专利名称：一种新型电容电阻感应电路架构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电路架构，特别涉及一种用来感应电容、电阻值的新型电容电阻感应电路架构。
背景技术：
人机接口的设计历经长期发展，由机电控制的机械开关发展到基于红外线、表面声波、电阻感应、电容感应等技术的各种产品，其中新兴的电阻感应、电容感应技术以其低成本、耐用性、可靠性等优势成为设计人员关注的焦点。
电阻感应的本质是IDC(Impedance to Digital Converter)电阻数字转换器。把电阻量转换成数字信号供处理器处理。这里电阻可以是由于应力变化而改变，于是系统就成为应力数字转换器；也可以是一个随温度变化的电阻，于是系统就是温度数字转换器。电容感应的本质是CDC(Capacitanceto Digital Converter)，电容的变化同样可以是应力变化造成，也可以是触摸造成，或者是电容上下极板运动造成。正因为电容电阻可以感应如此多样的自然信号，电容电阻感应电路实际上是一个真正意义上的ADC(Analog toDigital Converter模拟数字转换器)，将诸多自然界的模拟信号转换成数字信号而不像传统ADC仅仅是把模拟电压转换成数字信号。正因为如此，一个精简实用的电容电阻感应IC(集成电路)会有及其广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种新型电容电阻感应电路架构，可以根据实际感应的自然界量，选择感应电容或者感应电阻。例如在电场复杂的应用中应该考虑感应电阻变化；而位移变化，介质变化则适合感应电容变化，结构简单、实用，应用前景广泛。
本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现
一种新型电容电阻感应电路架构，其特征在于，它包括电压缓冲器、电流镜、感应电阻、感应电容、起始比较器、结束比较器和时间数字转换器TDC；参考电压接入所述电压缓冲器的输入端，电压缓冲器的输出端分别连接所述电流镜的输入端和感应电阻，所述电流镜的输出端分别连接感应电容、起始比较器的输入端和结束比较器的输入端，所述起始比较器和结束比较器的输出端接入所述时间数字转换器TDC；参考电压经过电压缓冲器与感应电阻产生参考电流，参考电流由电流镜转换成充电电流对感应电容充电，感应电容的引脚连接起始比较器和结束比较器，起始比较器和结束比较器的输出接时间数字转换器TDC的STA和END控制脚通过时间数字转换器TDC将时间量被转换成数据输入处理器处理。
所述感应电阻通过一外部电阻引脚与所述电压缓冲器连接，另一端接外部电平；所述感应电容通过一外部电容引脚与所述电流镜的输出端、起始比较器的输入端和结束比较器的输入端连接，另一端接外部电平。
所述电压缓冲器由一个误差放大器和一个源跟随连接的NMOS管构成；所述参考电压接入误差放大器输入端的正极，误差放大器的输出端连接NMOS管的栅极，NMOS管的源极与误差放大器输入端的负极连接后，接入所述的感应电阻，所述NMOS管的漏极接入所述电流镜的输入端。
在为了隔离外部电源上的干扰，在所述电压缓冲器、起始比较器和结束比较器之前接入一个低压降电压调节器，它由基准源、误差放大器、PMOS管和分压电阻构成，所述基准源接入放大器输入端的负极，误差放大器的输出端与PMOS管的栅极连接；外部电源接入PMOS管的源极，PMOS管的漏极依次连接四个分压电阻然后接地，分压电阻之间产生三个参考电压，误差放大器输入端的正极接入中间的参考电压端。
所述电流镜由MOS管MP1、MP2构成；MOS管MP1、MP2的栅极互相连接，然后与MOS管MP1的漏极连接作为电流镜的输入端，MOS管MP1、MP2的源极互相连接，MOS管MP2的漏极作为电流镜的输出端。
上述的电流镜为一种简易的电流镜，MOS管MP1和MP2的漏端电压不相等将导致电流不会成比例的被镜像；为了克服普通的电流镜所存在的问题，本发明提供另一种电阻自偏压的共源共栅电流镜，有着很好的PSRR(电源电压抑制比)和镜像特性，它由MOS管MP1、MP2、MP3、MP4和电阻Ra构成；MOS管MP1、MP2的源极互相连接，MOS管MP1、MP2的漏极分别与MOS管MP3、MP4的源极连接，MOS管MP1、MP2的栅极互相连接，然后分别与MOS管MP3的漏极和电阻Ra连接，MOS管MP3、MP4的栅极互相连接，然后再与电阻Ra的另一端连接，作为电流镜的输入端，MOS管MP4的漏极作为电流镜的输出端。
再一种漏端跟随电流镜，它由MOS管MP1、MP2、MP3和误差放大器EA构成；MOS管MP1、MP2的源极互相连接，MOS管MP1的漏极分别连接MOS管MP3源极和误差放大器EA输入端的负极，MOS管MP1、MP2的栅极互相连接，然后与MOS管MP3的漏极连接，作为电流镜的输入端，MOS管MP3的栅极接误差放大器EA的输出端；MOS管MP2的漏极与误差放大器EA输入端的正极连接，作为电流镜的输出端。MOS管MP2的漏端电压会由误差放大器EA和MOS管MP3反馈到MOS管MP1的漏端，使得流过MOS管MP1、MP2的电流达到期望的比例关系，不足之处是误差放大器会消耗额外的功耗。
本发明的原理如下参考电压VREF经过电压缓冲器与感应电阻产生一路参考电流I1，参考电流I1由电流镜转换成充电电流I2对感应电容充电，当感应电容引脚达到额定电平VSTA时，起始比较器翻转，时间数字转换器TDC开始计时；当感应电容引脚达到一个更高的额定电平VEND时，结束比较器翻转，时间数字转换器TDC结束计时，该时间间隔被转换成数据交给处理器处理。
感应电阻Rs两端电压为VREF-VPR，感应电容Cs上的两次翻转电压为VSTA-VPC和VEND-VPC。为便于说明，仅考虑感应电阻Rs和感应电容Cs的另一端均接地，即VPR＝VPC＝0。
Q＝IT＝VCT＝(VEND-VSTA)Cs/I2I2＝mI1＝mVREF/RsT＝RsCs*(VEND-VSTA)/mVREF其中m是电流镜的镜像系数，参考电压VEND，VSTA和VREF由一个基准电压分压产生，所以(VEND-VSTA)/mVREF为常数，设该常数为β。
T＝βRsCs
若VPR，VPC≠0T＝RsCs*(VEND-VSTA)/m(VREF-VPR)只要VEND，VSTA，VPR和VREF由同一基准产生，也可以相互抵消等效成常数。
若感应电阻Rs不变，则感应电容Cs变化ΔC＝T/βRs，调节感应电阻Rs可以调节感应电容Cs的感应精度。
若感应电容Cs不变，则感应电阻Rs变化ΔR＝T/βCs，调节感应电容Cs可以调节感应电阻Rs的感应精度。
本发明的一种新型电容电阻感应电路架构具有如下的优点1、电阻电容值被转化成一个时间量，这个时间量仅与电阻电容值乘积相关，而与电源电压以及基准电压无关。
2、应用灵活，感应电容时，调节外部电阻可以调节感应精度。感应电阻时，调节外部电容可以调节感应精度。
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本发明。
图1是本发明的一种新型电容电阻感应电路架构的电路原理图；图2是本发明的低压降电压调节器的电路原理图；图3是本发明的一种电流镜的电路原理图；图4是本发明的另一种电流镜的电路原理图。
具体实施例方式
实施例1如图1所示，一种新型电容电阻感应电路架构，它包括电压缓冲器(106)、电流镜(107)、感应电阻(101)、感应电容(102)、起始比较器(103)、结束比较器(104)和时间数字转换器TDC(105)；参考电压VREF接入电压缓冲器(106)的输入端，电压缓冲器(106)的输出端分别连接电流镜(107)的输入端和感应电阻(101)，电流镜(107)的输出端分别连接感应电容(102)、起始比较器(103)的输入端和结束比较器(104)的输入端，起始比较器(103)和结束比较器(104)的输出端接入时间数字转换器TDC(105)；参考电压VREF经过电压缓冲器(106)与感应电阻(101)产生参考电流I1，参考电流I1由电流镜(107)转换成充电电流I2对感应电容(102)充电，感应电容(102)的引脚连接起始比较器(103)和结束比较器(104)，起始比较器(103)和结束比较器(104)的输出接时间数字转换器TDC(105)的STA和END控制脚通过时间数字转换器TDC(105)将时间量被转换成数据输入处理器处理。
电压缓冲器(106)由误差放大器EA和源跟随连接的NMOS管构成；参考电压VREF接入误差放大器EA输入端的正极，误差放大器EA的输出端连接NMOS管的栅极，NMOS管的源极与误差放大器EA输入端的负极连接后，接入感应电阻(101)，NMOS管的漏极接入电流镜(107)的输入端。
当感应电容(102)引脚达到额定电平VSTA时，起始比较器(103)翻转，时间数字转换器TDC(105)开始计时；当感应电容(102)引脚达到一个更高的额定电平VEND时，结束比较器(104)翻转，时间数字转换器TDC(105)结束计时，该时间间隔被转换成数据交给处理器处理。
感应电阻Rs两端电压为VREF-VPR，感应电容Cs上的两次翻转电压为VSTA-VPC和VEND-VPC。为便于说明，仅考虑感应电阻Rs和感应电容Cs的另一端均接地，即VPR＝VPC＝0。
Q＝IT＝VCT＝(VEND-VSTA)Cs/I2I2＝mI1-mVREF/RsT＝RsCs*(VEND-VSTA)/mVREF其中m是电流镜的镜像系数，参考电压VEND，VSTA和VREF由一个基准电压分压产生，所以(VEND-VSTA)/mVREF为常数，设该常数为β。
T＝βRsCs若VPR，VPC≠0T＝RsCs*(VEND-VSTA)/m(VREF-VPR)只要VEND，VSTA，VPR和VREF由同一基准产生，也可以相互抵消等效成常数。
若感应电阻Rs不变，则感应电容Cs变化ΔC＝T/βRs，调节感应电阻Rs可以调节感应电容Cs的感应精度。
若感应电容Cs不变，则感应电阻Rs变化ΔR＝T/βCs，调节感应电容Cs可以调节感应电阻Rs的感应精度。
感应电阻(101)通过外部电阻引脚RPAD与电压缓冲器(106)连接，另一端PR接外部电平；感应电容(102)通过外部电容引脚CPAD与电流镜(107)的输出端、起始比较器(103)的输入端和结束比较器(104)的输入端连接，另一端PC接外部电平。
感应电阻(101)的PR端可以是任意一个低于参考电压VREF的电压，感应电容(102)的PC端可以是任意一个低于参考电压VSTA的电压；通常情况感应电阻(101)的PR端和感应电容(102)的PC端可以接地。
如图2所示，在为了隔离外部电源上的干扰，提供三路参考电压VREF、VSTA、VEND，参考电压VSTA接入起始比较器(103)输入端的负极，参考电压VEND接入结束比较器(104)输入端的负极，在电压缓冲器(106)、起始比较器(103)和结束比较器(104)之前接入一个低压降电压调节器，它由基准源BANDGAP、误差放大器、PMOS管和分压电阻构成，基准源BANDGAP接入放大器输入端的负极，误差放大器的输出端与PMOS管的栅极连接；外部电源VDD接入PMOS管的源极，PMOS管的漏极依次连接四个分压电阻然后接地，分压电阻之间产生三个参考电压VREF、VSTA、VEND，误差放大器输入端的正极接入中间的参考电压VREF端。
带隙基准源BANDGAP产生一个不随温度变化的恒定电压。该电压经过误差放大器和PMOS管构成的低压降电压调节器结构在分压电阻处产生三个参考电压VREF，VSTA，VEND。其中VSTA和VEND的选取决定感应电容(102)充电过程中，时间数字转换器TDC(105)计时的起始电压和结束电压。电流源给电容充电，在从0V充到电源电压过程中，起始时电流会有过充，充电电压曲线会陡峭上升，结束时电流会有衰减，充电电压曲线会平缓上升。设计的目标是尽量计量电压线性上升的时间，该时间数据更能线性反应电阻电容变化量。所以VSTA应高于最低电压VPC0.5V左右，VEND应低于最高电压VDD 0.5V或更多。
如图1所示，电流镜(107)由MOS管MP1、MP2构成MOS管MP1、MP2的栅极互相连接，然后与MOS管MP1的漏极连接作为电流镜的输入端，MOS管MP1、MP2的源极互相连接，MOS管MP2的漏极作为电流镜的输出端。
上述的电流镜(107)为一种简易的电流镜，MOS管MP1和MP2的漏端电压不相等将导致电流不会成比例的被镜像；为了克服普通的电流镜所存在的问题，本发明提供另一种电阻自偏压的共源共栅电流镜，有着很好的PSRR(电源电压抑制比)和镜像特性，它由MOS管MP1、MP2、MP3、MP4和电阻Ra构成；MOS管MP1、MP2的源极互相连接，MOS管MP1、MP2的漏极分别与MOS管MP3、MP4的源极连接，MOS管MP1、MP2的栅极互相连接，然后分别与MOS管MP3的漏极和电阻Ra连接，MOS管MP3、MP4的栅极互相连接，然后再与电阻Ra的另一端连接，作为电流镜的输入端，MOS管MP4的漏极作为电流镜的输出端。
所述电流镜(107)也可为漏端跟随电流镜，它由MOS管MP1、MP2、MP3和误差放大器EA构成；MOS管MP1、MP2的源极互相连接，MOS管MP1的漏极分别连接MOS管MP3源极和误差放大器EA输入端的负极，MOS管MP1、MP2的栅极互相连接，然后与MOS管MP3的漏极连接，作为电流镜的输入端，MOS管MP3的栅极接误差放大器EA的输出端；MOS管MP2的漏极与误差放大器EA输入端的正极连接，作为电流镜的输出端。MOS管MP2的漏端电压会由误差放大器EA和MOS管MP3反馈到MOS管MP1的漏端，使得流过MOS管MP1、MP2的电流达到期望的比例关系，不足之处是误差放大器会消耗额外的功耗。
由于芯片引脚处有寄生电容，PCB布线也会带来寄生电阻电容。所以应用本发明所述架构在计量微小的电容电阻值的时候需要考虑这些寄生效应。在计量较大的电容电阻值时则无需考虑寄生电容。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及其优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.一种新型电容电阻感应电路架构，其特征在于，它包括电压缓冲器、电流镜、感应电阻、感应电容、起始比较器、结束比较器和时间数字转换器TDC；参考电压接入所述电压缓冲器的输入端，电压缓冲器的输出端分别连接所述电流镜的输入端和感应电阻，所述电流镜的输出端分别连接感应电容、起始比较器的输入端和结束比较器的输入端，所述起始比较器和结束比较器的输出端接入所述时间数字转换器TDC；参考电压经过电压缓冲器与感应电阻产生参考电流，参考电流由电流镜转换成充电电流对感应电容充电，感应电容的引脚连接起始比较器和结束比较器，起始比较器和结束比较器的输出接时间数字转换器TDC的STA和END控制脚通过时间数字转换器TDC将时间量被转换成数据输入处理器处理。
2.根据权利要求1所述的电路架构，其特征在于所述感应电阻通过一外部电阻引脚与所述电压缓冲器连接，另一端接外部电平。
3.根据权利要求1所述的电路架构，其特征在于所述感应电容通过一外部电容引脚与所述电流镜的输出端、起始比较器的输入端和结束比较器的输入端连接，另一端接外部电平。
4.根据权利要求1所述的电路架构，其特征在于所述电压缓冲器由一个误差放大器和一个源跟随连接的NMOS管构成；所述参考电压接入误差放大器输入端的正极，误差放大器的输出端连接NMOS管的栅极，NMOS管的源极与误差放大器输入端的负极连接后，接入所述的感应电阻，所述NMOS管的漏极接入所述电流镜的输入端。
5.根据权利要求1所述的电路架构，其特征在于在所述电压缓冲器、起始比较器和结束比较器之前接入一个低压降电压调节器，它由基准源、误差放大器、PMOS管和分压电阻构成，所述基准源接入放大器输入端的负极，误差放大器的输出端与PMOS管的栅极连接；外部电源接入PMOS管的源极，PMOS管的漏极依次连接四个分压电阻然后接地，分压电阻之间产生三个参考电压，误差放大器输入端的正极接入中间的参考电压端。
6.根据权利要求1所述的电路架构，其特征在于所述电流镜由MOS管MP1、MP2构成；MOS管MP1、MP2的栅极互相连接，然后与MOS管MP1的漏极连接作为电流镜的输入端，MOS管MP1、MP2的源极互相连接，MOS管MP2的漏极作为电流镜的输出端。
7.根据权利要求1所述的电路架构，其特征在于所述电流镜由MOS管MP1、MP2构成；MOS管MP1、MP2的栅极互相连接，然后与MOS管MP1的漏极连接作为电流镜的输入端，MOS管MP1、MP2的源极互相连接，MOS管MP2的漏极作为电流镜的输出端。
8.根据权利要求1所述的电路架构，其特征在于所述电流镜由MOS管MP1、MP2、MP3、MP4和电阻Ra构成；MOS管MP1、MP2的源极互相连接，MOS管MP1、MP2的漏极分别与MOS管MP3、MP4的源极连接，MOS管MP1、MP2的栅极互相连接，然后分别与MOS管MP3的漏极和电阻Ra连接，MOS管MP3、MP4的栅极互相连接，然后再与电阻Ra的另一端连接，作为电流镜的输入端，MOS管MP4的漏极作为电流镜的输出端。
9.根据权利要求6所述的电路架构，其特征在于电流镜由MOS管MP1、MP2、MP3和误差放大器EA构成；MOS管MP1、MP2的源极互相连接，MOS管MP1的漏极分别连接MOS管MP3源极和误差放大器EA输入端的负极，MOS管MP1、MP2的栅极互相连接，然后与MOS管MP3的漏极连接，作为电流镜的输入端，MOS管MP3的栅极接误差放大器EA的输出端；MOS管MP2的漏极与误差放大器EA输入端的正极连接，作为电流镜的输出端。
全文摘要
本发明公开了一种新型电容电阻感应电路架构，包括电压缓冲器、电流镜、感应电阻、感应电容、起始比较器、结束比较器和时间数字转换器TDC；参考电压接入所述电压缓冲器的输入端，电压缓冲器的输出端分别连接所述电流镜的输入端和感应电阻，电流镜的输出端分别连接感应电容、起始比较器的输入端和结束比较器的输入端，起始比较器和结束比较器的输出端接入所述时间数字转换器TDC；参考电压经过电压缓冲器与感应电阻产生参考电流，参考电流由电流镜转换成充电电流对感应电容充电，感应电容的引脚连接起始比较器和结束比较器，起始比较器和结束比较器的输出接时间数字转换器TDC的STA和END控制脚通过时间数字转换器TDC将时间量被转换成数据输入处理器处理。
文档编号G01D5/24GK101059353SQ200710037978
公开日2007年10月24日 申请日期2007年3月12日 优先权日2007年3月12日
发明者张忠, 程剑涛, 吴珂 申请人:启攀微电子(上海)有限公司