电容数字转换器、集成传感器接口以及传感器装置的制作方法

本公开涉及一种例如用于确定电容式传感器元件的电容值的电容数字转换器，涉及一种带有这种电容数字转换器的集成传感器接口并且涉及一种带有这种电容数字转换器的传感器装置。

电容式传感器可以在许多应用中用于测量诸如湿度或压力之类的物理或化学量。例如，电容式传感器的电容值表示待测量的物理或化学量。为了评估传感器，使用电容数字转换器(cdc)，该电容数字转换器执行从电容值到数字值的转换。

在一些常规方法中，cdc利用共用的预定义电压对电容式传感器和一个或更多个参考电容器两者进行充电，并根据存储在电容式传感器和参考电容器上的电荷之间的关系来确定数字值。在这样的实施方式中，一个或更多个参考电容器的电容值等于或大于待测量的电容值。因此，如果必须测量大电容，则必须相应地向一个或更多个参考电容器提供大电容值。例如，将参考电容器设为与特定电容式传感器应用的预期电容值相匹配的外部电路元件。

要实现的目的是提供一种允许更灵活地测量电容式传感器的改进的测量构思。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。改进的测量构思的实施方式和实施例是从属权利要求的主题。

本改进的测量构思基于以下知识，即存储在电容器上的电荷既取决于电容值又取决于电压，其中，电容器利用该电压进行充电。如果将存储在电容式传感器上的电容与存储在一个或更多个参考电容器上的电荷进行比较，则本改进构思提出了降低用于对电容式传感器进行充电的电压，同时降低了利用较高电压进行充电的参考电容器的电容值。因此，根据本改进的测量构思，参考电容器不必具有比电容式传感器更大的电容值。

例如，具有用于对参考块的一个或更多个参考电容器进行充电的第一参考电压和第二参考电压，这些参考电压能够缩减至第一缩减电压和第二缩减电压，该第一缩减电压和第二缩减电压用于对电容式传感器进行充电。通过相应的处理，能够基于电容式传感器与参考块的一个或更多个参考电容器之间的电荷分布并且基于用于缩减参考电压的缩放因子来确定数字输出信号。因此，对应于未缩减的参考电压与缩减的参考电压之间的比率的该缩放因子在处理中是已知的，并且允许进行比率测量处理。因此，电荷本身的处理独立于参考电压的实际值。

例如，本改进的测量构思允许将参考电容器集成到集成电路中，而非在外部提供这些参考电容器。可以例如根据电容式传感器的期望电容值来可变地选择缩放因子。因此，针对不同的电容式传感器可以使用相同的电路。

通过缩放预充电到传感器电容上的电压，能够对存储在其上的电荷量进行缩放，并因此，能够相应地扩展电容式传感器的范围。

例如，根据该改进的测量构思的电容数字转换器(cdc)包括用于接收第一参考电压和第二参考电压的第一参考端子和第二参考端子。第一参考电压和第二参考电压可以是正电源电压和负电源电压或者是从这样的电源电压中得出的多个电压。可替代地，第一参考电压和第二参考电压可以是一个参考电压和与基极电压(如接地电位)相对应的电压。

cdc还包括参考块，该参考块包括一个或更多个参考电荷存储器，并且经由第一开关块耦合到第一参考端子和第二参考端子，以将一个或更多个参考电荷存储器选择性地连接到第一参考端子和第二参考端子。缩放块根据缩放因子在第三参考端子和第一参考端子处提供来自第一参考电压和第二参考电压的缩减电压。可以将缩放因子选择为小于1，而通常不应排除将缩放因子设置为等于1。

cdc还包括用于连接电容式传感器元件的第一测量端子和第二测量端子。第一测量端子经由第二开关块耦合到第三参考端子和第四参考端子，以选择性地从第一参考电压和第二参考电压中的至少一个中接收缩减电压。例如，第一测量端子被提供有来自第一参考电压的第一缩减电压或者提供有来自第二参考电压的第二缩减电压。

处理块耦合到参考块并耦合到第二测量端子，并且被配置为基于传感器元件与参考块之间的电荷分布以及基于缩放因子来确定数字输出信号。该输出信号表示传感器元件的电容值。因此，通过将缩放因子调整到具体应用(即具体电容式传感器)而允许得到具有宽范围电容式传感器的cdc，所述电容式传感器特别地不限于电容值小于参考块电容值的传感器。

在各种实施方式中，cdc可以具有利用sigma-delta模数转换器(adc)，或者利用逐次逼近寄存器(sar)adc来实现的处理块。不排除基于电荷分布的其他实施方式。

至少在所提到的实施方式中，即sigma-deltaadc或saradc中，电容式元件都以切换方式来操作。例如，在各种实施方式中，cdc配置为在第一阶段期间经由第二开关块将第一测量端子连接到第三参考端子，并且在与第一阶段不重叠的第二阶段期间经由第二开关块将第一测量端子连接到第四参考端子。

因此，在第一阶段期间向第一测量端子提供第一缩减电压，并且在第二阶段期间向第一测量端子提供第二缩减电压。

例如，在与sigma-deltaadc有关的cdc的一些实施方式中，处理块包括积分器和量化器，该积分器和量化器是sigma-deltaadc的一部分。将积分器的输入端耦合到参考块并且耦合到第二测量端子。参考块至少部分地是sigma-deltaadc的从量化器的输出端到积分器的输入端的反馈路径的一部分。第一开关块是基于反馈路径中的反馈信号来控制的。例如，数字输出信号取决于传感器元件与sigma-deltaadc反馈路径中的一个或更多个参考电荷存储器之间的电荷分布。

例如，参考块的一个或更多个参考电荷存储器包括至少一个反馈电荷存储器，该反馈电荷存储器经由第一开关块，在第一端处可切换地耦合到积分器的输入端，并且在第二端处可切换地耦合到第一参考端子和第二参考端子。这允许了例如根据开关阶段，利用与反馈信号相关联的相应参考电压来对一个或更多个参考电荷存储器进行充电，并且在第二阶段期间将所存储的电荷提供给积分器输入。

例如，输出值取决于至少一个反馈电荷存储器的电容值与利用缩放因子s进行缩放的传感器元件的电容值之间的比率。例如，传感器元件的电容值cs与至少一个反馈电荷存储器的电容值cref之间的比例关系能够表示为：

其中，dout表示数字输出信号的值。

在一些实施方式中，参考块中可以包含另外的电容式元件，这些电容式元件不是基于反馈信号来控制的，而是利用第一阶段和第二阶段来进行切换的。这些附加的参考电荷存储器可以例如用于生成在积分处理中可减去的平均值的目的，使得例如，数字输出信号仅表示传感器元件的电容值与该平均值的偏差。

在基于sigma-deltaadc的cdc的各个实施方式中，cdc被配置为在第一阶段期间将第二测量端子连接到共模端子，并且在第二阶段期间将第二测量端子连接到积分器的输入端。此外，cdc在第一阶段期间将参考块的一个或更多个参考电荷存储器中的至少一个的第一端连接到共模端子，并且在第二阶段期间将其连接到积分器的输入端。此外，cdc在第一阶段期间将参考块的一个或更多个参考电荷存储器中的至少一个的第二端连接到第一参考端子并且在第二阶段期间将其连接到第二参考端子，或者是在第一阶段期间连接到第二参考端子并且在第二阶段期间连接到第一参考端子。一个或更多个参考电荷存储器中的至少一个的第二端的连接可以取决于反馈路径中反馈信号的相应实际值。

在采用sar方法的cdc的示例性实施方式中，处理块包括比较器以及耦合到该比较器的输出端的sar逻辑。第二测量端子和参考块耦合到比较器的输入端。在第一阶段的至少一部分期间将比较器的输入端耦合到共模端子。例如，比较器的输入在第二阶段期间未耦合到共模端子。sar逻辑被配置为在第二阶段期间控制第一开关块，并且基于比较器的一个或更多个比较结果来确定输出信号。

如前所述，第一测量端子在第一阶段期间连接到第三参考端子，并且在第二阶段期间连接到第四参考端子。例如，第一阶段对应于电容式传感器元件的复位阶段或采样阶段，同时第二阶段对应于转换阶段，在该转换阶段期间sar逻辑执行在传感器元件上采样得到的电荷的实际转换。

例如，参考块的一个或更多个参考电荷存储器中的每个都具有耦合到比较器的输入端的第一端，以及根据由sar逻辑所提供的控制信号而连接到第一参考端子或者连接到第二参考端子的第二端。

例如，一个或更多个参考电荷存储器具有其电容值彼此之间的预定义比率，使得利用sar逻辑的输出来控制开关块允许利用存储在参考电荷存储器上的电荷来逼近电容式传感器元件的采样电荷。例如，该一个或更多个参考电荷存储器可以是二进制加权的。

也能够采用通过使用缩减电压用于充电电容的构思以对参考块的一个或更多个参考电荷存储器进行充电。例如，cdc还包括另一缩放块，以用于根据另一缩放因子在第五参考端子和第六参考端子处提供第一参考电压和第二参考电压的另外的缩减电压。参考块的一个或更多个参考电荷存储器中的每个都具有耦合到比较器的输入端的第一端以及根据由sar逻辑所提供的控制信号而连接到第五参考端子或者连接到第六参考端子的第二端。以这种方式，将cdc的范围扩展为以高分辨率来感测电容式传感器元件的较小值。例如，如果传感器元件的预期电容值小于将缩放因子和另一缩放因子都设置为1时能够实现的标称值，则能够使用此方式。通过该另一缩放因子，能够缩减待感测的最大电容值，使得更有效地使用cdc的动态范围。

相反，利用在传感器元件处施加的缩放因子，将利用cdc待感测的最大电容的标称值进行放大，例如与缩放因子成反比。

例如，参考块的一个或更多个参考电荷存储器中的每个都具有相对于参考电容值的预定义缩放比例。因此，输出值取决于参考电容值与利用缩放因子进行缩放的传感器元件的电容值之间的比率。

在上述cdc的各个实施方式中，能够以不同的方式来设置缩放因子。例如，能够通过经由cdc的编程接口进行编程来设置缩放因子。例如，如果对于假定为1的缩放因子而言已知能够感测的最大电容值，并且已知传感器元件的预期电容值，则能够据此例如相对于动态范围和/或净空来将缩放因子选择为s≤1，并相应地经由编程接口来进行编程。在其他的实施方式中，可以预定义该缩放因子s，使得得到待感测最大电容值的静态标称值。例如，如果cdc是针对特定应用而设计的，即仅用于特定电容式传感器，则这可以是合适的。

在另一实施方式中，通过考虑了连接到第一测量端子和第二测量端子的电容式传感器元件的实际值的校准过程来设置缩放因子。例如，在校准过程期间，选择各种缩放因子以用于测量传感器元件的电容值，并根据某种等级选择一个缩放因子以用于实际设置。例如，基于动态范围和净空来进行选择。

缩减电压能够利用某种固定的或可编程的分压器或者至少基于分压来生成。在其它实施方式中，开关块包括数模转换器，以用于根据缩放因子在第三参考端子和第四参考端子处提供缩减电压。例如，将该缩放因子作为数字信号字来提供给缩放块，或将其存储在缩放块中。

根据本改进的测量构思，集成传感器接口包括根据上述实施方式之一的cdc。例如，集成传感器接口包含带有参考块的cdc，其中，相应的一个或更多个参考电荷存储器集成到单个集成电路中。可以实现为接口芯片的传感器接口例如具有外部端子以用于提供到第一测量端子和第二测量端子的连接，即用于连接外部电容式传感器元件。此外，传感器接口可以具有用于提供数字输出信号的相应端子，并且根据本实施方式，具有用于对传感器接口进行控制和/或编程(例如用于设置缩放因子)的端子。

根据本改进的测量构思的传感器装置的一个示例包括根据上述实施方式之一的cdc以及被配置为测量物理或化学量的电容式传感器元件。该物理或化学量可以是压力、湿度、气体浓度、露点、加速度、倾斜度、角度、倾向性、位置、力、液体或其他流体或流体化固体的水平(level)。然而，此枚举不排除将要通过电容值进行测量的其他量。例如，电容式传感器元件可以是陀螺传感器的一部分。

在一些实施方式中，传感器装置还包括射频识别(rfid)电路，以用于传输与电容式传感器元件相关联的数据。例如，rfid电路有助于对传感器装置进行电力供应。在各种应用中，电容式传感器元件也能够是电容式mems麦克风。

如上所述的集成传感器接口和传感器装置的各种实施方式能够用作智能家庭应用或物联网(iot)设备或者在其中使用。此外，该传感器接口和/或传感器装置也能够在如手机、平板电脑、笔记本电脑或其他手持设备的移动设备中使用。

本改进的测量构思允许创建成本有效的标准产品，使得其能够用于宽测量范围，同时保持了装置的低成本。例如，不必需要集成非常大的电容器。

在下文中，借助于示例性实施方式通过参考附图来详细解释改进的测量构思。功能相同或具有相同效果的部件可以用相同的附图标记来表示。相同的部件和/或具有相同效果的部件可以仅关于它们首次出现的附图来描述；这些描述不必在后续附图中重复。

在附图中：

图1示出了根据本改进的测量构思的带有电容式传感器元件的电容数字转换器的示例性实施方式的示意图；

图2示出了利用sigma-delta转换方法的根据本改进的测量构思的cdc的示例性实施方式；

图3示出了利用sigma-delta转换方法的可能存在于cdc中的信号的示例性信号时序图；

图4示出了与图2的实施方式有关的根据本改进的测量构思的cdc的细节；

图5示出了采用sar方法的cdc的示例性实施方式的示意图；

图6示出了图5中的利用sar方法的cdc示例性实施方式的细节；

图7示出了能够在图6的实施方式中使用的信号的示例性时序图；以及

图8示出了采用sar方法的cdc的另一实施方式。

图1示出了电容数字转换器(cdc)的示例性实施方式，其带有用于确定表示电容式传感器元件cs的电容值的数字输出信号的处理块proc。该输出信号的确定基于传感器元件cs与参考块cref之间的电荷分布。传感器元件cs可以是cdc的一部分，也可以不是cdc的一部分。

cdc具有分别用于接收第一参考电压vrefp的第一参考端子t1和用于接收第二参考电压vrefn的第二参考端子t2。包括一个或更多个参考电荷存储器的参考块cref经由第一开关块swb1耦合到第一参考端子t1和第二参考端子t2。这允许将一个或更多个参考电荷存储器选择性地连接到参考端子t1、t2。

缩放块scb在输入侧连接到第一参考端子t1和第二参考端子t2，并且在输出侧具有第三参考端子t3和第四参考端子t4。缩放块scb被配置为根据第一参考端子t1和第二参考端子t2处的第一参考电压vrefp和第二参考电压vrefn提供第三参考端子t3和第四参考端子t4处的相应的缩减电压svrefp、svrefn。参考电压vrefp、vrefn的缩减基于为0至1的缩放因子。可以基于分压来执行该缩减，例如直接利用分压器或基于分压器来执行该缩减。在一些实施方式中，缩放块scb包括数模转换器(dac)，以用于根据缩放因子在第三参考端子t3和第四参考端子t4处提供缩减电压svrefp、svrefn。例如，参考电压vrefp、vrefn用作这种数模转换器的电源。可以将缩放因子作为数字缩放字等来提供给数模转换器，或者可以存储在缩放块scb中。

传感器元件cs连接在第一测量端子m1与第二测量端子m2之间。第一测量端子m1经由第二开关块swb2连接到第三参考端子和第四参考端子。这允许在第一测量端子m1处选择性地从第三参考端子t3和第四参考端子t4接收缩减电压svrefp、svrefn。第二测量端子m2耦合到处理块proc的输入端。处理块proc的另一输入端耦合到参考块cref。为了更好的理解，将该耦合被示为简单的连接，但能够根据cdc的实际实施方式包含一个或更多个单个的连接。

如上所述，数字输出值的确定基于传感器元件cs与参考块cref之间的电荷分布。在cdc的操作期间，利用参考电压vrefp、vrefn对参考块cref中的一个或更多个电荷存储器进行充电，并且利用缩减电压svrefp、svrefn对传感器元件cs进行充电。因此，能够使参考块cref的电荷存储器更小，即通过与小于参考电压vrefp、vrefn的缩减电压svrefp、svrefn相同的因子来使其电容值更小。因此，与利用相同电压来对参考电荷存储器和电容式传感器元件进行充电的常规方法相比，针对传感器元件cs使用缩减电压svrefp、svrefn能够允许测量大于参考电荷存储器的电容值。这例如基于这样的思想，即存储在电荷存储器上的电荷既取决于电容值又取决于充电电压。

cdc能够通过在处理块proc中进行处理的几种方法来实现，在下文中将更详细地描述这些方法中的两种。例如，结合图2至图4对使用sigma-delta模数转换的方法进行详细解释。结合图5至图8对利用逐次逼近寄存器(sar)来使用逐次逼近原理的方法进行了描述。

现在参考图2，示出了根据本改进的测量构思的cdc的示例性实施方式。在cdc的输入处示出了包含具有可变电容值的电容式传感器元件cs的传感器表示sr，其实现为sigma-deltaadc。

第一反馈电路f1存在于cdc的输入端。例如，如图4所示来实现传感器表示sr和图5的其他元件，下面将对其进行更详细的讨论。cdc还包括连接在第一反馈电路f1下游的第一积分器i1，该第一积分器i1例如包括如图4所示的积分单元iu。cdc还包括连接到第一积分器i1的输出端的第二积分器i2和连接在第一积分器i1与第二积分器i2之间的第二反馈电路f2。第二反馈电路f2例如可以类似于第一反馈电路f1来实现。cdc还包括连接到第二积分器i2的输出端的量化器q以及连接到量化器q的输出端的可选滤波器df。该滤波器例如可以实现为数字滤波器，特别是实现为数字低通滤波器。此外，量化器q的输出端也连接到第一反馈电路f1和第二反馈电路f2。

此外，在第一反馈电路f1与量化器q之间、在第二反馈电路f2与量化器q之间以及在第一积分器i1与第二反馈电路f2之间分别示出有加权因子g1、g2、g3。加权因子g1、g2、g3可以例如取决于cdc的电容值，例如取决于电容式传感器元件cs的电容、参考电容器cm1、cm2、cm3的电容和/或积分电容器cd1、cd2的电容，其仅在图4中示出。

在操作中，将传感器表示sr用作cdc的采样级。即，如关于图1大体上所描述的，将电荷存储在电容式传感器元件cs上并且经由第二测量端子m2来将其读出。

现在参考图4，其示出了图2的cdc的示例性实施方式的细节。

传感器元件cs是传感器表示sr的一部分，并且连接在第一测量端子m1与第二测量端子m2之间。传感器表示sr的附加电容式元件cbg、csg表示电容式传感器元件的两个端子与共用电极ge之间的寄生电容。可以实现为运算放大器的缓冲元件b，例如可以用于驱动共用电极ge处的电压等于或近似等于施加在第二测量端子m2处的电压。例如，这在国际公开文本wo2016/180568a1中进行了更详细的公开，在此将其全部内容通过引用来合并于此。

经由第二测量端子m2将电容式传感器元件cs的上部端子经由开关s1连接到共模端子vcm。经由第一测量端子m1将电容式传感器元件cs的下部电极经由开关s2连接到第三参考端子t3并且经由开关s3连接到第四参考端子t4。cdc还包括积分单元iu和参考单元ru。

积分单元iu包括经由开关s4连接到第二测量端子m2并且连接到参考单元ru的第一积分输入端以及连接到参考单元ru的第二积分输入端。

此外，积分单元iu包括运算放大器oa，其带有连接到第一积分输入端的非反相输入端、连接到第二积分输入端的反相输入端、连接到第一积分输出端的反相输出端以及连接到第二积分输出端的非反相输出端。积分单元iu包括连接在第一积分输入端与第一积分输出端之间的第一积分电容器ci1和连接在第二积分输入端与第二积分输出端之间的第二积分电容器ci2。此外，积分单元iu包括开关s5、s6以用于使第一积分电容器ci1和第二积分电容器ci2短路。

参考单元ru包括第一参考电容器cm1，其带有经由开关s7连接到第一积分输入端并且经由开关s8连接到共模端子vcm的第一极板。第一参考电容器cm1的第二极板经由开关s14连接到第一参考端子t1并且经由开关s13连接到第二参考端子t2。参考单元ru包括第二参考电容器cm2，其带有经由开关s9连接到第二积分输入端并且经由开关s10连接到共模端子vcm的第一极板。第二参考电容器cm2的第二极板经由开关s15连接到第一参考端子t1并且经由开关s16连接到第二参考端子t2。参考单元ru包括第三参考电容器cm3，其带有经由开关s11连接到第二积分输入端并且经由开关s12连接到共模端子vcm的第一极板。第二参考电容器cm2的第二极板经由开关s18连接到第一参考端子t1并且经由开关s17连接到第二参考端子t2。

参考电容器cm1、cm2、cm3可以是参考块cref的一部分。

开关s1、s2、s5、s6、s8、s10、s12、s13、s15、s17可以由第一开关信号φ1来控制，特别是如果第一开关信号φ1为逻辑高则将其闭合，并且如果第一开关信号φ1为逻辑低则将其断开。另一方面，开关s3、s4、s7、s9、s11、s14、s16、s18可以由第二开关信号φ2来控制，特别是如果第二开关信号φ2为逻辑高则将其闭合，并且如果第二开关信号φ1为逻辑低则将其断开。

对于第一开关信号φ1和第二开关信号φ2的时序，参照图3。特别地，第一开关信号φ1和第二开关信号φ2可以例如同时不是逻辑高。φ1可以指第一阶段并且φ2可以指第二阶段。

另外，图4的cdc包括连接到第一积分输入端和第二积分输入端的第一反馈电路f1。第一反馈电路f1包括第一反馈电容器cd1，其带有经由开关s21连接到第一积分输入端并且经由开关s22连接到共模端子vcm的第一极板。第一反馈电容器cd1的第二极板经由开关s27连接到第一参考端子t1、经由开关s26连接到第二参考端子t2，并且经由开关s28连接到共模端子vcm。第一反馈电路f1包括第二反馈电容器cd2，其带有经由开关s19连接到第二积分输入端并且经由开关s20连接到共模端子vcm的第一极板。第二反馈电容器cd2的第二极板经由开关s23连接到第一参考端子t1、经由开关s24连接到第二参考端子t2并且经由开关s25连接到共模端子vcm。

第一反馈电容器cd1和第二反馈电容器cd2是参考块cref的一部分，并且用作反馈电荷存储器。

开关s20和s22可以由第一开关信号φ1来控制，特别是如果第一开关信号φ1为逻辑高则将其闭合，并且如果第一开关信号φ1为逻辑低则将其断开。开关s19、s21、s25、s28可以由第二开关信号φ2来控制，特别是如果第二开关信号φ2为逻辑高则将其闭合，并且如果第二开关信号φ2为逻辑低则将其断开。开关s23和s26可以由第一反馈信号φ1a来控制，特别是如果第一反馈信号φ1a为逻辑高则将其闭合，并且如果第一反馈信号φ1a为逻辑低则将其断开。开关s24和s27可以由第二反馈信号φ1b来控制，特别是如果第二反馈信号φ1b为逻辑高则将其闭合，并且如果第二反馈信号φ1b为逻辑低则将其断开。

开关s13、s14、s15、s16、s17、s18、s19、s20、s21、s22、s23、s24、s26和s27组成为第一开关块swb1。开关s2和s3组成为第二开关块swb2。

对于第一反馈信号φ1a和第二反馈信号φ1b的时序，参考图3。

借助于第一反馈电路f1，传感器电路可以有效地从感测信号中减去信号。从感测信号中所减去的信号可以例如从积分器电路的另一部件，cdc和/或sigma-delta调制器中生成。例如，第一开关块swb1的开关s23、s24、s26和s27是基于反馈路径中来自量化器输出的反馈信号来控制的。

在操作中，当第一开关信号φ1为逻辑高时，第二测量端子m2连接到共模端子vcm，并且第一测量端子m1连接到第三参考端子t3，以通过使用由缩放块scb所提供的缩减电压svrefp来将电荷存储在电容式传感器元件cs上。所存储的电荷量既取决于缩减电压svrefp又取决于电容式元件cs的电容量，并且因此取决于待测量的物理或化学量。然后，当第二开关信号φ2为逻辑高时，第一测量端子m1连接到第四参考端子t4以用于接收由缩放块scb所提供的缩减电压svrefn，并且第二测量端子m2连接到第一积分输入端。因此，将与存储在电容式元件cs上的电荷相对应的感测信号施加到第一积分输入端。因此，积分单元iu，特别是运算放大器oa根据感测信号，在第一积分输出端生成第一输出电压并且在第二积分输出端生成第二输出电压。第一输出电压和第二输出电压取决于存储在电容式元件cs上的电荷，并因此取决于待测量的物理或化学量。

例如将参考电容器cm1、cm2、cm3的电容调整为参考电容。特别地，参考电容可以对应于电容式传感器元件cs的电容的平均值。例如，根据待测量的物理或化学量，电容式传感器元件cs的电容可以位于电容的最小值与最大值之间。然后，参考电容器cm1、cm2、cm3的电容可以是最小值和最大值的平均值。

由于参考单元ru的所描述的连接和开关，相对于与参考电容相对应的参考值，即例如电容式传感器元件cs的电容的平均值，来对感测信号进行调整。

例如，在每次将电荷存储在电容式传感器元件cs上时，第一积分电容器ci1和第二积分电容器ci2可以例如借助于第一开关信号φ1被短路。

在图4中，第一积分电容器ci1和第二积分电容器ci2可以例如通过复位信号φr来控制，而不是通过第一开关信号φ1来控制。复位信号φr可以例如是逻辑高，以在cdc的操作的特定实例中使得第一积分电容器ci1和第二积分电容器ci2短路。

再次参考图2，第一积分器i1基于传感器电路的第一输出电压和第二输出电压来生成第一积分信号。其中，由传感器电路通过读出电荷所生成的感测信号可以借助于如前所述的第一反馈电路f1来进行调整。

然后，与相对于第一反馈电路f1所描述的情况类似，借助于第三加权因子g3对第一积分信号进行加权，并且借助于第二反馈电路f2对该第一积分信号进行调整。将加权并调整后的第一积分信号馈送到第二积分器i2，该第二积分器基于此来生成第二积分信号。将第二积分信号馈送到量化器q，该量化器基于第二积分信号，并且因此也分别基于第一积分信号和传感器电路的第一和第二输出电压来生成量化信号sq。

量化信号sq相应地由第一加权因子g1和第二加权因子g2进行加权，然后分别反馈给第一反馈电路f1和第二反馈电路f2。也可以将量化信号sq馈送到滤波器df，该滤波器基于该量化信号来生成滤波后的输出信号，如数字输出信号。对应于数字输出信号的输出比特流是指示性的，和/或可以与待测量的物理或化学量成正比。

第一反馈信号φla和第二反馈信号φlb例如可以基于量化信号sq来生成，如相对于图3所解释的。

图3示意性地示出了随时间变化的第一开关信号φ1和第二开关信号φ2、量化信号sq以及第一反馈信号φ1a和第二反馈信号φ1b。第一开关信号φ1可以例如是从时钟信号导出的，并且可以具有逻辑高的特定周期和逻辑低的特定周期。在所示的示例中，第一开关信号φ1的逻辑高的周期例如短于第一开关信号的逻辑低的周期。每当第一开关信号φ1为逻辑高时，第二开关信号φ2例如可以一直为逻辑低，并且仅在第一信号φ1为逻辑低的周期期间，第二开关信号可以为逻辑低。例如第一开关信号φ1的每个下降沿可以在第一延迟d1之后跟随有第二开关信号φ2的上升沿，并且第二开关信号φ2的每个下降沿可以在第二延迟d2之后跟随有第一开关信号φ1的上升沿。

每当量化信号sq为逻辑低时，第一反馈信号φ1a例如可以对应于第一开关信号φ1，否则第一反馈信号为逻辑低。每当量化信号sq为逻辑高时，第二反馈信号φ1b例如可以对应于第一开关信号φ1，否则第二反馈信号为逻辑低。

由于用于电容式传感器元件cs的不同充电电压，即电压svrefp、svrefn，以及用于反馈电荷存储器cd1、cd2和参考电容器cm1、cm2、cm3的不同充电电压，即参考电压vrefp、vrefn，因此数字输出值不仅取决于实际电容值，还取决于根据参考电压vrefp、vrefn生成的缩减电压svrefp、svrefn的缩放块scb所施加的缩放因子。特别地，数字输出信号dout与电容式传感器元件cs的按缩放因子s缩放的电容值cs与反馈电荷存储器cd1、cd2的电容值cref的比率成正比，所述反馈电荷存储器例如至少标称地具有相同的电容值。这能够被表示为：

还考虑到用于相对于参考值(如平均值)对输出值进行调整的参考电荷存储器cm1、cm2、cm3，该数字输出信号能够被表示为：

其中，cm是参考电荷存储器cm1、cm2、cm3的电容值。dout还可以与数字输出信号的比特长度n成正比。

在一些实施方式中，能够在积分单元iu之前和之后引入相应的斩波元件。

在不脱离反馈的常见方法并采用结合图4所述的不同充电电压的情况下，对于本领域技术人员显而易见的是，能够利用单个反馈电路f1或者利用两个以上反馈电路f1、f2来实现带有基于sigma-deltaadc的结构的cdc。

现在参考图5，示出了使用sar方法的cdc的实施方式。图5的实施方式通常基于图1所示的实施方式。然而，在图5的具体实施方式中，处理块proc包括比较器cmp和耦合到该比较器cmp的输出的sar逻辑sarl。比较器cmp包括第一输入端，例如用于提供比较电压的非反相输入，比较器cmp的第二输入端的输入电压能够与该第一输入端的电压进行比较。第二输入端可以是反相输入。将第二测量端子m2连接到比较器cmp的第二输入端。此外，参考块cref具有耦合到第二比较器输入端的输出端。另外，将第二比较器输入端选择性地耦合到共模端子vcm。sar逻辑sarl具有用于提供数字输出信号的输出端以及用于控制第一开关块swb1的相应开关的控制输出端。

在可以是复位阶段或采样阶段的第一开关阶段期间，电容式传感器元件cs连接到第三参考端子，以利用第一缩减电压svrefp对该传感器元件进行充电。此外，至少在第一开关阶段的一部分期间，共模端子vcm连接到第二比较器输入端。在是转换阶段的第二阶段期间，sar逻辑sarl控制第一开关块swb1，以用于将参考块cref的电荷逐次地逼近传感器元件cs的电荷。第一测量端子m1连接到第四参考端子，以用于在第二阶段期间接收第二缩减电压svrefn。

当参考块cref的参考电荷存储器以比传感器元件cs高的电压进行充电时，能够相对于传感器元件cs的预期电容值来选择较小的参考电容值。例如，参考块的参考电荷存储器具有相对于参考电容值的预定义缩放比例，以使得数字输出值取决于参考电容值与利用缩放因子进行缩放的传感器元件的电容值之间的比率。

现在参考图6，示出了基于sar的cdc的示意性表示的示例性实施方式。例如，参考块cref包括参考电荷存储器，该参考电荷存储器具有到参考电容值cd的定义的缩放比例，该定义的缩放比例在本示例中为二进制缩放比例。参考电荷存储器中的每一个都具有连接到第二比较器输入端的一个端子和通过互补式受控开关连接到第一参考端子t1和第二参考端子t2的相应另一端子。特别地，sar逻辑sarl向第一开关块swb1提供相应比特值，该第一开关块单独地控制每个参考电荷存储器是实际连接到第一参考端子t1还是连接到第二参考端子t2。第一测量端子m1可切换地连接到第三参考端子和第四参考端子，其中，在阶段φ1期间，第一测量端子m1连接到第三参考端子t3，并且在阶段φ2期间，测量端子m1连接到第四参考端子t4。

现在参考图7，示出了用于图6中的实施方式的切换方案。在复位阶段或采样阶段期间，信号φ1具有高电平，因此闭合m1与t3之间的开关。在随后的转换阶段中，信号φ2为逻辑高，使得端子m1与t4之间的开关闭合。开关信号φ1和φ2不重叠。在转换阶段之后，该过程将再次从采样阶段开始，然后跟随有另一转换阶段，并以此类推。在转换阶段期间，sar逻辑sarl控制第一开关块swb1以通过对参考块cref中的参考电荷存储器相应充电来逼近存储在电容式传感器元件cs上的电荷。例如，对于所期望输出字符中的每一比特，执行与开关块swb1中的相应开关设置的比较。

假设基于sar的cdc的常规实施方式是，电容式传感器利用与参考块cref中参考电荷存储器相同的参考电压来充电，则传感器元件的最大电容值将受到参考电容值的值的限制。假设相同的参考电容值，通过缩减参考电压，使测量范围以与缩放因子成反比地扩展。此外，通过适当地选择缩放因子，能够利用cdc的动态范围。

缩放效应也能够在另一个方向上使用。例如，现在参考图8，能够通过附加地提供第二缩放块scb2来进一步扩展图5所示的实施方式，该第二缩放块独立于第一缩放块scb在第五参考端子t5和第六参考端子t6处提供另外的缩减电压svrefp2、svrefn2。因此，在图8的实施方式中，不是将参考电荷存储器选择性地连接到第一端子t1和第二端子t2，而是借助于第一开关块swb1将参考电荷存储器连接到端子t5和t6。除了用于参考块cref中参考电荷存储器的不同充电电压以外，该切换方案与结合图5至图7所述的方案相同。

采用第二缩放块scb2具有以下效果，即施加到参考电荷存储器的电压较小，由此有效地减小了电容式传感器的待感测的最大电容值。因此，如果例如对具有较小的电容值的电容式传感器，例如相对于参考块cref的参考电容值具有较小的电容值的电容式传感器进行感测，则能够通过选择控制第二缩放块scb2的适当的另一缩放因子，来使cdc的动态范围适应于此。

在上述cdc的所有实施方式中，缩放因子或在图8的实施方式的情况下的多个缩放因子，能够通过固定设置来进行设置，例如，该固定设置根据待连接到cdc的电容式传感器元件的已知属性来选择。附加地或者可替代地，该设置能够经由cdc的编程接口通过编程来提供。这需要略微多一点的努力，但会使cdc的使用更加灵活。如果cdc在传感器接口中实现，例如集成传感器接口，则这可能尤其有用，该集成传感器接口能够与具有不同应用和预期电容范围的各种不同电容式传感器元件一起使用。

另一选择是通过考虑了连接到第一测量端子m1和第二测量端子m2的电容式传感器元件的动作值的校准过程来设置缩放因子。例如，通过改变缩放因子，能够找到考虑了电容式传感器元件的实际值以及能够利用缩放因子所实现的动态范围的最佳设置。

如前所述，使用缩减电压以向电容式传感器元件进行充电的一个效果是，能够在参考块cref中使用更小的电容值。这允许在保持合理的测量范围的同时将参考块的参考电荷存储器集成到集成电路中。此外，由于电容值减小，这种集成仅需要很小的硅面积。因此，能够避免使用外部参考电容器。在一些应用中，根据上述实施方式之一的cdc能够与电容式传感器元件组合以形成传感器装置。电容式传感器元件配置为用于测量物理或化学量，诸如压力、湿度、气体浓度、露点、加速度、倾斜度、角度、加速度、倾向性、位置、力、液体或其他流体或流体化固体的水平。然而，此枚举并不排除通过电容值进行测量的其他量。

这种传感器装置还可以包括rfid电路，以用于传输与电容式传感器元件相关联的数据，例如数字输出信号或表示由传感器元件所测量的物理或化学量的值。rfid电路可以有助于传感器装置的电力供应。例如，能够以这种方式来制造超低功率传感器装置。

这种集成传感器接口或传感器装置能够用在各种电子设备中，如智能家居应用或iot设备或移动电话、平板电脑、笔记本电脑或其他手持设备或用于消费、工业和汽车市场的其他应用。