基于電流鏡的微電容式傳感器接口電路研究

摘要：在集成微電容式傳感器的研究中，由于敏感電容值的變化量非常微小，其接口電路的研究對傳感器性能提升是至關重要的。設計了一種基于電流鏡原理檢測的微電容式傳感器接口電路，電路由電容轉換電壓電路、減法器電路、脈沖電路、緩沖器電路等組成?；?.18 μm CMOS工藝庫對電路進行設計仿真，結果表明該電路便于與敏感電容兼容，輸出電壓與敏感電容成線性關系，其檢測精確度高、范圍廣。

0 引言

隨著微電子技術與微機械加工技術的快速發展，傳感器的微型化、集成化、智能化等成為了研究趨勢?；贑MOS MEMS技術將傳感部分與接口電路等在同一芯片完成，有利于大批量生產降低成本、減小器件尺寸、提高傳感器的靈敏度、增強抗干擾能力等。

集成微電容式傳感器由于電路集成度高、制程兼容性好等優點被廣泛應用在集成傳感器的研究中，如電容式加速度傳感器、電容式濕度傳感器、電容式壓力傳感器、電容式氣體傳感器等。其工作原理是將外界變化的加速度、濕度、壓力等非電量轉換為電容值的變化，然后再將其轉換為易于處理的電學量。

本文研究一種基于電流鏡原理檢測的微電容式傳感器接口電路，將敏感電容變化的電容值轉換為輸出電壓值的變化。電路便于與敏感電容兼容，且輸出電壓與敏感電容成線性關系。本電路可以避免利用開關電容電路原理進行檢測時由開關切換電荷注入所產生的誤差，且電路可根據敏感電容值的范圍進行調節，檢測精確度高。

1 電路工作原理

將隨外界物理量變化而改變的敏感電容值轉換為電壓值的變化是接口電路設計中普遍采用的方式之一。其中，利用開關電容電路原理將敏感電容值轉換為電壓值較為常用，這種接口電路具有輸出電壓線性度高、與CMOS工藝兼容、溫度特性好等優點。但是由于開關切換時電荷注入會產生誤差，引起輸出偏差，因此，設計時采用基于電流鏡原理進行檢測，電路如圖1所示。電路通過分時工作的方式，采用對電容的充放電，將電容轉換為電壓，實現電容到電壓信號的讀出。

如圖1所示，Cs為對外界非電量敏感電容，Cref為參考電容。當M1管和M2管工作在飽和區時，則：

若忽略溝道長度調制的影響，由于M1管的柵極和漏極電位相同，且M1管處于飽和區，因此對敏感電容Cs充電一段時間t后，Cs上的電壓為：

設L1=L2，則：

因此，由公式推導可知輸出電壓Vm與敏感電容和參考電容的比值成線性關系，且電路可根據參考電容的不同對其敏感電容值的范圍進行調節。

2 電路設計

基于電流鏡原理所設計的微電容式傳感器接口電路由脈沖電路、電容轉換電壓電路、緩沖器電路、減法器電路、反相器電路等組成，電路框圖如圖2所示。

控制敏感電容和參考電容充放電的脈沖信號由脈沖電路產生。在電容到電壓的轉換電路中，由于電流鏡只有在輸出電壓Vm

設計時將MOS管M1和M2的寬長比設為相同，即(W/L)1=(W/L)2。由式(10)可知，輸出電壓Vo與Cs/Cref成線性關系。當參考電容值一定時，輸出電壓隨敏感電容值的變化而變化，因此，可以將隨外界待測物理量變化而變化的電容值轉換為易于后期電路處理的電壓值的變化。

在基于電流鏡原理實現的接口電路設計中，運放電路的設計是一個重要的單元，因此電路的設計中也應完成運放電路的設計。運放電路如圖4所示。電路由偏置電路、差分輸入級和增益放大級三部分組成，并采用米勒補償作為頻率補償。

控制敏感電容和參考電容充放電的脈沖信號CP1和CP2如圖5所示。

3 電路仿真結果與分析

利用Cadence spectre仿真器和TSMC公司的0.18μm 3.3V CMOS庫文件，仿真驗證所設計的電路性能。

在低頻范圍中得到運放的開環增益為63.3 dB，單位增益帶寬29.17MHz，相位裕度為65.24，共模抑制比85.2 dB，電源抑制比87 dB，功耗1.81mW。其中開環增益、單位增益帶寬和相位裕度如圖6和圖7所示。

當參考電容Cref=200fF，敏感電容Cs=180fF，接口電路的仿真結果如圖8所示。

當參考電容一定時Cref=200fF，敏感電容Cs=190fF～100fF變化，輸出電壓Vo的仿真結果如圖9所示。

如圖9，當敏感電容Cs=190fF時，輸出電壓VT(“/vo”)0>為2.54V;當敏感電容Cs=180fF時，輸出電壓VT(“/vo”)1>為2.44V;當敏感電容Cs=160fF時，輸出電壓VT(“/vo”)3>為2.24V;當敏感電容Cs=140fF時，輸出電壓VT(“/vo”)5>為2.035V;當敏感電容Cs= 120fP時，輸出電壓VT(“/vo”)7>為1.83V;當敏感電容Cs=100fF時，輸出電壓VT(“/vo”)9>為1.62V。

因此，由圖9可知，當敏感電容值線性變化時，輸出電壓的變化值也為線性，該對應關系與式(10)相符。當參考電容為Cref=200fF時，敏感電容Cs=190fF～150fF之間變化線性度好，其電容到電壓轉換的分辨率為100mV/10fF。該接口電路中也可以通過改變參考電容值的大小，以檢測不同的敏感電容值。

4 結束語

針對微電容式傳感器接口電路設計了一種基于電流鏡原理的檢測電路，電路利用CMOS工藝實現，將敏感電容變化的電容值轉換為輸出電壓值的變化。通過仿真驗證，結果表明本電路仿真結果與理論推導相符，其輸出電壓與敏感電容的線性度高，檢測范圍廣，利于后期電路處理。