都是由模拟电路完成的。

模拟电路有其固有的一些缺点，因此本论文的目的是寻觅一种可行的数字化的方式实现电容检测，而且设计出专用的芯片[3]。

本论文的要紧研究内容

MEMS电容式加速度计检测ASIC是一个数模混合集成电路，要紧部份是模拟集成电路。

随着MEMS工艺的提高，MEMS电容传感器的信号检测加倍具有挑战性，设计出对寄生电容阻碍小、低噪声、低失调的电容检测ASIC对提高加速度计的性能有着超级重要的作用。

本论文结合实验室课题需要，从目前国内外研究现状和急切需要解决的问题动身，对MEMS电容传感器检测ASIC进行研究，并设计出一种适用于多维加速度传感器的低噪声低失调检测ASIC。

论文分为五章，内容简述如下：

第一章概述全文内容

第二章MEMS电容传感器检测电路系统的设计，提出几种测试电容的方式，微电容检测的经常使用方式调研分析了电容检测的各类形式，然后分析了各自的优缺点，提出一种低噪声的电容检测。

第三章开关电容电荷积分方式设计检测电路，检测电容ASIC用于检测MEMS电容传感器的微弱电容转变，把传感器转变的电容量转换成转变的电压值。

第四章总结与展望，总结了本课题的研究功效与不足，提出了一些进一步提高电容检测性能的方式。

第二章微小电容检测电路设计方式

微电容检测

MEMS传感器的传感电容转变量极为微小，比如典型的表面微加工的加速度计，传感电容原始值仅为50fF~1PF，传感电容极板间初始距离为1um左右，若是加速度为lmgn（lgn=m/s2，电容极板间距转变仅仅为*10-12m（小于氢原子直径），相应所产生的传感电容转变量只有*10-18F〕。

如此小的电容转变量常常会淹没在各类噪声中，检测电路检测精度还会受到各类寄生电容的阻碍，因此说设计高精度的微弱电容读出电路是个庞大的挑战[1,5,13]。

。

2微电容检测原理

在MEMS电容式微加速度计中，机械灵敏元件将外部加速度转化为电容，检测电路通过检测该电容来间接检测加速度。

电容的计算公式为：

C=ε0εrA/d

（1）

其中，

是真空介电常数（×-12F/m）,

为电容极板中间介质的相对介电常数，

是两个极板重叠面积，

是两个极板之间的距离。

从上式可知，改变电容有两种方式：

一是改变极板间距

；二是改变两个极板的相对面积

。

依照这两种方式，MEMS电容式微加速度计可分为变间距式和变面积式两类。

本文针对的是变间距式电容式加速度传感器。

微电容检测主若是把MEMS电容传感器因外界某物理量的转变而引发的传感电容的转变转换成电压或电流信号，并对信号进行放大，使信号能够在仪器上输出或操纵其它执行器件的运行。

2微电容检测的经常使用方式

在电容式加速度计中，常见的检测电路有：

数字电路与模拟电路相结合的测量电路，震荡电路、持续时刻电流读出方式、持续时刻电压读出方式、差动脉冲调宽电路、开关电容电荷积分方式等[10,35,36]。

。

2.1震荡电路

国内各类传感系统产品对传感器信号读取时一般是将电容式传感器和外部元件组成振荡电路，其频率随被测量的转变而转变，频率的转变通过鉴频器转换为振幅的转变，通过放大后，即可取得与被测量转变规律相同的电压信号，如下图。

振荡法电路结构简单，具有准数字输出的特点，便于测量。

缺点是精度较低，频率的稳固性和温度漂移是要紧问题。

图震荡电路检测电容示用意

2.2持续时刻电流读出方式　

在对电容传感器信号检测中，能够用跨阻放大器（TIA）检测电路中因电荷转移而产生的交流电流。

如下图，其中CS和Cr别离为传感电容的两个电容或一个传感电容一个参考电容，交流信号经放大、解调和低通滤波后，输出电压为：

Vout（f）=j2πfRf（C§-Cf）Vm

（2）

图持续时刻电流读出方式（跨阻放大器实现）

TIA结构用持续时刻的方式，用放大器的反馈电阻对传感器输出节点提供了虚地和直流偏置，因此电路对电荷积存效应不灵敏。

电路在谐振处能够取得最优输出电压，即最优驱动频率为:

（3）

式中：

[GBW]amp是放大器单位增益带宽。

若是放大器的噪声被操纵在必然范围内，电路的噪声要紧由反馈电阻Rf的热噪声决定，但是，最小可探测电容在最优驱动频率处与Rf无关，为：

（4）

可见，电路的分辨率与放大器单位增益带宽[GBW]amp、驱动信号幅度Vm、检测电容带宽BW、寄生电容Cp的大小有关。

另外，运放输出端极点与Rf相关:

fp1=1/（2∏Rf（2Cs+Cp）），限制了系统的带宽下限，而且TIA的主极点产生了电感效应，致使了潜在的振荡；为了幸免驱动信号失真所致使的误差，一样需要正弦驱动信号，这就限制了单片集成读出电路中驱动信号的幅度Vm。

可是在谐振型电容传感器，如陀螺仪等应用中，能够幸免图中正弦驱动信号幅度的限制。

2.3持续时刻电压读出方式（CTV）

电容的转变也能够用持续时刻读出交流电压的方式检测，如下图，其中（a）为电容反馈方式，（b）为开环方式。

（a）电容反馈式

（b）开环方式

图持续时刻电压读出方式

　　图（a）电容反馈式电路的输出为：

（5）

　图（b）开环方式电路的输出为：

Vout=[Vp*Av\（2Cs+Cp）]（Cs-Cp）（6）

由上公式可见，在开环方式下，寄生电容Cp将致使检测电路灵敏度的降低，为了降低寄生电容阻碍能够用图所示boot-strapping技术，这种技术采纳单位缓冲器（Buffer）为传感器至读出电路前端的连线电容Cp2作屏蔽，以增大读出电路的电压幅度。

但这种屏蔽方式至少需要单位缓冲器与传感器单芯片集成，AnalogDevices公司闻名的ADXL50加速度计确实是采纳这种方式实现了的位移辨率.[2]。

图Boot-strapping屏蔽技术

即便采纳屏蔽技术，最小可测电容仍然由电路热噪声决定，是寄生电容Cp的函数，如公式（7）所示：

（7）

持续时刻电压检测需要偏置电路为检测节点（即图中的Vs节点）提供直流偏置，如何提供稳固而靠得住的直流偏置对持续时刻电压检测方式来讲是一个庞大的挑战。

图顶用电阻代表偏置器件，为了避免信号衰减，偏置电路电阻必需有超级高的阻值，数量级比传感电容的交流阻抗大，约为106-109Ω。

在IC工艺中，大电阻不仅占用的专门大的芯片面积而且还会产生专门大的寄生电容，大的寄生电容降低了检测电路的分辨率，因此实际中很少利用真实电阻做直流偏置。

经常使用的偏置电路方式有:

亚阈值MOS管、反偏二极管、周期开启的MOS开关等。

2.4差动脉冲调制　

差动脉冲调宽电路适用于差动式电容传感器，如下图，C1和C2为差动式传感器的两个传感电容，假设用单组式，那么其中一个为参考电容。

通过对电容充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量的转变而转变，然后通太低通滤波器取得对应被测量转变的直流信号，有比较高的灵敏度，具有理论上的线性特性，专门适用于测量信号的远距离传输。

图差动脉冲调宽电路

图中，接通电源后，A点为高电平（U1），B点为低电平（0），A点通过R1对C1充电，直至F点电位上升到与参考电压Ur相等时，比较器A1输出脉冲使触发器翻转，A点变成低电平，B点变成高电平。

现在，电容C1通过二极管D1迅速放电至0，同时B点通过R2对C2充电，直至G点电位上升到与参考电压Ur相等时，比较器A2输出脉冲使触发器翻转，A点变成高电平，B点变成低电平。

现在，电容C2通过二极管D2迅速放电至0。

如此周而复始，那么在A、B两点别离输出宽度受C1、C2调制的矩形脉冲。

当C1=C2时，各点的电压波形如图（a）所示，输出电压UAB的平均值为0。

当C1、C2值不相等时，C1、C2充电时刻常数就发生转变，假设C1>C2，那么各点电压波形如图（b）所示，输出电压UAB的平均值不为0。

UAB经低通滤波后，就可取得直流电压Uo为：

Uo=UA-UB=[（T1-T2）\（T1+T2）]U1（8）

图差动脉冲调宽电路各点电压波形

2.5开关电容电荷积分方式（SC）

开关电容电荷积分电路是应用最为普遍的一种电容检测方式，其大体工作原理如图（a）所示，传感电容Cs和参考电容Cr（差动电容传感器时为另外一个传感）别离充极性相反的电压电，一个周期终止后，电容Cs和Cr上的电荷都转移到Cint上。

由于运放的虚短特性，因此输出为:

Vout=Vp（Cs-Cf）\Cint（9）

开关电容电荷积分方式用周期的复位开关（Φreset）为传感电容公共极板节点提供虚地和直流偏置，采样和放大前后，传感电容的公共节点维持电压不变，因此寄生电容和电荷泄漏（积存）效应付检测电路阻碍不大；另外，这种方式还能够通过相关双采样（CDS）、可编程电容阵列等方式抑制失调和低频噪声。

（a）传统方式

（b）采纳CDS技术

图开关电容积分方式

相对其它电路，开关电容方式增加了电路的噪声，第一，放大器和开关的热噪声被电路高阻节点采样，并混叠至基频范围；第二，为了提高电路分辨率，反馈电容Cint一样较小，因此反馈电容的采样开关噪声（kBT/C噪声）常常在各类噪声奉献中占专门大比例。

CDS技术的利用能够有效抑制kBT/Cint噪声，它在一个时钟周期内对kBT/Cint噪声采样，在另外一个周期中把它从输出端减掉，如图（b）所示。

在采样周期内（Φ1），在复位开关打开一段时刻后，输出节点的开关才闭合，因此复位开关的采样噪声被存储在输出电容COut上；而在Φ2周期，Cout上的采样电压串联进电路并被从放大器的输出端减掉，因此排除kBT/Cint噪声。

同时，放大器的1/f噪声和失调电压也能够利用CDS技术排除[49]。

。

在采纳CDS技术抑制1/f噪声和kBT/C噪声情形下，假设放大器的输入管噪声在放大器的总输入噪声奉献中占优，通过度析传感电容、积分电容、寄生电容对放大器输入等效噪声的分压、放大作用，和采样进程对白噪声的折叠作用，能够取得电路的输出总噪声,最小可探测电容为：

（10）

其中，Cout为整个放大器的输出电容，fs为采样频率。

2.6电容信号读出电路对照

寄生电容Cp对电容读出电路的分辨率有着重要阻碍，不同检测方式最小检测电容跟寄生电容的关系如下图，由图可知随着寄生电容的增大，持续时刻电压（CTV）的最小可分辨电容呈线性增大；而开关电容积分方式（SC）和持续时刻电流方式（CTC）随寄生电容的1/2幂成线性增大，缘故在于后二者别离采纳持续或离散的反馈方式，对输入节点进行了虚地，因此降低了寄生电容的阻碍。

可是当寄生电容较小时，CTV方式的分辨率却明显优于其它两种方式，因此，更适合传感器与读出电路集成在同一块衬底上的情形，现在寄生电容很小，能够充分利用其分辨率高的优势；而在传感器与读出电路无法单片集成的情形下，如通用电容读出电路中，由于连线、封装等引人专门大的寄生电容，因此更适于采纳开关电容积分方式或持续时刻电流方式。

震荡电路和脉冲调宽电路有较高的噪声，精度较低，可是能够直接输出数字信号，因此一样用在对精度要求较低的场合或远距离传输时，咱们设计的检测电容ASIC要紧用来检测微电容，对精度要求较高，因此一样不考虑震荡电路方式和脉冲调宽方式。

图电容分辨率与寄生电容的关系

本文采纳的方式

本文的检测电容ASIC用于检测MEMS电容传感器的微弱电容转变，把传感器转变的电容量转换成转变的电压值。

咱们的目的是把设计流片出来的裸片和传感器封装在一个管壳内，从而达到降低传感器体积、增加传感器灵敏度的目的。

从上面对各类检测方式的分析可知，开关电容检测方式最适合咱们的设计目标。

传感器的最小可检测量（灵敏度）决定于传感器的等效输入噪声，咱们明白传感器本身的机械噪声远远低于电路的的噪声，因此说整个传感器的灵敏度由电路的噪声决定，因此说设计出低噪声低失调的检测ASIC对整个传感器性能的提高有专门大帮忙[3，7]。

咱们在设计电路时，要紧分析了检测电路的噪声特性，设计了较低噪声的运算放大器，和在检测电路方式上加了斩波用于减小1/f噪声和失调。

微电容检测的系统框图如下图[10,11]。

。

图微电容检测系统框图

第三章微小电容测试电路设计

时序电路的设计

图电容-电压转换电路中所需要的时序

本检测电路是开关电容电路，需要必然的时序电路去操纵开关从而实现电路的功能。

需要的时序如下图。

其中Φ1a+Φ1b和Φ2是两个不交叠时钟，Φ3a和Φ3b别离是Φ2时钟下降沿前一点为高采样，周期是Φ2的两倍。

上面的时序都是由一个输入时钟产生，输入时钟进入时序产生电路以后一路第一产生两相不交叠时钟，然后对其中一个时钟进行两分频，从而产生Φ1a、Φ1b、Φ2时钟。

另外一路第一通过延迟电路产生时钟信号的延迟信号，延迟时刻的长短决定了Φ3a和Φ3b的脉冲宽度。

延迟后的时钟信号和上述信号进行必然的逻辑处置最终产生Φ3a和Φ3b。

下面别离对这些时序信号的产生进行认真介绍[12]。

。

两相不交叠时钟的产生

图两相不交叠时钟产生电路原理图

图两相不交叠时钟电路原理图。

片外时钟信号（clk）别离通过两个和四个反相器进入与非门两个输入端，因为反相器的延迟，产生了占空比略低于1/2的脉冲信号，然后用此占空比略低于1/2的信号产生两个相位相差180度的两个信号，这两个信号即是咱们所需要的两个不交叠时钟信号（图右边上面两个输出端clk+、clk-即是两相不交叠信号输出）。

仿真结果如下图，仿真结果证明了上述原理图的可行性[13]。

图两相不交叠时钟的实现

二分频电路的设计

二分频电路的原理图如下图，D触发器的D端和Q端用反向器连接起来，clk作为分频器的输入信号，Q作为分频器的输出端。

D触发器由四个反相器和四个开关管组成，如图下半部份所示。

图二分频电路的原理图

二分频电路是把输入时钟信号进行两分频，使输出时钟信号周期是输入时钟周期的两倍。

二频电路的仿真结果如下图。

从图中能够看出两个输出时钟为周期是输入时钟两倍的互补信号[14，15]。

图二分频电路的仿真结果

脉宽不对称分频器的设计

咱们所用到的时序电路中有Φ1a和Φ1b，它们是由Φ1产生。

为了取得需要的时序，输入信号第一通过二分频电路（如下图）产生两个周期是输入信号两倍的互补信号，二分频电路产生的两路信号别离和输入信号相与，取得知足要求的时序信号[17]。

图（a）脉宽不对称二分频器原理图

3.1.4所有时序电路的实现

不交叠时钟电路产生了咱们所需要的时钟信号Φ1a1b和Φ2，Φ1a1b通过脉宽不对称分频器产生了时序Φ1a、Φ1b，Φ3a、Φ3b的产生电路如下图，如图中的clk3a、clk3b，没有延迟的时钟信号和延迟了的时钟信号相与后产生脉冲高电平略微窄的时钟信号，那个时钟信号别离和输入时钟通过度频器产生的时钟信号相与，于是便产生图所需要的Φ3a、Φ3b，现在钟的脉冲宽度由延迟电路延迟时刻决定[18]。

图整体时序电路框图

3.2C-V转换电路的设计

电容式加速度传感器的反映加速度的转变是通过传感电容大小的转变反映的，为了能方便的看出加速度转变的大小和快慢需要把传感器电容的转变转换成电压或电流的转变，这些转变的电压或电流再去对后面执行器进行处置或转换成数字信号输出。

第二章中咱们分析了不同检测方式的优缺点，结合咱们的应用要求，咱们最终选择了开关电容方式[19，20]。

随着科技的进步，人们对加速度传感器的要求再也不只是一维，二维三维等的加速度传感器接踵显现。

多维加速度传感器通常的等效模型如下图，不同的传感器组分享一个一起的极板。

图多维加速度传感器等效模型图

咱们所设计的C-V转换电路能够用来检测上面所示的多维电容式加速度传感器或陀螺仪等，公共端被接在一个固定电平上。

不同差分对的测量能够历时分

图C-V转换电路原理图

方式分时别离测量或用多个C-V电路别离测量。

C-V电路原理图如下图。

整个电路工作在采样时期和放大时期，在Φ1闭合时（Φ2断开）是为采样时期，VDC-in和-VDC-in别离对Cs+和Cs-充电，Cs+和Cs-上别离存储电荷VDC-in*Cs+和-VDC-in*Cs-，在Φ2闭合时（Φ1断开）是放大时期，现在因为运算放大器的两个输入端的虚短特性，使运放的负端接近零电平，那么传感电容Cs+和Cs-的两头的电压接近相等，电容Cs+和Cs-中电荷就要转移到Ci中，由于运放输入端的虚地特性，运放的输出端就一个与Ci中存储电荷量对应的电压值Vout，Vout的值由公式（11）取得。

（11）

可见Vout与Ci成反比，与VDC-in的大小、Cs+和Cs-的差值成正比。

电路中Ci的大小由实际的应用需求决定，表面上看Ci的值越小越好，可是若是过小KT/C噪声将会提高，致使精度降低，同时较小的Ci可能带来运放的稳固性问题，因此说Ci的大小要综合考虑，最终由仿真结果确信。

集成电路中可能取得精准值的电容比较困难，可是一样情形下一旦电容流片出来后的大小再也不转变，因此在实际测试中需要对整个检测电路进行标定。

图中采样时期对两个传感电容所充电压为大小相等符号相反的电压，当它们的绝对值发生转变时公式（11）将不在成立，会有误差产生，因此在那个地址面对两个充电电压的匹配度要求较高。

为了减小匹配度对C-V电路的阻碍，同时也减小了电路的噪声和失调，本文在对信号采样的时候加入了斩波器，有效的克服了充电电压不匹配的问题，而且降低了噪声和失调的阻碍。

加入斩波器的电路原理图如下图，Φ1a和Φ1b是由Φ1通过脉宽不对称二分频器（如图（a）所示）生成的两个