[发明专利]一种低功耗高分辨率电容测量电路

说明书

本发明公开了一种低功耗高分辨率电容测量电路，包括模拟前端模块和数模转换器，其中：待测电容一端接地，另一端通过开关连接至所述模拟前端模块；所述模拟前端模块包括输入级、放大级和输出级，当所述开关闭合后，所述输入级通过电容分压将待测电容转换为相应的线性输出电压，线性输出电压经过放大级以提高电压输出摆幅，继而通过电流镜技术传送到所述输出级；将输出级输出的电压值保存在输出电容上，再经过所述数模转换器转换成数字信号后输出。本发明采用电容分压‑电流镜调节技术来检测被测电容的大小变化，有着高分辨的特点，同时具有功耗低、结构简单，易于实现，具有可全集成的优点。

技术领域

本发明涉及模拟前端集成电路技术领域，具体涉及一种低功耗高分辨率电容测量电路(Capacitor to Digital Converter，CDC)，用于将待测电容大小转化为数字信号输出。

背景技术

电容是电学中重要的物理参数之一，电容测量电路在科学和工业应用中得到广泛应用，例如电容感应式的触摸屏；当手指触摸屏幕，触摸屏控制器通过感应自电容或互电容在触摸屏上的大小变化来确定触摸对象的位置。

现阶段电容测量电路包括交流电桥法和交流锁相放大,其中，基于交流电桥的方法采用交流激励，然后使用ADC对电桥的输出进行解调和数字化，以获得与电容变化相对应的数字输出，稳定性好且寄生电容影响小，但此方法需要一个高阻抗、低温漂的运算放大器，因此对工艺条件要求较高，难以集成，且测量误差较大。交流锁相放大电容测量电路低温漂、信噪比高，但电路复杂，功耗大，成本较高，抗杂散性仍有待提高且分辨率只能达到nF级。

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗高分辨率电容测量电路，用以克服现有电容测量电路存在的电路功耗大、分辨率低和电路复杂的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种低功耗高分辨率电容测量电路，包括模拟前端模块和数模转换器，其中：

待测电容Cx一端接地，另一端通过开关S1连接至所述模拟前端模块；

所述模拟前端模块包括输入级、放大级和输出级，当所述开关S1闭合后，所述输入级通过电容分压将待测电容Cx转换为相应的线性输出电压，线性输出电压经过放大级以提高电压输出摆幅，继而通过电流镜技术传送到所述输出级；将输出级输出的电压值保存在输出电容上，再经过所述数模转换器转换成数字信号后输出。

进一步地，所述电容测量电路还包括低压差线性稳压器；

所述低压差线性稳压器分别与模拟前端模块、数模转换器连接，用于为模拟前端模块、数模转换器提供稳定的工作电压使其适应在不同的外部电源电压下工作。

进一步地，所述输入级包括电容C_initial、电容C1、传输门TG1、传输门TG2、传输门TG3、MOS管M1和MOS管M2；其中：

所述待测电容Cx的上极板接地，下极板通过开关S1连接到输入级中的电压节点X；电容C_initial和电容C1的上极板连接电压节点X，C_initial下极板连接地，C1下极板连接MOS管M1的漏极和MOS管M2的源极；MOS管M1的源极连接地，MOS管M2漏极连接电压源VR；MOS管M1和MOS管M2的栅极接控制信号CLK1；传输门TG1连接电压节点X和地，传输门TG2连接输出V1和参考电压Vref，传输门TG3连接电压节点X和输出V1；传输门TG1、传输门TG2的控制信号为CLK1，传输门TG3的控制信号为CLK2。

进一步地，所述输入级的工作过程为：

当CLK1为高电平CLK2为低电平时，MOS管M2和传输门TG3截止，MOS管M1、传输门TG1和传输门TG2导通，将电容C1和电容C_Initial的上下级板均下拉到GND，电压节点X通过传输门TG1拉到地，输出V1通过传输门TG2拉到参考电压Vref；