摘要：在集成微电容式传感器的研讨中，因为灵敏电容值的改动量十分细小，其接口电路的研讨对传感器功能进步是至关重要的。规划了一种根据电流镜原理检测的微电容式传感器接口电路，电路由电容转化电压电路、减法器电路、脉冲电路、缓冲器电路等组成。根据0.18 μm CMOS工艺库对电路进行规划仿真，成果表明该电路便于与灵敏电容兼容，输出电压与灵敏电容成线性联系，其检测精确度高、规模广。
0 导言
跟着微电子技能与微机械加工技能的快速开展，传感器的微型化、集成化、智能化等成为了研讨趋势。根据CMOS MEMS技能将传感部分与接口电路等在同一芯片完结，有利于大批量出产降低成本、减小器材尺度、进步传感器的灵敏度、增强抗干扰才能等。
集成微电容式传感器因为电路集成度高、制程兼容性好等长处被广泛应用在集成传感器的研讨中，如电容式加速度传感器、电容式湿度传感器、电容式压力传感器、电容式气体传感器等。其作业原理是将外界改动的加速度、湿度、压力等非电量转化为电容值的改动，然后再将其转化为易于处理的电学量。
本文研讨一种根据电流镜原理检测的微电容式传感器接口电路，将灵敏电容改动的电容值转化为输出电压值的改动。电路便于与灵敏电容兼容，且输出电压与灵敏电容成线性联系。本电路能够防止使用开关电容电路原理进行检测时由开关切换电荷注入所发生的差错，且电路可根据灵敏电容值的规模进行调理，检测精确度高。
1 电路作业原理
将随外界物理量改动而改动的灵敏电容值转化为电压值的改动是接口电路规划中遍及选用的方法之一。其间，使用开关电容电路原理将灵敏电容值转化为电压值较为常用，这种接口电路具有输出电压线性度高、与CMOS工艺兼容、温度特性好等长处。可是因为开关切换时电荷注入会发生差错，引起输出误差，因而，规划时选用根据电流镜原理进行检测，电路如图1所示。电路经过分时作业的方法，选用对电容的充放电，将电容转化为电压，完结电容到电压信号的读出。
如图1所示，Cs为对外界非电量灵敏电容，Cref为参阅电容。当M1管和M2管作业在饱满区时，则：
若疏忽沟道长度调制的影响，因为M1管的栅极和漏极电位相同，且M1管处于饱满区，因而对灵敏电容Cs充电一段时间t后，Cs上的电压为：
设L1=L2，则：
因而，由公式推导可知输出电压Vm与灵敏电容和参阅电容的比值成线性联系，且电路可根据参阅电容的不同对其灵敏电容值的规模进行调理。
2 电路规划
根据电流镜原理所规划的微电容式传感器接口电路由脉冲电路、电容转化电压电路、缓冲器电路、减法器电路、反相器电路等组成，电路框图如图2所示。
操控灵敏电容和参阅电容充放电的脉冲信号由脉冲电路发生。在电容到电压的转化电路中，因为电流镜只要在输出电压Vm
规划时将MOS管M1和M2的宽长比设为相同，即(W/L)1=(W/L)2。由式(10)可知，输出电压Vo与Cs/Cref成线性联系。当参阅电容值一守时，输出电压随灵敏电容值的改动而改动，因而，能够将随外界待测物理量改动而改动的电容值转化为易于后期电路处理的电压值的改动。
在根据电流镜原理完结的接口电路规划中，运放电路的规划是一个重要的单元，因而电路的规划中也应完结运放电路的规划。运放电路如图4所示。电路由偏置电路、差分输入级和增益扩大级三部分组成，并选用米勒补偿作为频率补偿。
操控灵敏电容和参阅电容充放电的脉冲信号CP1和CP2如图5所示。
3 电路仿真成果与剖析
使用Cadence spectre仿真器和TSMC公司的0.18μm 3.3V CMOS库文件，仿真验证所规划的电路功能。
在低频规模中得到运放的开环增益为63.3 dB，单位增益带宽29.17MHz，相位裕度为65.24，共模按捺比85.2 dB，电源按捺比87 dB，功耗1.81mW。其间开环增益、单位增益带宽和相位裕度如图6和图7所示。
当参阅电容Cref=200fF，灵敏电容Cs=180fF，接口电路的仿真成果如图8所示。
当参阅电容一守时Cref=200fF，灵敏电容Cs=190fF～100fF改动，输出电压Vo的仿真成果如图9所示。
如图9，当灵敏电容Cs=190fF时，输出电压VT(“/vo”)0>为2.54V;当灵敏电容Cs=180fF时，输出电压VT(“/vo”)1>为2.44V;当灵敏电容Cs=160fF时，输出电压VT(“/vo”)3>为2.24V;当灵敏电容Cs=140fF时，输出电压VT(“/vo”)5>为2.035V;当灵敏电容Cs= 120fP时，输出电压VT(“/vo”)7>为1.83V;当灵敏电容Cs=100fF时，输出电压VT(“/vo”)9>为1.62V。
因而，由图9可知，当灵敏电容值线性改动时，输出电压的改动值也为线性，该对应联系与式(10)相符。当参阅电容为Cref=200fF时，灵敏电容Cs=190fF～150fF之间改动线性度好，其电容到电压转化的分辨率为100mV/10fF。该接口电路中也能够经过改动参阅电容值的巨细，以检测不同的灵敏电容值。
4 结束语
针对微电容式传感器接口电路规划了一种根据电流镜原理的检测电路，电路使用CMOS工艺完结，将灵敏电容改动的电容值转化为输出电压值的改动。经过仿真验证，成果表明本电路仿真成果与理论推导相符，其输出电压与灵敏%&&&&&%的线性度高，检测规模广，利于后期电路处理。
