如何用差频电路实现微电容式传感器检测电路的温漂抑制？

　　电容式传感器是将被测的非电量变化转换为电容量变化的一类传感器，由于它具有灵敏度高、功耗低、温度漂移小等优点，因此广泛应用在压力、湿度、温度和加速度等测量中。MEMS（微电子机械系统）传感器体积小的特点决定了敏感电容器的电容值不可能大，一般为pF量级，而由这些物理量引起的微电容的变化更加微小，一般为fF甚至aF量级。如此小的变化量对检测电路的设计是一个挑战。传统的用分立元件搭制检测电路的方法将无法适应传感器电容不断减小的趋势，因此设计匹配的接口集成电路是十分必要的。常用的低值电容测量电路都是把电容的变化转变为电压或频率。目前大多数国外MEMS传感器厂家采用开关电容电路作为电容信号的接口。这一电路的特点是精度高、可实现与传感器的高度集成，但电路结构相对复杂，对于工艺精度要求较高。其次是采用振荡法将敏感电容变化转换为频率或周期，电路简单，易于实现，输出的频率信号具有准数字输出的特点，便于测量。本文介绍的电路正是基于这种原理。
　　1微电容检测
　　已推导的基于施密特触发器检测电容的方法不同，为了避免输出频率受电源电压、温度变化和工艺波动的影响，本实验室开发的微电容式传感器检测电路在张弛振荡器的基础上设计了一种差频电路，其模块示意图如图1所示。本文对敏感电容检测电路的流水芯片进行了测试和分析，并搭建了图1所示结构的整个电路，仿真并测试了该电路的温漂特性。
　　
　　2接口电路的分析与改进
　　2.1振荡器电路
　　图2是本实验室已经流片的敏感电容振荡电路。该电路由开启电路、恒流源、CMOS开关、施密特触发器以及反相器组成。
　　
　　由图3和图4可见，该电路实现了输出波形的频率与敏感电容的变化成反比的关系，从振荡器的输出端读取频率完全可以检测到传感器电容的变化。但是存在两个问题：一是输出频率过大，不方便单片机读数；二是输出频率仍然受电源电压、温度变化和工艺波动的影响。
　　
　　2.2差频电路
　　在检测电路中利用D触发器实现差频功能。D触发器为下降沿触发的CMOS主从触发器。敏感电容转换的波形从D端输入，参考电容转换的波形从CK端输入，输出为两个波形的频率之差。这样可以提高电路的灵敏度，改善单边电路的温度、电源电压抑制等对电路性能的影响。
　　下面分析D触发器的差频原理。由前面设定的条件，信号频率大于时钟频率，定义输入信号的周期与时钟信号的周期之差为△T，即
　　
　　首先假设存在一个整数，使得各方波之间满足以下关系：
　　
　　在t0刻，Vin和Vck同为下降沿，Vout应跟随Vck的原状态输出高电平。那么，由△T=Tin-Tck，在Vck第2个下降沿到来时，比Vin的第2个下降沿要迟一个△T，此时Vin为高电平。由下降沿触发的D触发器的真值表（见表1）可知，此时Vout必输出低电平，见图5。
　　
　　经n个周期，使得（n-1）△T≤Tin／2，n△T》Tin／2时，Vck下降时Vin为高电平，输出跳变为高电平。经过λTck的时间，Vin比Vck多走了一个周期，再次同时达到下降沿，但Vout仍为输出高电平。（λ+1）Tck时，Vck下降沿到来，此时Vin为高电平。Vout再次跳变到低电平。取两次Vout下降沿的距离作为Vout的周期，得
　　
　　对于t0时刻Vin的上升沿与Vck下降沿重合的情况，分析与上面完全类似，可得到相同的结果。
　　下面考虑更一般的情况。当Tin不是△T的整数倍时，仍假设t0时刻输入不同频率，不同占空比时Vout和Vck同为下降沿，分析过程同上，不同的是，在Vout经过λTck的时间后，由于Tin不是△T的整数倍，Vin和Vck无法再次同时达到下降沿，对于下一周期的分析将无法套用以上的过程。
　　因此考虑一个相对长的时间内，t0到t0+T之间各信号频率的关系。Vin走了T／Tin个下降沿，T／Tin或T／Tin+1个上升沿，Vck走了T／Tck个下降沿。Vin比Vck多走了T／Tin-T／Tck个周期。按以分析方法可得出，Vout会有T／Tin-T／Tck个下降沿，可以认为Vout周期为：
　　
　　由式（13）可以看出，通过两个相同电路的频率求差，电源、阈值电压和温度对频率的影响中各自主要的一项被消去，大大降低了对电容-频率特性的影响。
　　2.3接口电路的温漂特性
　　根据半导体理论，MOS管阈值电压可表示为：
　　
　　分别将-40℃～60℃代入式（14）、式（15），终得到各温度下对应的阈值电压值。从而知道阈值电压的随温度的升高而减小，又已知输出频率受工艺波动成正比关系，由此推断输出频率随温度升高而降低。这将在后面的仿真测试中得到进一步验证。
　　3设计和模拟结果
　　作为传感器的接口电路，希望在环境温度变化的情况下可以得到稳定的输出频率。在温度变化范围在-40℃～60℃、参考电容为14.5 pF的情况下，对图1检测电路分别进行了仿真和测试。观察图6、图7可以发现：输出频率与温度近似成反比关系，进一步验证了上述对温漂特性分析结论的正确性；差频后的温度系数大约为14 Hz／℃，对于灵敏度为46 fF／hPa的气压传感器，相对于10.04：Hz／fF的灵敏度温度的影响是可以忽略的；差频前的测试数据曲线与仿真的数据曲线有一个距离，这是与电流源在实际工作中的电流值偏小有关，但并不影响整体电路输出结果的检测；测试曲线的斜率大于仿真曲线斜率，这是由于仿真中只考虑了温度变化引起的阈值电压变化，而实际测试中温度变化引起的工艺参数和器件参数的变化以及搭建电路受到的测试环境的各种干扰都将影响测试的数据。这可以在后续工作中通过考虑封装提高可靠性。结果表明，差频结构可滤去绝大部分影响，以至将温度的影响完全抑制在精度的允许范围内。
　　
　　本电路的目的是为本实验室新一代传感器提供一个读出接口。通过前期对传感器的准确测试，传感器的基本电容约为10 pF，变化从7 pF到14 pF。该电路的参考电容值为14.5 pF，为了使传感器输出频率大于参考频率并满足2fd／3
　　4 结束语
　　通过SPICE仿真，可以看出，改进后的电路结构满足了提出的各项目标。由于该电路是用频率的变化反映敏感电容的变化，具有准数字输出的特点，只要用一个计数功能的单片机，即可实现信号的采集。
　　工艺的波动会对电路的电容-频率转换特性产生影响，从而引起流片结果个体间的差异。因此，必须对每个传感器分别定标，这样，工艺的波动才不会使单个传感器产生偏差。