一种电容式液位传感器的接口ASIC的制作方法

本发明涉及一种电容式液位传感器接口asic，属于传感器领域。

背景技术：

液位测量技术应用广泛，常用的测量方法有浮子法、电容法、超声波法等。其中，电容式液位传感器由于其动态响应好、稳定性强等优点，常被应用于航空航天领域，其测量原理是通过检测液体中两个电极间的电容值来获取液位信息。航天运载器升空过程中对低温液体推进剂的监测和测量的手段很多，电容式液位测量法是最常用的方法之一。

目前国内航天运载火箭中电容式液位传感器的微弱电容检测电路多采用传统电容测量电路结构，并且是采用电阻、电容等传统分立元件搭建的测量电路，因此测量精度较低（仅为10^-14法拉量级），微弱的电容信号很容易被噪声信号所淹没，这严重限制了运载火箭液位测量的分辨率，无法满足新型运载火箭高精度液位测量的需求。而采用微电子工艺制作的专用集成电路（asic）具有体积小、高度集成化、高精度和应用简便等特点,正逐渐取代分立元件测量电路。因此，设计高精度、高分辨率的微弱电容检测asic对于提高航天运载火箭中电容式液位传感器的性能起着至关重要的作用。

技术实现要素：

本发明目的在于提出一种电容式液位传感器接口asic，为了解决目前国内航天运载火箭中电容式液位传感器的传统微弱电容检测电路测量精度较低的问题，提出了一种基于新型低失调温漂三级运算放大器的电容式液位传感器接口专用集成电路（asic），实现了单片集成化。该asic采用微电子工艺制作，解决了运载火箭中电容式液位传感器微弱电容检测电路的小型化，高度集成化和应用简便的问题，实现了高线性度、高电容测量分辨率和高电容测量稳定性，同时也满足了电容式液位传感器接口asic的环境温度适应性的要求。适用于高精度、高分辨率的电容式液位传感器微弱电容检测。

实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种电容式液位传感器的接口asic，包括：前端电荷采样放大器、电压放大电路、相关双采样电路、pi控制器、低通滤波器、参考电压源、开关一、开关二、开关三、开关四、开关五和参考电容；

所述的开关一的一端接地，所述的开关二的一端接参考电压源，开关一的另一端和开关二的另一端的公共节点作为驱动端与电容式液位传感器的一端相接，电容式液位传感器的另一端与参考电容的一端相接，参考电容的另一端与开关三的一端和开关四的一端的公共节点相接，开关的另一端接地；电容式液位传感器与参考电容的公共端接开关五的一端和前端电荷采样放大器的输入端相接，开关五为清零开关，开关五的另一端接地，前端电荷采样放大器的输出端接电压放大电路的输入端；所述的电压放大电路的输出端接相关双采样电路的输入端，相关双采样电路的输出端接pi控制器的输入端；所述的pi控制器的输出端接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端与开关四的另一端相接。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提出的一种电容式液位传感器的接口asic，采用闭环结构检测，实现了输出电压vout与电容式液位传感器输出电容c成线性关系，并且实现了很高的线性度，电容检测非线性达到0.01%。采用相关双采样电路消除了前端电荷采样放大器和电压放大电路两部分带来的运算放大器的直流失调电压、低频1/f噪声和模拟开关电荷注入、时钟馈通导致的误差电荷，实现了高线性度测量。电压放大电路中电阻一r1、电阻二r2设置在芯片外，因此电压放大电路的增益可调，通过提高电压放大电路的电压增益可以抑制后级电路的噪声，从而提高接口asic芯片的电容信号分辨率。pi控制器中的运算放大器105采用低失调电压温度系数的三级运算放大器，从而使接口asic具有很低的零位温度系数。

综上，本发明解决了运载火箭中电容式液位传感器微弱电容检测电路的小型化，高度集成化和应用简便的问题，实现了高线性度、高电容测量分辨率和高电容测量稳定性。

附图说明

图1是本发明所述的一种电容式液位传感器的接口asic的电路原理图；

图2是本发明所述的一种电容式液位传感器的接口asic的工作时序图；

图3是运算放大器的具体电路图。

图中：前端电荷采样放大器101、电压放大电路102、相关双采样电路103、pi控制器104、低通滤波器106、参考电压源vref、参考电容cref、开关一s1、开关二s2、开关三s3、开关四s4、开关五s5、开关六s6、开关七一s7-1、开关七二s7-2、开关八s8、开关九s9、电容一c1、电容二cf、电容三c2、电容四c3、电容五c4、电容六cp1、电容七cp2、电容八c5、运算放大器一a1、运算放大器二a2、运算放大器三a3、运算放大器四a4、运算放大器五a5、运算放大器六a6、电阻一r1、电阻二r2、电阻三r3、电阻四r4、电阻五r5、电阻六r6、电阻七r7、电阻八r8、电阻九r9、偏置电压一1、偏置电压二2、偏置电压三3、pmos管一q1、pmos管二q2、pmos管三q3、nmos管四q4、nmos管五q5、pmos管六q6、pmos管七q7、pmos管八q8、pmos管九q9、pmos管十q10、nmos管十一q11、nmos管十二q12、nmos管十三q13、nmos管十四q14、pmos管十五q15、nmos管十六q16。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，一种电容式液位传感器的接口asic，包括：前端电荷采样放大器101、电压放大电路102、相关双采样电路103、pi控制器104、低通滤波器106、参考电压源vref、开关一s1、开关二s2、开关三s3、开关四s4、开关五s5和参考电容cref；

所述的开关一s1的一端接地，所述的开关二s2的一端接参考电压源vref，开关一s1的另一端和开关二s2的另一端的公共节点作为驱动端与电容式液位传感器的一端相接，电容式液位传感器的另一端与参考电容cref的一端相接，参考电容cref的另一端与开关三s3的一端和开关四s4的一端的公共节点相接，开关s3的另一端接地；电容式液位传感器与参考电容cref的公共端接开关五s5的一端和前端电荷采样放大器101的输入端相接，开关五s5为清零开关，开关五s5的另一端接地，前端电荷采样放大器101的输出端接电压放大电路102的输入端；所述的电压放大电路102的输出端接相关双采样电路103的输入端，相关双采样电路103的输出端接pi控制器104的输入端；所述的pi控制器104的输出端接低通滤波器106的输入端，低通滤波器106的输出端与开关四s4的另一端相接（从而构成电容式液位传感器输出电容的闭环检测，提高电容检测的线性度）。

参考电压源vref由带隙基准电压产生。电容式液位传感器的输出量是电容，有两个输出端子。

具体实施方式二：图1及图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述的前端电荷采样放大器101包括开关六s6、开关七一s7-1、开关七二s7-2、电容一c1、电容二cf和运算放大器一a1，运算放大器一a1的同相输入端与电容一c1的一端和开关七二s7-2的一端的公共节点相接，电容一c1的另一端和开关七二s7-2的另一端的公共节点接地，开关六s6的一端作为前端电荷采样放大器101的输入端，开关六s6的另一端与开关七一s7-1的一端和电容二cf的一端的公共节点相接且共同接到运算放大器一a1的反相输入端，开关七一s7-1的另一端、电容二cf的另一端和运算放大器一a1的输出端的公共节点作为前端电荷采样放大器101的输出端。

当进入放大器误差拾取相位p2时，前级运算放大器一a1将失调电压和低频噪声电压施加到反相输入端。当进入电荷放大器准备相位p3时，开关七一s7-1在电容二cf上引起电荷注入和时钟馈通效应。为了减小电荷注入效应对运算放大器一a1的影响，在运算放大器一a1的正向输入端处设置开关七二s7-2和电容一c1。因此，开关七二s7-2和电容一c1对运算放大器一a1的寄生电容起到了一阶抵消的作用。

具体实施方式三：如图1及图3所示，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述的电压放大电路102包括电阻一r1、电阻二r2、电阻三r3、电阻四r4、运算放大器二a2和运算放大器三a3，运算放大器二a2的同相输入端作为电压放大电路102的输入，运算放大器二a2的反相输入端与电阻一r1的一端和电阻二r2的一端的公共节点相接，电阻一r1的另一端接地，电阻二r2的另一端和电阻三r3的一端的公共节点与运算放大器二a2的输出端相接，电阻三r3的另一端与电阻四r4的一端的公共节点与运算放大器三a3的反相输入端相接，电阻四r4的另一端和运算放大器三a3的输出端的公共节点作为电压放大电路102的输出端。

通过调整电阻一r1、电阻二r2、电阻三r3及电阻四r4的阻值大小可以改变电压放大电路的放大倍数，从而提高液位传感器电容检测分辨率。

具体实施方式四：如图1及图3所示，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述的相关双采样电路103包括电阻五r5、电容三c2、电容四c3、开关八s8、开关九s9和运算放大器四a4，电阻五r5的一端作为相关双采样电路103的输入端，电阻五r5的另一端与电容三c2的一端相接，电容三c2的另一端与开关八s8的一端及开关九s9的一端的公共节点相接，开关九s9的另一端和电容四c3的一端的公共节点接地，开关八s8的另一端和电容四c3的另一端的公共节点连接到运算放大器四a4的同相输入端，运算放大器四a4的反相输入端和运算放大器四a4输出端相连作为相关双采样电路103的输出端。

相关双采样电路通过双采样电容三c2将前级电路的运放的直流失调、低频噪声电压和开关七一s7-1的电荷注入、时钟馈通误差进行存储，然后通过断开开关九s9在开关九s9和开关八s8的公共节点处获得由于传感器电容c和参考电容cref上的电荷量的差导致的采样输出电压。然后通过将开关八s8闭合使得采样输出电压保持在电容四c3上。为了防止电容四c3上的电荷泄漏，电容四c3后接高输入电阻的缓冲器。

具体实施方式五：如图1及图3所示，本实施方式对实施方式一或四作进一步说明，所述的pi控制器104包括电阻六r6、电阻七r7、电容五c4和运算放大器五a5，电阻六r6的一端作为pi控制器104的输入端，电阻六r6的另一端和电容五c4的一端共同接到运算放大器五a5的反相输入端，运算放大器五a5的同相输入端接地，电容五c4的另一端与电阻七r7的一端相接，电阻七r7的另一端和运算放大器五a5的输出端的公共节点作为pi控制器104的输出端。

pi控制器104接收来自相关双采样电路103的输出直流电压，并对输出电压进行积分运算和反相比例放大，使得pi控制器104输出电压的变化更显著，加快低通滤波器106输出电压vout达到稳态的速度。

具体实施方式六：如图1及图3所示，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述的低通滤波器106包括电阻八r8、电阻九r9、电容八c5和运算放大器六a6，电阻八r8的一端作为低通滤波器106的输入端，电阻八r8的另一端、电阻九r9的一端及电容八c5的一端的公共节点与运算放大器六a6的反相输入端相接，运算放大器六a6的同相输入端接地，电阻九r9的另一端、电容八c5的另一端和运算放大器六a6的公共节点作为低通滤波器106的输出端。

低通滤波器106的截止频率设置的较小，从而滤除掉输出电压vout中的高频噪声。

具体实施方式七：如图1及图3所示，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述的运算放大器五a5包括偏置电压一1、偏置电压二2、偏置电压三3、pmos管一q1、pmos管二q2、pmos管三q3、nmos管四q4、nmos管五q5、pmos管六q6、pmos管七q7、pmos管八q8、pmos管九q9、pmos管十q10、nmos管十一q11、nmos管十二q12、nmos管十三q13、nmos管十四q14、pmos管十五q15、nmos管十六q16，电容六cp1和电容七cp2；

所述的nmos管四q4、nmos管五q5、nmos管十三q13、nmos管十四q14和nmos管十六q16的源极的公共节点接地，pmos管一q1、pmos管六q6、pmos管九q9、pmos管十q10和pmos管十五q15的源极的公共节点接vcc，pmos管一q1及pmos管六q6的栅极共同接偏置电压一1；

pmos管二q2和pmos管三q3的源极的公共节点接pmos管一q1的漏极，pmos管二q2的栅极为运算放大器五a5的反相输入端，pmos管三q3的栅极为运算放大器五a5的同相输入端，pmos管二q2的漏极、nmos管四q4的漏极、pmos管八q8的栅极的公共节点接nmos管q4及nmos管q5栅极的公共节点，pmos管q3的漏极和nmos管q5的漏极的公共节点接pmos管q7的栅极、nmos管q16的栅极和电容七cp2一端的公共节点；

pmos管七q7、pmos管八q8的源极的公共节点pmos管六q6的漏极，pmos管七q7的漏极接nmos管十一q11的源极和nmos管十三q13的漏极的公共节点，pmos管八q8的漏极接nmos管十二q12的源极、nmos管十四q14的漏极和电容六cp1一端的公共节点；

nmos管十三q13及nmos管十四q14的栅极的公共节点接偏置电压三3，nmos管十一q11及nmos管十二q12的栅极的公共节点接偏置电压二2，nmos管十一q11的漏极和pmos管九q9的漏极的公共节点接pmos管九q9及pmos管十q10栅极的公共节点，pmos管十q10的漏极和nmos管十二q12的漏极的公共节点接pmos管十五q15的栅极；

pmos管十五q15的漏极、nmos管十六q16的漏极、电容六cp1及电容七cp2的另一端的公共节点作为运算放大器a5的输出端。

在pi控制器104中的运算放大器五a5的失调电压将直接反映在传感器输出电压vout中，其失调温度系数也将成为电容式液位传感器接口asic的温度系数中的关键组成部分。其开环增益将影响接口asic的线性度，因此运算放大器五a5采用三级运算放大器拓扑结构，二级电容补偿，为实现运算放大器五a5的低失调温度系数采用二级差分放大结构。其中第一级放大器输出通过差分方式与第二级放大器输入相接，将放大器第一级与第二级之间的匹配转换为第二级放大器内部匹配，极大的降低了对运算放大器第一级与第二级之间晶体管匹配的要求，从而有效降低了运算放大器的失调电压温度系数。

整个接口asic的工作原理是：通过将电容式液位传感器的待测电容与参考电容极板上的误差电荷采样到电容cf上，然后通过后级的电路处理后将输出电压反馈到开关四s4的一端，最终实现电容式液位传感器的待测电容与参考电容极板上的零误差电荷，满足：

电路工作时，整个工作周期t包括5个时间相位，电荷清零相位p1、放大器误差拾取相位p2、电荷放大器准备相位p3、电荷采样相位p4、积分反馈相位p5。电容检测电路采用cmos开关电容检测方式，有效提高电荷检测能力，利用大面积输入p管、相关双采样等电路结构降低电荷放大器的低频1/f噪声。

下面结合图2说明电路在每个相位的工作状态。

在p1相位，开关五s5闭合，使得传感器电容c和参考电容cref的公共节点快速泄放电荷，使得该点电位快速泄放到零电位。此相位中，开关二s2，s4四闭合，开关一s1和开关三s3断开，使得参考电压vref，输出电压vout分别加载在传感器电容c的上极板，参考电容cref的下极板。

在p2相位，开关五s5断开，并且在开关五s5断开后很短的时间内，开关六s6闭合。传感器电容c和参考电容cref的公共端与前级运算放大器一a1的反相输入端相连，此时开关七一s7-1及开关七二s7-2闭合，开关八s8断开，s9九闭合，前端电荷采样放大器101和电压放大电路中运算放大器的直流失调电压、低频噪声电压和开关七一s7-1的电荷注入，时钟馈通导致的误差电荷被存储在双采样电容（电容三）c2上。

在p3相位，开关七一s7-1及开关七二s7-2断开，运算放大器一a1反馈通路上只有电容cf（电容二），该电容为电荷转移做准备。

在p4相位，开关二s2及开关四s4断开，非常短的时间内开关一s1及开关三s3闭合，因此，传感器电容c的上极板出现一个幅值为－vref的脉冲电压，同时，电容cref的下极板出现一个幅值为vout的脉冲电压。此时发生电荷转移，传感器电容c和参考电容cref的公共端部分的电荷转移到反馈电容cf（电容二）上。此时开关九s9断开，经过短暂时间之后开关八s8闭合，电容四c3上将得到消除前端电荷采样放大器和电压放大电路中运算放大器的直流失调电压、低频噪声电压和开关七一s7-1的电荷注入，时钟馈通导致的误差电荷后的采样输出电压。开关八s8闭合一段时间之后重新断开，电容四c3上将保持开关八s8断开之前所获得的采样输出电压。

在p5相位，开关二s2、开关四s4、开关九s9、开关七一s7-1、开关七二s7-2闭合，开关一s1、开关三s3、开关五s5及开关六s6断开，此时反馈电路与电容检测电路相分离。pi控制器104对电容四c3上保持的电荷采样输出电压进行积分，并将积分后的电压通过低通滤波器106后得到整体电路的输出电压，低通滤波器106的低通截止频率设计的很低，对pi控制器104的输出电压进行反相，并且消除其中的高频成分。低通滤波器106将整体电路的输出电压反馈到开关四s4的一端，从而实现电容式液位传感器输出电容的闭环检测。

p5相位过后，电路重新进入p1相位，各个开关周而复始的执行该工作时序，最终输出电压使得传感器电容c和参考电容上cref上的电荷量相等，达到稳态，输出电压保持不变。