CN112436813A - 一种全差分自适应增益控制电容检测前端电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全差分自适应增益控制电容检测前端电路，全差分开关电容C‑V转换电路经全差分可变增益放大器与低功耗自适应增益控制环路连接，通过调控充电电流的大小调整共模电压的幅值，使差分两端的寄生电容被抵消。本发明具有低功耗、高精度、高速度和大寄生容忍的特点。
Description
技术领域
本发明属于全差分电容检测前端电路技术领域，具体涉及一种全差分自适应增益控制电容检测前端电路。
背景技术
电容传感器由于具有诸多的优势而在信息捕获方面起着非常重要的作用，应用也相当广泛。相对于其他传感器，其具有结构简单、灵敏度高、过载能力强、对寄生容忍强、精度高、动态响应时间短、对高温、辐射、强振等恶劣条件适应性强等优点。随着电容传感器测量对象的发展变化，电容传感器待测电容值变成pF、fF甚至更小的量级，在绝大多数情况下待测电容比寄生电容值更小，因此需要高动态范围的电容读出电路实现高寄生电容下的量化。
电容测量的方案多种多样，其中对于电容的检测，主要分为电容转电压和电容转频率的两种方法。而针对不同的检测方案，ADC选型又可以分为SAR ADC、Sigma-Delta ADC、TDC等方案。一种采用了带有负反馈和斩波的开关电荷积分器的C-V的方案，主要特点是大范围和高精度，但功耗较高，每一次检测的时间也较长。在1pF to 300pF的范围内，达到了16bits的有效精度，前端方案功耗发明已经达到1.4mA，同时电路发明较为复杂；而ADI公司发明的芯片AD7147采用了16位Sigma-Delta ADC的结构，达到了fF级分辨率，同时还保障了全功率功耗在1mA左右，但是测量范围不够大，且单次检测时间较长；另一种采用了前端的电容转三角波方案，在50pF能够达到1fF的分辨率，但是功耗较高；还有一种采用了基于开关电容的C-V方案，利用Sigma-Delta ADC将其量化，达到了98dB的SNR。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种全差分自适应增益控制电容检测前端电路，通过开关电容的全差分C-V转换电路和自适应增益控制的可变增益放大器结构共同组成的电容检测前端电路，实现了电路发明和仿真验证。
本发明采用以下技术方案：
一种全差分自适应增益控制电容检测前端电路，包括全差分开关电容C-V转换电路，全差分开关电容C-V转换电路经全差分可变增益放大器与低功耗自适应增益控制环路连接，通过调控充电电流的大小调整共模电压的幅值，使差分两端的寄生电容被抵消。
具体的，全差分开关电容C-V转换电路中，电阻与电容和控制时钟的频率积成反比，采用一对误差0.1％内的电流对全差分开关电容C-V转换电路进行充电，通过产生的电压大小对电容值进行测量转换。
具体的，全差分开关电容C-V转换电路包括空载线路和测试线路，空载线路与测试线路构成一组全差分结构，空载线路与测试线路采用对称走线和引脚布局，接入同样的电容Cmod，使用相同的电流进行充放电，采用全差分结构消除寄生电容产生的电压。
进一步的，Cmod为nF级大电容，从片外接入，上极板接前端C-V转换电路的输出端，下极板接地。
具体的，全差分可变增益放大器利用全差动PGA结构实现差动输出，在φ2为高的相位时，Cf复位至VCM,opamp，电容阵列C0～4复位为Vmod～VCM,opamp电压Vmod为前端全差分C-V转换电路的输出电压也即片外电容Cmod的上极板电压，VCM,opamp为全差分可变增益放大器的输入共模电平；在φ1为高的相位时，Cf实现对输入电压的求差并放大。
进一步的，全差分可变增益放大器结构满足如下条件：
其中，VOP为正相输出电压，VON为反相输出电压，VIP为正相输入电压，VIN为反相输入电压，CS为采样电容的大小，Cf为积分电容的大小。
具体的，自动增益控制环路包括检测SAR ADC与相应的译码电路，SAR ADC对对照线路的电压进行检测并转换成二进制数字码，译码电路则将二进制的数字码转换成温度计数字码实现对增益的控制。
进一步的，SAR ADC对对照线路电压进行量化后经译码器译码后控制开关S0～S3的通断。
进一步的，SAR ADC为3～5bits ADC结构。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种全差分自适应增益控制电容检测前端电路，基于开关电容的全差分可变增益放大器来配合前端电路进行，开关电容的采样结构保证了放大器的输入端的共模电平由用户给定，确保输入范围达到最大，进一步地提升对于寄生电容大范围变化的容忍性。多档位不同增益的选择保证在确定的寄生电容下，电压范围能够完全落入放大器的线性放大范围内，确保了系统的线性度。
进一步的，前端采用的全差分开关电容C-V转换电路，输出电压只与充放电电流和开关信号的时钟频率相关，这两个量都是用户的设计量，因此通过设置不同的充放电电流和开关信号的时钟频率可以实现针对不同的应用环境调整电容检测的检测精度和检测范围，有效地避免系统额外的功耗开销。
进一步的，空载线路地引入，与检测线路构成一组全差分结构，两路采用相同的电路结构和对称的布局。空载线路的输出电压为该路寄生电容所产生的电压信号，检测线路的输出电压为该路寄生电容和被测电容共同产生的电压信号，两路线路的电压差值即为被测电容所产生的电压值。空载线路的设置将寄生电容通过相同的C-V转换电路与检测线路在电压域做差，在电压域很好地消除了寄生电容对于电容检测的影响。在不损失检测范围的基础上提高系统的检测精度和抗寄生能力。
进一步的，全差分可变增益放大器的引入很大程度上扩大了电容检测的范围和精度，很好地降低了后端模数转换器的精度和输入范围的压力。开关电容结构降低了功耗，提升了整体系统的线性度，降低系统整体的非线性误差。
进一步的，关于可变增益档位的选择，采用基于电压检测的自适应自动增益控制的环路结构，通过低精度SAR ADC检测对照通路的电压，检测精度由系统精度和寄生电容范围决定，SAR ADC的输出数字码通过逻辑译码电路转换成增益档位的控制码。通过这样一种方式以极小的功耗和成本为代价，实现宽寄生电容范围情况下的自适应增益控制。
进一步的，关于自适应增益控制系统，对于应用环境的变化，寄生电容会有较大的变化，而自适应增益控制能通过检测寄生电容的大小调整增益，使系统始终工作在线性度最高的范围。
进一步的，低精度SAR ADC为3～5位的低精度SAR ADC检测对照通路的电压，检测精度由系统精度和寄生电容范围决定。
综上所述，本发明具有低功耗、高精度、高速度和大寄生容忍的特点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明全差分自适应增益控制电容检测前端电路结构图；
图2为本发明C-V转换模块的结构图；
图3为全差分C-V前端主信号通路电路结构图；
图4为本发明自适应自动增益控制环路结构和原理图；
图5为寄生电容分别为2pF和100pF两种情况下配合16位ADC的输入输出关系仿真结果图；
图6为寄生电容分别为2pF和100pF两种情况下配合16位ADC的系统测试误差仿真结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种全差分自适应增益控制电容检测前端电路，采用可配置的全差分C-V转换电路，通过调控充电电流的大小调整共模电压的幅值，全差分结构确保差分两端的寄生电容能被抵消。这种发明很好地增加了系统对于寄生电容范围的容忍度。系统中，在C-V转换模块后端从片外接入一个nF级的大电容，这个电容同时起到存储电荷、稳定电压和降低KT/C噪声的功能，确保系统满足高精度的要求。
请参阅图1，本发明一种全差分自适应增益控制电容检测前端电路，包括全差分开关电容C-V转换电路、全差分可变增益放大器、低功耗自适应增益控制环路这三个部分，全差分开关电容C-V转换电路经全差分可变增益放大器与低功耗自适应增益控制环路连接，通过调控充电电流的大小调整共模电压的幅值，使差分两端的寄生电容被抵消，三部分电路协同实现大寄生范围容忍、高精度、高速度和低功耗的要求。
全差分开关电容C-V转换电路将输入电容高线性度地转化为电压信号；空载线路的输出电压经过一个低精度的SAR ADC配合译码电路产生增益控制码，通过控制开关S1～S4实现对可变增益放大器的增益选择和控制；前端电路的差分输出信号经过全差分可变增益放大器进行放大处理，交由后端的模数转换器进行采样和量化。
请参阅图2，采用全差分的开关电容C-V转换电路结构，通过固定电流对电容进行周期性的充放电，包括空载线路与检测线路，空载线路与检测线路构成一组全差分结构，两路采用相同的电路结构和对称的布局。两路采用相同的Cmod，相同大小的电流进行充放电，开关的控制也采用相同的信号。
空载线路具体为：电流I1分两路，一路经开关SCK2分两路，一路经寄生电容Cpara接地，另一路经开关SCK1接地；电流I1的另一路分两路，一路经片外电容Cmod接地，另一路经开关SEN接地。
检测线路具体为：电流I1分两路，一路经开关SCK2分三路，一路经寄生电容Cpara接地，第二路经待测电容Ctest接地，第三路经开关SCK1接地；电流I1的另一路分两路，一路经片外电容Cmod接地，另一路经开关SEN接地。
其中，CK1和CK2为两相不交叠时钟，分别是开关SCK1和SCK2的控制信号，CK2为高电平时充电，CK1为高电平时放电，En为复位信号，控制开关SEN、在每一次检测之前进行所有电容的电荷复位，Cmod是片外电容，当输出电压没有稳定时，每一次充放电的电荷不相等，多余的电荷被Cmod储存或释放，当输出电压稳定时，每个周期充放电平衡，Cmod起降低电压纹波作用。
前端全差分开关电容C-V转换电路的实现方案决定了后续采用的信号处理电路结构的选取，对于整体方案有着决定性的作用；本发明采用的C-V转换电路，对于一个值为C的电容，其电压与电流的关系如下：
当电流I为定值时，得到：
在时钟的控制下，一个高电平周期内电容上的电压增量为：
表示开关电容结构在一个周期内等效为一个电阻，并且电阻的阻值为：
电阻与电容和控制时钟的频率积成反比。因此，可以采用一个高精度的电流对开关电容结构进行充电，通过产生的电压大小，对电容值进行测量转换。从(4)可以看出，因为I和f都是发明量，因此前端电路具有可调节性强的优势，通过I和f很好地发明输出电压的范围。可以看出，整个方案的实现过程较为容易，为了稳定转出的电压值，需要一个片外的大电容Cmod来实现滤除纹波、稳定电压的作用。
Cmod采用一个nF级的大电容，从片外接入，上极板接前端C-V转换电路的输出端，稳定输出电压，下极板接地，便于每次检测前的复位。
请参阅图2，基于此方案，最大的问题是对于寄生电容Cpara而言，待测电容Ctest明显过小，因此Ctest引起的电压变化始终会是叠加在Vmod上的一个微小电压，对于ADC的分辨率要求明显过大。为了解决这一问题，本发明设置了一路完全对称的空载线路，作为对照，同时、同条件充电产生的电压即为此时的Vmod。采用的全差分的结构来消除寄生电容产生的电压，确保输出的电压信号由待测电容产生。
请参阅图3，本发明利用后端的全差动可变增益放大器PGA结构，实现差动输出，减去Vmod带来的输出电平的范围问题，Cs为采样电容，上下极板分别接前端全差分C-V转换电路的输出端和全差分可变增益放大器的输入端，本设计中采用电容C1-C4中被增益控制信号选通的电容作为采样电容Cs。Cf为积分电容，上下极板分别跨接全差分可变增益放大器的输入和输出端，实现电荷积分和电压放大的功能。
具体分析如下：
在φ2为高的相位，VIP一侧电容阵列CS与Cf上的总电荷表示为：
(VIP-VCM,opamp)CS+(VCM,opamp-VON)Cf (5)
其中，VIP为正相输入电压，VCM,opamp为可变增益放大器的输入共模电压，CS为采样电容，VON为反相输出电压，Cf为积分电容；
同理，VIN一侧的电荷表示为：
(VIP-VCM,opamp)CS+(VCM,opamp-VOP)Cf (6)
在φ1为高的相位，VIP一侧电容阵列CS与Cf上的总电荷为：
(VIP-VCM,opamp)(CS+Cf) (7)
VIN一侧的电荷表示为：
(VIN-VCM,opamp)(CS+Cf) (8)
由电荷守恒得到：
(VIP-VCM,opamp)CS+(VCM,opamp-VON)Cf＝(VIP-VCM,opamp)(CS+Cf) (9)
(VIP-VCM,opamp)CS+(VCM,opamp-VOP)Cf＝(VIN-VCM,opamp)(CS+Cf) (10)
用式(9)减去式(10)有：
因此，在φ2为高的相位，Cf复位至VCM,opamp，电容阵列C0～4复位为Vmod～VCM,opamp电压；在φ1为高的相位，Cf就可以实现对输入电压的求差并放大。从式(11)可以看出，本发明所采用的可变增益放大器增益与输入电压的共模没有关系，只取决于不同档位的选择，因此，前端结构具有良好的线性度，这是实现系统高精度检测要求的基础。
在测量线路与外接条件不同的情况下，Cpara的值也有所不同。本发明为了抵抗外界因素的影响，采用差分的结构消除Cpara带来的DC电压。
相对于传统C-V电路，能在一定程度上拓展测量的范围。虽然相对于单端电路，需要的外接电容数量增加，带来了面积与功耗的增加，但具有抗共模干扰的特性，同时还通过差分的加减消除Vmod电压对于发明的瓶颈，大大提升电容测量对寄生电容的容忍能力。
图3中，前端的全差分C-V电路的差分电压输出作为可变增益放大器的输入信号，S0～S3的通断控制决定增益的大小，可变增益放大器兼具采样和放大的功能，通过控制各个开关通断实现电容的采样，两个VCM电压偏置的引入确保运算放大器的输入共模电平始终为电源电压的一半，确保最大的输入范围和高线性度。
因为本发明的电容检测前端电路后级接入的是系统的量化ADC，因此针对不同的寄生电容，本发明需要选择正确的增益档位来保证输入ADC的信号的幅值在一个既能满足分辨率要求，又在ADC的量化范围以及可变增益放大器的输出范围之内。本发明采用如图3的自动增益控制环路实现档位自适应控制，环路包括检测SAR ADC与相应的译码电路。
SAR ADC采用传统的VCM-based电容切换策略和异步控制逻辑，进一步降低功耗。以3位SAR ADC为例，3位输出数字码直接输入译码器电路，译码器采用一个3～7二进制码到温度计码的译码转换电路，利用输出的温度计码作为可变增益放大器的开关控制信号，实现自适应增益控制。
本系统采用的电容检测方案是将电容信号转化成电压信号的全差分实现方案，因此检测没有测试电容一端差分端的电压就可以反映出寄生电容的大小。基于以上考虑，本发明中采用一个3～5位的ADC对寄生电容端的电压进行量化，然后通过得到的数字码进行增益的自动选择。考虑到功耗和转换速度的要求，选择SAR ADC作为3～5bits ADC的结构。相较于传统一次编程选择增益档位的方案(OTP)，本发明的自动增益控制节约了后端反复调试的人力成本，且同一芯片可应用于不同的应用环境，对环境变化的抵抗能力也大大提升。
由以上分析可以得知，本发明中引入的自适应自动增益控制环路可以针对不同检测环境下不同的寄生电容大小进行寄生电容的自动检测，从而自适应选择既能满足检测精度要求也能满足信号放大后的电压幅度要求的增益档位。确保在不同的应用场景下该电容检测系统前端电路都能很好地工作，对PVT等环境因素所引起的寄生电容的变化也有很好的适应性。相对于常用的一次编程的(OTP)方案来说，本发明的自适应自动增益控制节省了一定程度的后续测试人力，同时对各种寄生情况的容忍度高，能适用于各种应用场景。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和发明。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所发明的全差分自适应增益控制电容检测前端电路，采用0.18μm标准CMOS工艺进行了电路发明，并进行了仿真验证。
请参阅图4，整个电路工作在1.8V电源电压下，单次测量速度为1ms，寄生电容的容忍范围是2～100pF，检测范围为0.1fF～1pF，最大电容检测精度为0.1fF。整个前端功耗为1.499mW，利用一个16位的ADC进行量化，仿真得到的该电容检测系统在不同寄生下的输入输出关系图如图4所示；从图4中的结果可以看出，仿真结果曲线和系统的理论推导结果具有很好的吻合性，该前端电路搭配16位的ADC在不同寄生情况下完全可以实现0.1fF的分辨率。
请参阅图5，为本发明搭配一个16位精度的ADC使用在不同寄生电容情况下不同待测电容的误差情况仿真结果曲线图。可以看到在图中所示的寄生情况下，在0.1fF～1pF的检测范围内，检测误差均小于1个ADC的LSB，进一步说明本发明的前端结构可以应对2～100pF的大寄生范围和0.1fF的高精度的应用场景。前端C-V结构充电电流的多档位选择和自动增益控制环路协同作用，以很小的功耗增加实现了系统对寄生容忍度和精度较好的提升。相比传统转换结构，本发明的发明方案在功耗效率和检测精度上都有较大的优势。
综上所述，本发明一种全差分自适应增益控制电容检测前端电路，针对电容检测电路在应用过程中所存在的高寄生容忍、高精度、低功耗和高速度的要求做了系统和电路的优化，使得该前端结构能广泛适用于电容检测系统的各类使用场景，且适应各类应用环境，不需要后端复杂的反复测试和调试过程。相较于传统结构具有多方面的优势，适用于大环境变化和大寄生及高精度检测的应用要求。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种全差分自适应增益控制电容检测前端电路，其特征在于，包括全差分开关电容C-V转换电路，全差分开关电容C-V转换电路经全差分可变增益放大器与低功耗自适应增益控制环路连接，通过调控充电电流的大小调整共模电压的幅值，使差分两端的寄生电容被抵消。
2.根据权利要求1所述的全差分自适应增益控制电容检测前端电路，其特征在于，全差分开关电容C-V转换电路中，电阻与电容和控制时钟的频率积成反比，采用一对误差0.1％内的电流对全差分开关电容C-V转换电路进行充电，通过产生的电压大小对电容值进行测量转换。
3.根据权利要求1所述的全差分自适应增益控制电容检测前端电路，其特征在于，全差分开关电容C-V转换电路包括空载线路和测试线路，空载线路与测试线路构成一组全差分结构，空载线路与测试线路采用对称走线和引脚布局，接入同样的电容Cmod，使用相同的电流进行充放电，采用全差分结构消除寄生电容产生的电压。
4.根据权利要求3所述的全差分自适应增益控制电容检测前端电路，其特征在于，Cmod为nF级大电容，从片外接入，上极板接前端C-V转换电路的输出端，下极板接地。
5.根据权利要求1所述的全差分自适应增益控制电容检测前端电路，其特征在于，全差分可变增益放大器利用全差动PGA结构实现差动输出，在φ2为高的相位时，Cf复位至VCM,opamp，电容阵列C0～4复位为Vmod～VCM,opamp电压Vmod为前端全差分C-V转换电路的输出电压也即片外电容Cmod的上极板电压，VCM,opamp为全差分可变增益放大器的输入共模电平；在φ1为高的相位时，Cf实现对输入电压的求差并放大。
6.根据权利要求5所述的全差分自适应增益控制电容检测前端电路，其特征在于，全差分可变增益放大器结构满足如下条件：
其中，VOP为正相输出电压，VON为反相输出电压，VIP为正相输入电压，VIN为反相输入电压，CS为采样电容的大小，Cf为积分电容的大小。
7.根据权利要求1所述的全差分自适应增益控制电容检测前端电路，其特征在于，自动增益控制环路包括检测SAR ADC与相应的译码电路，SAR ADC对对照线路的电压进行检测并转换成二进制数字码，译码电路则将二进制的数字码转换成温度计数字码实现对增益的控制。
8.根据权利要求7所述的全差分自适应增益控制电容检测前端电路，其特征在于，SARADC对对照线路电压进行量化后经译码器译码后控制开关S0～S3的通断。
9.根据权利要求7所述的全差分自适应增益控制电容检测前端电路，其特征在于，SARADC为3～5bits ADC结构。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113824909A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-12-21 | 西安理工大学 | 可消除寄生效应的高级数tdi模拟域电路及其实现方法 |
| CN116380135A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-07-04 | 成都市晶蓉微电子有限公司 | 一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6417728B1 (en) * | 2000-06-26 | 2002-07-09 | Stmicroelectronics S.R.L. | Switched-capacitor, fully-differential operational amplifier with high switching frequency |
| US7724063B1 (en) * | 2008-12-02 | 2010-05-25 | Himax Media Solutions, Inc. | Integrator-based common-mode stabilization technique for pseudo-differential switched-capacitor circuits |
| CN103354443A (zh) * | 2013-06-20 | 2013-10-16 | 华侨大学 | 应用于高速全差分运算放大器的连续时间共模反馈电路 |
| US20140015544A1 (en) * | 2012-07-13 | 2014-01-16 | Denso Corporation | Detection circuit for capacitive sensor |
| CN105007079A (zh) * | 2015-07-01 | 2015-10-28 | 西安交通大学 | 逐次逼近型模数转换器的全差分增量采样方法 |
| CN108233933A (zh) * | 2018-02-02 | 2018-06-29 | 中国科学院微电子研究所 | 全差分开关电容积分器 |
| US20180254779A1 (en) * | 2015-09-17 | 2018-09-06 | King Abdullah University Of Science And Technology | Inverter-based successive approximation capacitance-to-digital converter |
| CN111277236A (zh) * | 2020-02-04 | 2020-06-12 | 西安交通大学 | 一种基于增益自适应调整的前端电路及动态范围提升方法 |
| CN111431490A (zh) * | 2020-05-08 | 2020-07-17 | 成都信息工程大学 | 一种用于流水线adc的全差分放大器 |
| CN111510082A (zh) * | 2020-04-13 | 2020-08-07 | 苏州真感微电子科技有限公司 | 一种高分辨率可调增益的低噪声开关电容放大器及其设计方法 |
-
2020
- 2020-10-21 CN CN202011133343.7A patent/CN112436813B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6417728B1 (en) * | 2000-06-26 | 2002-07-09 | Stmicroelectronics S.R.L. | Switched-capacitor, fully-differential operational amplifier with high switching frequency |
| US7724063B1 (en) * | 2008-12-02 | 2010-05-25 | Himax Media Solutions, Inc. | Integrator-based common-mode stabilization technique for pseudo-differential switched-capacitor circuits |
| US20140015544A1 (en) * | 2012-07-13 | 2014-01-16 | Denso Corporation | Detection circuit for capacitive sensor |
| CN103354443A (zh) * | 2013-06-20 | 2013-10-16 | 华侨大学 | 应用于高速全差分运算放大器的连续时间共模反馈电路 |
| CN105007079A (zh) * | 2015-07-01 | 2015-10-28 | 西安交通大学 | 逐次逼近型模数转换器的全差分增量采样方法 |
| US20180254779A1 (en) * | 2015-09-17 | 2018-09-06 | King Abdullah University Of Science And Technology | Inverter-based successive approximation capacitance-to-digital converter |
| CN108233933A (zh) * | 2018-02-02 | 2018-06-29 | 中国科学院微电子研究所 | 全差分开关电容积分器 |
| CN111277236A (zh) * | 2020-02-04 | 2020-06-12 | 西安交通大学 | 一种基于增益自适应调整的前端电路及动态范围提升方法 |
| CN111510082A (zh) * | 2020-04-13 | 2020-08-07 | 苏州真感微电子科技有限公司 | 一种高分辨率可调增益的低噪声开关电容放大器及其设计方法 |
| CN111431490A (zh) * | 2020-05-08 | 2020-07-17 | 成都信息工程大学 | 一种用于流水线adc的全差分放大器 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| KOTA MIZUSHIMA等: ""A High-Accuracy Capacitance-to-Voltage Converter for Capacitive Sensors"", 《2020 IEEE 11TH LATIN AMERICAN SYMPOSIUM ON CIRCUITS & SYSTEMS (LASCAS)》, pages 1 - 4 * |
| 刘银齐: ""基于高线性度OTA的可调Gm-C低通滤波器设计"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库•信息科技辑》, vol. 2018, no. 5, pages 1 - 74 * |
| 张凯娜等: ""基于45 nm SOI CMOS工艺的10 bit、125 MS/s过零检测Pipeline-SAR ADC设计"", 《微电子学与计算机》, vol. 34, no. 11, pages 6 - 10 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113824909A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-12-21 | 西安理工大学 | 可消除寄生效应的高级数tdi模拟域电路及其实现方法 |
| CN113824909B (zh) * | 2021-08-10 | 2024-04-16 | 西安理工大学 | 可消除寄生效应的高级数tdi模拟域电路及其实现方法 |
| CN116380135A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-07-04 | 成都市晶蓉微电子有限公司 | 一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路 |
| CN116380135B (zh) * | 2023-06-06 | 2023-08-11 | 成都市晶蓉微电子有限公司 | 一种电荷转移平衡式电容到电压转换电路 |
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| Publication number | Publication date |
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