一种低功耗全数字电容式传感器接口电路设计的制作方法

本发明涉及一种低功耗全数字电容式传感器接口电路设计，适用于各种集成传感器。

背景技术：

电容式传感器利用电容器原理，将外界环境中待测的非电量转换为电容量，再将电容量的变化转换为电压、频率等输出量，被广泛地应用在压力、湿度、加速度、位移、气体等检测中。当前，得益于微电子技术的发展，作为集成电路制造主流工艺的CMOS工艺能很好地将电容式传感器与读出电路、信号处理电路等集成在同一芯片上，不仅大大降低系统成本，而且可以提高检测精度，所以电容式传感器被广泛地应用于集成传感器的设计中。但是对于模拟集成电路来说，工艺尺寸的减小所带来的性能提高并不如数字电路那么大。除了匹配和噪声性能的下降，M0S管阈值电压的减小也不像电源电压的减小那么显著，这就导致在模拟集成电路设计中可允许的输出电压范围的减小。因此当器件工艺进入纳米时代后，在低电压下设计传感器接口电路成为一种挑战。针对这一点，提出一种将传统的在电压幅度域处理传感器信号方式转移到在时间或频率域处理传感器信号方式。这样可以采用全数字电路而不是模拟电路，可以使得电路可以工作在更低的电源电压下，特别适合低功耗的射频识别传感器标签及无线传感器网络节点的设计。

技术实现要素：

为了克服模拟集成电路构成的接口电路性能较低，匹配和噪声性能较低，M0S管阈值电压的减小也不像电源电压的减小那么显著，可允许的输出电压范围减小的缺点。本发明设计了一种适用于各种集成传感器的低功耗全数字电容式传感器接口电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是。

在低功耗全数字电容式传感器接口电路中设计了重要的三个部分：传感器、频率调制模块、频率解调模块。其中频率调制由一个传感器控制振荡器(SCO)构成，它直接将传感器电容值转换为相应的频率。频率解调是一个BBPLL锁相环，它由一个1比特鉴相器(PD)和一个数字控制的振荡器(DCO)组成。

本发明的有益效果是：控制环路采用开关式锁相环(BBPLL)结构，这种数字式结构具有低压低功耗、节省芯片面积、容易改变尺寸及受工艺影响小等优点。频率调制模块是直接将传感器信号转换到频率域处理，从而避免了将传感器信号转换为电压信号的中间过程，可以使得电路可以工作在更低的电源电压下。而且电路设计简单，克服了模拟接口电路性能较低、可允许的输出电压范围减小的缺点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是基于锁相环的电容式传感器接口电路原理图。

图2是锁相环式频率-数字转换原理图。

图3是全数字电容式传感器接口电路。

图1中，SCO为传感器控制振荡器，DCO为数字控制振荡器。

图2中，VCO为压控振荡器，DAC为数模转换器，V_SENS为传感器信号，f_SENS为压控振荡器频率，f_dig为环路振荡器的频率。

具体实施方式

图1中，频率调制由一个传感器控制振荡器(SCO)构成，它直接将传感器电容值转换为相应的频率。频率解调是一个BBPLL锁相环，它由一个1比特鉴相器(PD)和一个数字控制的振荡器(DCO)组成。BBPLL锁相环检测f_SENS超前还是落后于DCO的频率f_dig，因此DCO的控制信号b_out是一个过采样输出的l比特信号,且它所代表的电压值(平均占空比)与传感器电容值变化成正比例。

图2中，压控振荡器(VCO)受到传感器信号V_SENS的控制，并产生一个与V_SENS相对应的频率信号f_SENS。鉴相器(PD)比较压控振荡器频率f_SENS和环路振荡器频率f_dig的相位差，并输出一个1比特数字信号b_out，输出信号b_out经反馈，通过一个l比特数模转换器(DAC)转换为相对应的模拟信号V_dig去控制环路振荡器，并产生与之对应的环路振荡器频率f_dig。在反馈环路稳定情况下，数模转换器(DAC)输出电压V_dig的最大最小值与传感器信号的V_SENS最大最小值相对应。

图3中，传感器控制振荡器(SCO)与数字控制的振荡器(DCO)都采用结构简单的5级环形振荡器，不同的是，SCO包含传感器电容，而DCO包含一个开关控制的可变负载电容。所以SCO输出信号频率受到传感器电容的调制，而DCO输出信号频率受到鉴相器(PD)的输出b_out的调制。DCO的可变负载电容由Co和Cm两电容构成，其中Co始终接人电路，且和传感器电容Csensor偏置部分大小一致。