[发明专利]一种C/V集成电容型湿度传感器接口电路

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种C/V集成电容型湿度传感器接口电路，适用于物联网领域。

背景技术

传感器作为人类探知自然界信息的触角，它可将人们需要探知的各种非电量信息转化成可测的电量信息，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。随着现代测量、控制和自动化技术的不断发展，传感器技术已越来越为人们所重视，与通信技术和计算机技术构成现代信息产业的三大支柱，是信息产业的重要基础，它是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材料学等众多学科相互交叉的综合性前沿技术之一，是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。

湿度传感器是一类重要的传感器，在许多领域得到了广泛应用，并起到了重要的作用。例如:精密电子元件制造、航天导弹、火箭的存储、粮食的防霉和高空气象探测等。但是在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计己不满足现代要求的实际需要。因为湿度的测量会受到其他因素(大气压强、温度)的影响，此外，湿度的校准也是一个难题，所以一直来国内外对于湿度传感器的研究都是很活跃的。

电容型传感器是传感器家族中一类重要的传感器。它是利用电容器原理，将非电量转化为电容量，进而转化为便于测量和传输的电压、电流或频率等参量的器件，凡是可以转换为间距、面积和介电常数的量都可以用电容型传感器来测量。与其它类型的传感器相比，具有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好、结构简单、易数字化等优点，在湿度、温度、位移、压力、厚度、振幅、液位、成分分析等测量方面得到了非常广泛的应用，是一种具有良好发展前景的传感器。传感器信号处理电路的作用是将传感器产生的信号转换成为可供分析、计算、显示及处理的电信号，是一个非常重要的连接环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度，甚至决定了测量系统的实现。

然而，随着电容型传感器的不断发展与应用，对于电容测量电路的要求也越来越高。在现阶段测量微小电容主要有以下几方面的困难：（1）电容型传感器电容值不可能大，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，一般为作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，如果没有相应的小信号检测电路，那么根本无法实现传感器的实用化，因此采用专用的接口集成电路进行检测和处理成为微电容传感器的重要方法；(2)测量电路一般要使用一定量的电子开关，但电子开关的电荷注入效应对测量系统的影响难以消除。

发明内容

本发明提供一种C/V集成电容型湿度传感器接口电路，第一级采用折叠式共源共栅结构，提供了较高的增益；第二级采用共源级结构，提供了较高的输出摆幅。偏置电路采用带自启动的自举基准电流源，从而减小电源电压对电容充放电的影响。电路灵敏度高、动态响应快、稳定性好、结构简单、易数字化，且具有良好的抗干扰性和可靠性。

本发明所采用的技术方案是：

C/V集成电容型湿度传感器接口电路由折叠式共源共栅运放、基准电流源、偏置电路、补偿电路组成。

所述折叠式共源共栅电路为第一级电路，差分输入对可采用NMOS或PMOS来实现，采用NMOS作为差分输入对，可以提供较高的跨导，有利于提高运放的直流增益，但需要采用PMOS作为共源共栅管，在同样的偏置条件下，PMOS管的跨导为NMOS管的1/2～1/3，限制了运算放大器的次极点频率；若采用PMOS作为差分输入对，运放具有较低的噪声和较高的次极点频率，但直流增益较小。基于对直流增益和单位增益带宽的折中考虑，采用了PMOS作为差分输入对。其输出摆幅较低的问题可由第二级运放解决。

所述基准电流源电路中，M1和M2使得电流I2和12相等。I2流经M4产生电压VGS4，I1流过电阻R2产生电压I1R2。因为这两个电压连在一起，就确定出一个平衡点。为了避免电路选择错误的平衡点，设计了启动电路。如果电路处在不希望的平衡点，I1，I2都等于0。M23将提供M4的电流使得电路工作转移到平衡点Q。随着电路工作接近Q点，M23的源极电压增加，使得M23的电流减小。在Q点，M4的电流应与M2的电流相等。