[发明专利]直接式电容至数字转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接式电容至数字转换器，尤其是可直接感测出电容，不 须外加放大器，直接转换成精确的数字信号。

背景技术

随着数字科技的快速进步以及半导体制程的开发，电子业界已发展出高度 整合性且运算能超强的处理器或绘图芯片，但是这些功能强的数字芯片需要数 字输入信号才能运作，而实际的电气信号大多是模拟信号，因此业界开发出许 多种类的模拟至数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)，以符合不同场 合的需求，比如高速或高分辨率的模拟至数字转换器。而模拟电气信号通常是 由传感器所产生，比如压电传感器、光度传感器、温度传感器、超音波传感器、 速度传感器或湿度传感器，尤其是近年发展快速应用于微机电(Micro Electro  Mechanical Systems，MEMS)的传感器，已广泛的应用于不同的消费电子领域， 其中最受人瞩目的有任天堂新近推出的Wii游戏机，其特色便是以MEMS技 术为基础的三轴加速度传感器，并配合无线控制器，以达到高度创新性的娱乐 效果，另外触控式屏幕也是引用此技术的火红应用。

这些应用都是透过传感器再经过放大器再接至ADC，而∑-Δ(Sigma-Delta) ADC是其中较常使用的ADC。

参阅图1，现有技术中感应电容转换装置的功能方块图。如图1所示，感 应电容转换装置1包括传感器10、感测放大器20、偏压电路30以及ADC 40， 其中感测放大器20将传感器10的输出信号进行放大处理，再通过ADC 40转 换成数字信号，而偏压电路30提供适当的偏压电压给感测放大器20与ADC 40。

参阅图2，图1的较详细示意图，其中传感器10的电气模型是以电容CS 以及等效输入阻抗R表示，电容CS因外在环境变化所导致的电容变化为Δ CS，而在偏压电压Vbias下，电容CS的变化产生电压变化ΔVCS，经感测放 大器20放大后输入给ADC 40。以第一级∑-ΔADC的架构为例，ADC 40具 有第一级转换电路41以及比较器45，其中第一级转换电路41包括减法器42、 加法器43、延迟器44以及数字至模拟转换器(Digital-to-analog converter， DAC)46，DAC 46将比较器45的数字输出电压Vout转换成模拟信号，经减法 器42取出感测放大器20的输出信号与DAC 46的输出信号的差额，再经加 法器43加上延迟器44的输出信号，并输出给延迟器44，以完整个ADC操作。 因∑-ΔADC为众所周知的技术，在此仅作摘要性说明。

在图2中，杂散电容C2连接到电容CS以及接地，表示因制程误差或电 路配置而产生的额外等效电容，且随着制程与电路的不同，杂散电容C2的电 容大小也会不同。

此外，在一般的∑-ΔADC架构中，为提高ADC的分辨率，常常使用多 级串接的架构，即第一级转换电路41的输出信号可传送给下一级的转换电路， 而最后一级的转换器才连接到比较器。

但是，现有技术的缺点为需要能产生电压的偏压电压的偏压电路，以及一 级放大电路，以提高感测灵敏度，但对于一般的集成电路制程而言，具有相当 严苛的挑战来克服偏压电路的噪声，且不容易整合到其它现有低压操作的功能 方块中。

现有技术的另一缺点为需要高质量的放大器，以便将非常低的感应电容电 压转换到ADC可处理的电压范围内，而建置该放大器需占用相当大的芯片面 积，使得芯片成本升高，同时放大器的偏置(Offset)及增益(Gain)，噪声(Noise)， 均会增加讯号的误差。

现有技术的另一缺点为，因制程误差或电路配置而产生的杂散电容会降低 整体ADC的精确度，且随着制程与电路而变动，造成ADC的不稳定性。

因此，需要一种直接式电容至数字转换器，通过ADC将待测组件的电容 变化信号转换成数字信号的转换装置，省去感测放大器以及偏压电路，进而缩 小芯片面积，并解决杂散电容对整体ADC的不稳定性影响，提高ADC的精 确度。

发明内容

本发明的主要目的在提供一种直接式电容至数字转换器，利用激发单元控 制多个开关，配合参考电压电路所输出的参考电压，直接感测出待测电容变化， 并直接转换成数字信号，以提高数字信号的精确度，并且将多个开关、转换器、 参考电压电路、控制器整合到单一芯片内，以构成整合性单芯片，而不需额外 建置高压的偏压电路以及高质量的感测放大器。