一种低功耗电容式传感器接口电路的制作方法
【专利摘要】一种低功耗电容式传感器接口电路，由传感器控制振荡器、多路分频器、多路选择器和计数器构成，传感器控制振荡器的输出端接多路分频器的输入端，多路分频器的输出端接多路选择器的输入端，多路选择器的输出端接计数器的一输入端，计数器的另一输入端外接时钟信号；计数器的输出端为数字信号输出端。本发明之接口电路在频率域处理传感器信号，采用全数字结构，电路结构简单，可以工作于较低的电源电压，有利于降低电路的整体功耗,节省芯片面积，受工艺影响小。
【专利说明】一种低功耗电容式传感器接口电路
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器接口电路领域，特别涉及一种低功耗电容式传感器接口电路。
【背景技术】
[0002]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，被广泛的应用在压力、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工艺能很好的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的应用于集成传感器的设计中。
[0003]物联网已被确定为中国战略性新兴产业之一，作为物联网关键模块的无线传感器网络节点和射频识别传感器标签的发展都对低功耗集成传感器有着广大的需求。对于电容式传感器来说，传感器以电容形式接入接口电路，因此电容式传感器的主要功耗来源于接口电路。传统电容式传感器接口电路在电压幅度域处理传感器信号，首先采用电容一电压转换器产生一个与传感器电容和参考电容差值成正比例的电压信号，再经过模数转换器将此电压信号转换为相对应的数字信号输出。这种设计方法能够获得高速和高分辨率性能，但由于采用了运算放大器，电路结构复杂，需使用较高的电源电压，整体功耗甚高，不适合低功耗应用。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，克服现有电容式传感器接口电路的在低功耗设计中的不足，提供一种基于振荡器的低功耗电容式传感器接口电路，此接口电路在频率域处理传感器信号，电路结构简单，可以工作于较低的电源电压，有利于降低电路的整体功耗。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案:
一种低功耗电容式传感器接口电路，由传感器控制振荡器、多路分频器、多路选择器和计数器构成，传感器控制振荡器的输出端接多路分频器的输入端，多路分频器的输出端接多路选择器的输入端，多路选择器的输出端接计数器的一输入端，计数器的另一输入端外接时钟信号；计数器的输出端为数字信号输出端。
[0006]所述传感器控制振荡器用于完成将传感器电容值转换为相应的振荡频率。
[0007]所述多路分频器用于产生多路振荡频率，消除因工艺偏差导致的传感器电容值与振荡器振荡频率的偏差对接口电路稳定性的影响。
[0008]所述多路选择器用于从多路分频器输出的多路频率中选择适合计数器工作的振荡频率。
[0009]所述计数器受时钟信号的控制，计算一周期内接收到多路选择器输出的脉冲数，从而产生相应的数字信号输出。
[0010]所述传感器控制振荡器、多路分频器、多路选择器和计数器均可采用数字集成电路设计。
[0011]优选地，所述传感器控制振荡器采用环形振荡器结构，此环形振荡器由奇数个首尾相连的反相器构成反馈回路，传感器电容并联接入反馈回路中。
[0012]优选地，所述反相器采用电流受限型(Current-Starved)反相器，反相器的电流受电流镜的限制。
[0013]本发明之接口电路在频率域处理传感器信号，可采用全数字结构，电路结构简单，可以工作于较低的电源电压，有利于降低电路的整体功耗，节省芯片面积，受工艺影响小。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明的电容式传感器接口电路结构图；
图2为本发明的传感器控制振荡器结构图；
图3为电流受限型反相器原理图；
图4为本发明的多路分频器结构图；
图5为本发明的多路选择器结构图；
图6本发明的计数器结构图；
图7为所测试的集成湿度传感器的相对湿度与接口电路输出关系图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和较优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。以下较优选实施例仅仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。
[0016]以采用台积电0.1SMffl CMOS工艺设计并制造集成湿度传感器芯片为例，该芯片的接口电路采用了本发明之低功耗电容式传感器接口电路，由传感器控制振荡器、多路分频器、多路选择器和计数器构成。
[0017]参照图1，传感器控制振荡器的输出端接多路分频器的输入端，多路分频器的输出端接多路选择器的输入端，多路选择器的输出端接计数器的一输入端，计数器的另一输入端外接时钟信号；计数器的输出为传感器相对应的数字信号输出。
[0018]参照图2，所述传感器控制振荡器，采用环形振荡器结构，由3个首尾相连的反相器构成反馈回路，湿度传感器电容并联接入反馈回路中，产生频率为荡频率。
[0019]参照图3，所述反相器采用电流受限型(Current-starved)反相器，可使用IV电源电压，电流镜电流为ιομΑ。
[0020]所述多路分频器用于产生多路振荡频率，本实施例中采用2、4、8、16四路分频(参见图1)。
[0021]所述多路选择器用于从多路分频器输出的多路频率中选择适合计数器工作的振荡频率，本实施例中采用4选1通道模式，选择4分频通道。
[0022]所述计数器受系统时钟信号的控制，计算一周期内接收到多路选择器输出的脉冲数，从而产生相应的数字信号输出，本实施例采用lObits计数器，外接时钟信号频率为1kHz，计数器的输出b-为传感器相对应的数字信号输出。
[0023]所述传感器控制振荡器、多路分频器(参见图4)、多路选择器(参见图5)和计数器(参见图6)均可采用基本数字集成电路设计，无需使用运算放大器，电路结构简单，可以工作于较低的电源电压。
[0024]图7为所测试的集成湿度传感器的相对湿度与接口电路输出关系图，由图7可知，本发明的电容式传感器接口电路获得了良好的线性度。
【权利要求】
1.一种低功耗电容式传感器接口电路，其特征在于，由传感器控制振荡器、多路分频器、多路选择器和计数器构成，传感器控制振荡器的输出端接多路分频器的输入端，多路分频器的输出端接多路选择器的输入端，多路选择器的输出端接计数器的一输入端，计数器的另一输入端外接时钟信号；计数器的输出端为数字信号输出端； 所述传感器控制振荡器用于完成将传感器电容值转换为相应的振荡频率； 所述多路分频器用于产生多路振荡频率，消除因工艺偏差导致的传感器电容值与振荡器振荡频率的偏差对接口电路稳定性的影响； 所述多路选择器用于从多路分频器输出的多路频率中选择适合计数器工作的振荡频率; 所述计数器受系统时钟信号的控制，计算一周期内接收到多路选择器输出的脉冲数，从而产生相应的数字信号输出。
2.根据权利要求1所述的低功耗电容式传感器接口电路，其特征在于，所述传感器控制振荡器、多路分频器、多路选择器和计数器均采用数字集成电路设计。
3.根据权利要求1或2所述的低功耗电容式传感器接口电路，其特征在于，所述传感器控制振荡器采用环形振荡器结构，由奇数个反相器首尾相连构成反馈回路，传感器电容并联接入反馈回路中。
4.根据权利要求3所述的功耗电容式传感器接口电路，其特征在于，所述反相器采用电流受限型反相器，反相器的电流受电流镜的限制。
【文档编号】H03K19/0175GK104485938SQ201510016077
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2015年1月13日 优先权日:2015年1月13日
【发明者】何怡刚, 邓芳明, 佐磊, 尹柏强, 李兵, 袁莉芬, 项胜, 何威 申请人:合肥工业大学