[发明专利]基于功耗自感知动态电荷域放大器阵列电容传感芯片

说明书

本公开提供了基于功耗自感知动态电荷域放大器阵列电容传感芯片，所述电容传感芯片基于缩放Zoom型架构，包括：至少两级架构进行电容量化，其中，一级架构采用逐次逼近算法SAR进行粗量化以及二级架构采用调制器DELTA‑SIGMA进行细量化。本公开采用不同于传统静态/动态放大器构成的DELTA‑SIGMA，而是采用一种高能效的悬浮电容供电的反相器型放大器，有效提高电荷利用效率，无需共模反馈电路，有效节省DELTA‑SIGMA中积分器的功耗开销，极大提升系统能效，并且为了增大输入动态范围，采用了Zoom架构，第一级采用SAR CDC对输入进行粗量化，后级的DELTA‑SIGMA进行后续的细量化，并采用一种功耗自感知的动态电荷域放大器阵列的方法，能根据输入电容的大小，自适应分配后级放大器的驱动能力。

技术领域

本申请涉及集成电路技术领域，具体涉及基于功耗自感知动态电荷域放大器阵列电容传感芯片。

背景技术

物联网技术作为一种新兴的应用技术，主要分为传感层，传输层和计算层三个层面，其中传感层主要负责的是高能效、高精度地采集环境中的物理信号，这种物理信号种类繁多，例如：湿度、压力、加速度、位移、温度等等。这些传感芯片若要在物联网节点广泛部署，需要考虑部署成本和后期维护成本，因为有限的电池容量对传感芯片的整机功耗提出了更高的要求。电容传感作为一种高能效、低成本的传感方案，广泛应用于多种传感场景，例如：湿度、压力、加速度、位移传感等。传统的电容传感有基于SAR的电容传感(SAR-basedCDC)，基于DELTA-SIGMA的电容传感(ΔΣ-based CDC)、基于频率锁定环路的电容传感(FLL-based CDC)、基于Zoom架构的电容传感(Zoom-based CDC)。其中基于SAR的电容传感通常具有更高的能效，但是转换分辨率较低，在实际传感应用时会受到精度不足的限制；基于DELTA-SIGMA的电容传感具有较高的转换分辨率，但是通常积分器都需要一个高耗能的放大器，从而恶化能效；基于频率锁定环路的电容传感也具有较高的精度，但是环路中的有源滤波器和偏置电路会消耗大量功耗，从而恶化能效；传统Zoom架构的电容传感存在较大的冗余，并且DELTA-SIGMA的设计是按照最大电容输入进行设计的，在小输入信号的情况下，能效会恶化，需要在能效和动态范围之间做权衡。因此亟待一种高能效、高精度、大动态范围的电容传感芯片技术，在保证能效的情况下兼容不同类型的传感器，从而推动电容传感器芯片在超低功耗物联网场景的应用。

发明内容

为解决现有技术不能满足用户需求一种高能效、高精度、大动态范围的电容传感芯片的技术问题。

为实现上述技术目的，本公开提供了一种电容传感芯片，所述电容传感芯片基于缩放Zoom型架构，包括：

采用悬浮电容供电的放大器；

其中，所述放大器具体为采用悬浮电容供电的反相器型放大器阵列；

阵列规模为N-bit，拥有2^N个放大器单元，N为正整数；

所述反相器型放大器阵列具体采用CMOS互补的反相器结构；

悬浮电容两端通过断开开关以及闭合开关将所述电容传感芯片的电容极板分别接到电源和地；

至少两级架构进行电容量化，其中，一级架构采用逐次逼近算法SAR进行粗量化以及二级架构采用调制器DELTA-SIGMA进行细量化；

功耗感知模块，用于电容传感对输入量化后，输出的控制码以控制后级电路的功耗开销。

进一步，所述一级架构的具体结构为：

依次连接的逐次逼近算法SAR单元、电容阵列DAC、比较器以及待测的输入传感电容。

进一步，所述二级架构的具体结构为：

依次连接的不少于一个积分器、比较器以及电容阵列DAC或参考电容C_ref。