CN101198876A

CN101198876A - 电容-电压转换方法及装置

Info

Publication number: CN101198876A
Application number: CNA2006800214061A
Authority: CN
Inventors: O·尼赫里格; R·甘兹
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2026-06-19
Also published as: US7663379B2; DE102005028507B3; KR20080021143A; JP2008546994A; EP1894026A1; WO2006134176A1; EP1894026B1; CN101198876B; US20060284603A1

Abstract

一种利用外部传感电容器(CP)和在集成读出电路上实现的电容－电压转换器(14)的电容－电压转换的方法，该集成读出电路包括参考电容器(CR)、采样电容器(Cs)和采样放大器(22)，且其输入端(16)连接到传感电容器(CP)。该方法包含以下步骤：a)向串联的传感电容器(CP)和参考电容器(CR)施加参考电压(Vref)，并将采样电容器(Cs)充电到传感电容器(CP)和参考电容器(CR)之间的互联节点(A)处的电位；b)将采样电容器(Cs)连接到采样放大器的输入端。该方法进一步包含以下步骤：c)向串联的传感电容器(CP)和参考电容器(Cs)施加极性与步骤a)中极性相反的参考电压(Vref)，并将采样电容(Cs)充电到传感电容器(CP)和参考电容器(CR)之间的互联节点(A)处的电位，以及d)将采样电容器(Cs)以与步骤b)中极性相反的极性连接到采样放大器的这些输入端。

Description

电容-电压转换方法及装置

技术领域

【001】本发明涉及一种利用外部传感电容器(sensor capacitor)和在集成读出电路上实现的电容-电压转换器的电容-电压转换的方法，该集成读出电路包括参考电容器、采样电容器和采样放大器，且该集成读出电路具有与传感电容器相连接的输入端。本发明进一步涉及一种在集成读出电路上实现的电容-电压转换器，所述集成读出电路用于读出外部传感电容器并包括参考电容器、采样电容器和采样放大器，传感电容器连接到电容-电压转换器的输入端。本发明进一步涉及一种轮胎压力监控汽车系统，包括用于要被监控的每个轮胎的含有传感电容器和电容-电压转换器的压力传感器。

背景技术

【002】在使用电容传感器元件的应用中需要电容-电压转换器。这些应用包括轮胎压力测量系统，加速度测量系统及其他。这些系统一般包括外部电容传感器，该外部电容传感器位于包括读出电路的集成电路之外。例如，电容传感器的电容随压力变化。对于进一步的处理，如通过模-数转换器进行数字化，这一电容转变为通过电容-电压转换器随电压变化的电容。

【003】一般地，电容传感器元件和读出电路被共同组装到印刷电路板上。一个要求是读出电路的输入引脚必须能经受住静电放电，例如，依据人体模型高达2kV的电压。这种保护通过ESD(静电放电)保护电路来实现。但是，这些ESD保护电路导致随温度升高的衬底泄漏电流。在汽车环境中，该温度范围高达125摄氏度。在这一高温下，传统ESD保护电路导致典型值为50nA的泄漏电流。这一泄漏电流伪造(falsify)电容读出信号；并由此，伪造要被数字化的电压。特别是，泄漏对温度的依赖性引发问题。

【004】提高电容测量精度的一种方法是最小化泄漏电流。因此，使用特别的ESD保护电路是必要的，但是这会导致集成读出电路的成本升高同时降低ESD保护性能。另外，由于印刷电路板上的灰尘或潮气或由于组装问题，以及由于芯片内部的电阻元件，不依赖于ESD保护电路，泄漏电流也会产生。

【005】因此，需要有即使在使用标准ESD保护电路时也能抵偿任何泄漏电流效应的电容-电压转换方法。

发明内容

【006】本发明提供了一种利用外部传感电容器和在集成读出电路上实现的电容-电压转换器的电容-电压转换的方法，该集成读出电路包括参考电容器、采样电容器和抵偿任何泄漏电流的采样放大器。该集成读出电路具有与传感电容器相连接的输入端。该方法包含如下步骤：a)向串联的传感电容器和参考电容器施加参考电压，并将采样电容器充电到传感电容器和参考电容器之间的互联节点处的电位；b)将采样电容器连接到采样放大器的输入端；以及c)向串联的传感电容器和参考电容器施加极性与步骤a)中相反极性的参考电压；据此采样电容被充电到传感电容器和参考电容器之间的互联节点处的电位，以及在步骤d)中，采样电容器以与步骤b)中相反的极性被连接到采样放大器的这些输入端。

【007】因此，参考电压被两次施加到串联的传感电容器和参考电容器上但极性相反。采样电容器也被两次充电，并两次连接到采样放大器，两次的极性也相反。结果，泄漏电流对所测量电压的任何贡献都被抵偿。在优选实施例中这些交替步骤被重复多次。多次应用步骤a)到d)可以通过使采样时间的抖动最终得到平衡而改善泄漏抵偿效应。

【008】当对仅有两个端子的廉价电容式传感器进行读出时遇到的问题是要传送差分输出电压，其对于电源和接地噪声的不敏感性是必要的。在优选实施例中，采样电容器被连接到采样放大器的差分输入而由采样放大器生成差分输出电压。采样电容器优选被连接成浮动的，以便于不需要精确的共模调节。因此精确的测量可以以成本有效的方式，即传送差分输出电压来实现。处理电路的差分方法对于50dB或更好的信噪比是必要的。

【009】本发明进一步提供了在集成读出电路上实现的、用于读出外部传感电容器的电容-电压转换器，其包括参考电容器、采样电容器和采样放大器，同时具有与传感电容器相连接的输入端，该电容-电压转换器进一步包括配电装置(switching arrangement)，其用来选择性地a)连接串联的传感电容器和参考电容器到参考电压源，并连接采样电容器到传感电容器和参考电容器之间的互联节点。该配电装置允许b)连接采样电容器到采样放大器的输入端，然后c)连接串联的传感电容器和参考电容器到极性与特征a)中极性相反的参考电压源，并连接采样电容器到传感电容器和参考电容器之间的互联节点，同时进一步允许d)以与特征b)中的极性相反的极性连接采样电容器到采样放大器的输入。

【010】采样放大器优选具有差分的输入和输出，因此对电源和接地噪声不敏感。在优选实施例中采样放大器的每个输出通过反馈电容器被回送给一个不同的差分输入。

【011】本发明进一步提供了轮胎压力监控汽车系统，该系统包括对于要被监控的每个轮胎的压力传感器，所述压力传感器含有传感电容器和发明的电容-电压转换器。

附图说明

【012】图1示意性地示出了与电容式传感器相连的电容-电压转换器；

【013】图2a示意性地示出了在第一采样阶段中传感电容器、参考电容器和采样电容器的互联；

【014】图2b示意性地示出了在第一传输阶段中采样电容器与采样放大器的连接；

【015】图3示意性地示出了在采样阶段泄漏电流的影响；

【016】图4a示意性地示出了在第二采样阶段中传感电容器、参考电容器和采样电容器的互联；

【017】图4b示意性地示出了在第二传输阶段中采样电容器与采样放大器的连接；

【018】图5-图8示出了发明的电容-电压转换器的优选实施例，其示出了第一采样阶段、第一传输阶段、第二采样阶段和第二传输阶段的一个状态的配电装置。

具体实施方式

【019】图1示意性地示出了发明的电容-电压转换器14和与它在输入端16相连的传感电容器C_P。该电容-电压转换器14是在集成读出电路上实现的。传感电容器C_P和电容-电压转换器14通常被共同安装在电路板上。集成读出电路包括连接于输入端16和地之间的两个ESD保护电路18、采样电容器C_S、参考电容器C_R以及进一步的读出电路20。所显示的连接于输入端16之一和地之间的电阻R是寄生电阻，例如，它可能由电路板上的灰尘或潮气形成。读出电路20包括采样放大器和参考电压源，它们未在图1中显示。两个ESD保护电路18保护读出电路20免受静电放电的影响。输入端16中的一个输入端被直接连接到读出电路20，而另一个输入端被连接到互联节点A，该互联节点A与采样电容器C_S和参考电容器C_R互连。两个电容器C_S和C_R均通过它们的另一个极板被连接到读出电路20。在操作中，存在通过ESD保护电路18并同时通过寄生电阻R的泄漏电流。

【020】现在通过参考图2a-图4b更详细地解释发明的电容-电压转换方法。图2a展示了在第一采样阶段中传感电容器C_P、参考电容器C_R和采样电容器C_S的互联。传感电容器C_P和参考电容器C_R相互串联在一起。传感电容器C_P的一个极板被连接到电位V_refp，而参考电容器C_R的一个极板被连接到电位V_refm。因此，参考电压V_ref＝V_refp-V_refm被电容分压器分割，该电容分压器由两个电容器C_P、C_R形成。互联节点A处的电压决定于参考电容器C_R和传感电容器C_P的电容之比。由于参考电容器C_R的电容为常数，互联节点A处的电压随传感电容器C_P电容值的变化而变化。在采样阶段采样电容器C_S被连接于互联节点A和电位V_m之间，使得采样电容器C_S依靠互联节点A处的电位被充电。存储于C_S中的电荷Q_S定义为：

Q_{S} = V_{S} \cdot C_{S}

其中V_S为采样电容器C_S上的电压降

= C_{S} \cdot \frac{V_{m} \cdot (C_{R} + C_{P}) - V_{ref} \cdot C_{P}}{C_{P} + C_{R} + C_{s}}

其中V_ref＝V_refp-V_refm

【021】图2b展示了在第一采样阶段之后的传输阶段，其中在第一采样阶段采样电容器C_S被充电。采样电容器C_S被连接到采样放大器22的差分输入端，该采样放大器22被包含于集成读出电路20中。在传输阶段采样电容器C_S上的电荷被传输给采样放大器。在采样放大器22的差分输出端出现输出电压Vout。采样放大器22的每个输出通过反馈电容器C_f被回送给一个不同的差分输入端。采样放大器22的输出电压Vout与存储于采样电容器C_S中的电荷成比例。输出电压Vout被定义为：

V_{out} = 2 \cdot \frac{Q_{S}}{C_{f}}

【022】目前为止，已针对理想电路讨论了采样阶段和传输阶段。但是传感电容器C_P在集成读出电路之外且存在泄漏电流。在传感电容器C_P的两个极板都会产生泄漏，但有关系的仅是高阻抗互联节点A处的泄漏。图3通过泄漏电阻R_L来表现该泄漏，泄漏电流I_V流过该泄漏电阻R_L。I_V是通过图1所示的ESD保护电路和寄生电阻R所产生的泄漏电流。因此，在采样阶段中存储于采样电容器C_S中的电荷Q_S降低一定电荷量ΔQ，ΔQ通过泄漏电流I_V被传送到地。当考虑这一泄漏电流时，在采样阶段结束时存储于采样电容器C_S中的电荷Q_S为：

Q_{S} = V_{S} \cdot C_{S} - I_{v} \cdot t

其中I_v·t＝AQ

= C_{S} \cdot \frac{V_{m} \cdot (C_{R} + C_{P}) - V_{ref} \cdot C_{P}}{C_{P} + C_{R} + C_{s}} - ΔQ

其中V_ref＝V_refp-V_refm

【023】这一泄漏电流导致前面提到的测量误差。

【024】在本发明的方法中电容性分压器在第二时间被接通但其极性相反以抵偿泄漏电流的影响。图4a展示了在第二采样阶段中电容器的配置。传感电容器C_P和参考电容器C_R在互联节点A处相连。它们串联连接，但是与采样阶段1相反的是，这时参考电容器C_R被连接到电位V_ref，而这时传感电容器C_P被连接到电位V_refm。和第一采样阶段相同，采样电容器C_S被连接于互联节点A和电位V_m之间并被充电。图3所示的泄漏电流I_V总是流向芯片的接地点。由于与第一采样阶段相比，在第二采样阶段中参考电压的极性被反转，采样电容器C_S上的电压V_S也改变极性而泄漏电流I_V并不改变方向。图4b展示了第二传输阶段。采样电容器C_S的极板这时被连接到采样放大器22的正输入端，而在第一传输阶段该极板被连接到采样放大器22的负输入端。因此，采样电容器C_S以极性相反于传输阶段1的极性被连接到采样放大器22的这些输入端。所以，在采样阶段完成的极性改变被补偿。由于在两个传输阶段反馈电容器C_f中的电荷被保存，两个传输阶段的输出电压被平均，这抵偿了泄漏电流I_V的影响。在传输阶段中使采样电容器C_S浮动地连接到放大器的差分输入端的优势在于对全差分放大器不需要精确的共模调节。这使得更廉价地实现这种全差分放大器成为可能。

【025】共同审视这两个采样阶段和两个传输阶段可以得到以下计算，该计算表明泄漏电流I_V的影响被抵偿。

在第一采样阶段中电荷为：

Q_{S}^{I} = C_{S} \cdot \frac{V_{m} \cdot (C_{R} + C_{P}) - V_{ref} \cdot C_{P}}{C_{P} + C_{R} + C_{s}} - Δ Q^{I}

采样阶段I中的电荷

【026】在第二采样阶段中极性被改变，所以电荷为

Q_{S}^{II} = C_{S} \cdot \frac{V_{m} \cdot (C_{R} + C_{P}) - V_{ref} \cdot C_{R}}{C_{P} + C_{R} + C_{s}} - Δ Q^{II}

采样阶段II中的电荷。

【027】由于反馈电容器C_f保存了在第一传输阶段中收集的电荷，所以在采样放大器22的输出终端有输出电压，该输出电压是两个传输阶段输出电压的和：

V_{out} = 2 \cdot \frac{Q_{S}^{I} - Q_{S}^{II}}{C_{f}}

V_{out} = \frac{2}{C_{f}} \cdot (C_{S} \cdot \frac{V_{m} \cdot (C_{R} + C_{P}) - V_{ref} \cdot C_{P}}{C_{P} + C_{R} + C_{s}} - Δ Q^{I} - C_{S} \cdot \frac{V_{m} \cdot (C_{R} + C_{P}) - V_{ref} \cdot C_{R}}{C_{P} + C_{R} + C_{s}} + Δ Q^{II})

其中ΔQ^I≈ΔQ^II，这对于大约相同的采样时间和不变的泄漏电流是正确的，则该输出电压为：

&DoubleRightArrow; V_{out} = 2 \cdot \frac{C_{S}}{C_{f}} \cdot (\frac{V_{m} \cdot (C_{R} + C_{P}) - V_{ref} \cdot C_{P} - V_{m} \cdot (C_{R} + C_{P}) + V_{ref} \cdot C_{R}}{C_{P} + C_{R} + C_{s}})

&DoubleRightArrow; V_{out} = 2 \cdot \frac{C_{S}}{C_{f}} \cdot (\frac{V_{ref} \cdot C_{R} - V_{ref} \cdot C_{P}}{C_{P} + C_{R} + C_{s}}) = 2 \cdot V_{ref} \cdot \frac{C_{S}}{C_{f}} \cdot \frac{C_{R} - C_{P}}{C_{P} + C_{R} + C_{S}}

【028】泄漏电流的影响被抵偿；输出电压仅依赖于所施加的参考电压V_ref以及采样电容器C_S、参考电容器C_R、传感电容器C_P和反馈电容器C_f的电容值。

【029】图5-图8展示了在优选实施例中的实现。电压V_refp、V_refm和V_m被施加到电路上，差分输出电压V_outp、V_outm为输出。包含于电路中的是采样电容器C_S、参考电容器C_R、传感电容器C_P和反馈电容器C_f以及采样放大器22和具有多个开关的配电装置，这些开关允许在不同的阶段之间进行改变。图5展示了第一采样阶段一个状态的电容-电压转换器。采样电容器C_S被连接到参考电容器C_R和传感电容器C_P的互联节点。图6展示了第一传输阶段一个状态的电容-电压转换器，这时采样电容器C_S与电容器C_R、C_P断开而被连接到采样放大器22的输入端。图7展示了第二采样阶段一个状态的电容-电压转换器。与图5中的状态相比参考电压被反转，这时传感电容器C_P被连接到V_refm，而这时参考电容器C_R被连接到V_refp。图8展示了第二传输阶段一个状态的电容-电压转换器。与图6中的状态相比采样放大器22输入端的采样电容器C_S的极性被反转。

【030】即使使用便宜的传感电容器或温度高达125℃时，所描述的发明的电容-电压转换器仍可给出精确的测量。因此它在被用于轮胎压力监控系统方面具有优势，该监控系统具有电容范围在约5-20pF的传感电容器和用于每个轮胎的电容-电压转换器。

Claims

1.一种利用外部传感电容器(C_P)和在集成读出电路上实现的电容-电压转换器(14)的电容-电压转换的方法，该集成读出电路包括参考电容器(C_R)、采样电容器(C_S)和采样放大器(22)，该集成读出电路的输入端(16)连接到所述传感电容器(C_P)，该方法包括以下步骤：

a)向串联的传感电容器(C_P)和参考电容器(C_R)施加参考电压(V_ref)，并将所述采样电容器(C_S)充电到所述传感电容器(C_P)和所述参考电容器(C_R)之间的互联节点(A)处的电位；

b)将所述采样电容器(C_S)连接到所述采样放大器(22)的输入端；

c)向所述串联的传感电容器(C_P)和参考电容器(C_S)施加极性与步骤a)中相反的参考电压(V_ref)，并将所述采样电容器(C_S)充电到所述传感电容器(C_P)和所述参考电容器(C_R)之间的所述互联节点(A)处的电位；以及

d)将所述采样电容器(C_S)以与步骤b)中相反的极性连接到所述采样放大器(22)的所述输入端。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤a)-d)被重复多次。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中在步骤b)和步骤d)中所述采样电容器(C_S)被连接到所述采样放大器(22)的差分输入端并由所述采样放大器(22)生成差分输出。

4.一种在集成读出电路上实现的电容-电压转换器(14)，所述集成读出电路用于读出外部传感电容器(C_P)并包括参考电容器(C_R)、采样电容器(C_S)和采样放大器(22)，所述电容-电压转换器的输入端(16)与所述传感电容器(C_P)相连接，该电容-电压转换器进一步包含配电装置，其用来选择性地

a)连接串联的传感电容器(C_P)和参考电容器(C_R)到参考电压源并连接所述采样电容器(C_S)到所述传感电容器(C_P)和所述参考电容器(C_R)之间的互联节点(A)；

b)连接所述采样电容器(C_S)到所述采样放大器(22)的输入端；

c)连接所述串联的传感电容器(C_P)和参考电容器(C_R)到极性与特征a)中相反的所述参考电压源，并连接所述采样电容器(C_S)到所述传感电容器(C_P)和所述参考电容器(C_R)之间的所述互联节点(A)；

d)将所述采样电容器(C_S)以与特征b)中相反的极性连接到所述采样放大器(22)的输入端。

5.根据权利要求4所述的电容-电压转换器(14)，其中所述采样放大器(22)具有差分输入端。

6.根据权利要求5所述的电容-电压转换器(14)，其中所述采样放大器(22)的每个输出通过反馈电容器(C_F)被回送给一个不同的差分输入端。

7.根据权利要求4-6中任何一个所述的电容-电压转换器(14)，其中所述集成读出电路包括与所述输入端(16)相联接的ESD保护电路(18)。

8.根据权利要求4-7中任何一个所述的电容-电压转换器(14)，其中所述传感电容器(C_P)与气动压力传感器相联接。

9.根据权利要求4-7中任何一个所述的电容-电压转换器(14)，其中所述传感电容器(C_P)与加速度传感器相联接。

10.一种轮胎压力监控汽车系统，该系统包括用于每个要被监控的轮胎的压力传感器，该压力传感器具有根据权利要求4-8中任何一个所述的传感电容器(C_P)和电容-电压转换器(14)，所述传感电容器(C_P)被连接到该电容-电压转换器的输入端。