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Die vorliegende Offenbarung betrifft Kapazitätsbestimmungsschaltungen und Verfahren zum Bestimmen einer Kapazität.
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Zum Auslesen eines kapazitiven MEMS(Microelectromechanical system)-Sensors kann eine Ausleseschaltung verwendet werden, die auf dem Vorspannen des Sensors mit einer bekannten Spannung und dem Erfassen von Strom oder dem Vorspannen einer Sensorkapazität mit einer bekannten Ladungsmenge und dem Erfassen von Spannungsvariationen basiert. Dies erfordert jedoch Vorspannungsreferenzen, was die Verwendung von Ladepumpen mit zusätzlichen Flächenkosten, zusätzlichem Stromverbrauch und schließlich einen Bedarf an Hochspannungsbauelementen, das heißt Kondensatoren, implizieren kann. Dementsprechend sind MEMS-Schaltungs-Ausleseschaltungen, die zum Beispiel bezüglich Chipfläche und Stromverbrauch effizienter sind, erwünscht.
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Gemäß einer Ausführungsform wird eine Kapazitätsbestimmungsschaltung bereitgestellt, die Folgendes enthält: einen spannungsgesteuerten Oszillator, der konfiguriert ist zum Generieren eines Frequenzsignals, dessen Frequenz von einer an den spannungsgesteuerten Oszillator gelieferten Steuerspannung abhängt, einen Kondensator, der an den spannungsgesteuerten Oszillator gekoppelt ist, wobei die Steuerspannung von einer Spannung an dem Kondensator abhängt, und eine Verarbeitungsschaltung, die konfiguriert ist zum Generieren, auf der Basis des durch den spannungsgesteuerten Oszillator über ein Zeitintervall, das mindestens eine Phase enthält, in der der Kondensator geladen wird, und mindestens eine Phase enthält, in der der Kondensator entladen wird, generierten Frequenzsignals, einer Anzeige der Kapazität des Kondensators.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Kapazität gemäß der obigen Kapazitätsbestimmungsschaltung bereitgestellt.
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In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszahlen allgemein in den verschiedenen Ansichten auf die gleichen Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei stattdessen das Veranschaulichen der Prinzipien der Erfindung betont wird. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Aspekte unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 ein MEMS-Mikrofon,
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2 eine Ausleseschaltung für einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform,
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3 eine Ausleseschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
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4 eine CMOS-Implementierung der Ausleseschaltung von 2,
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5 eine CMOS-Implementierung der Ausleseschaltung von 3,
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6 ein Simulationsergebnis für die Ausleseschaltung von 4,
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7 ein Simulationsergebnis für die Ausleseschaltung von 5,
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8 die FFT von Beispielen des Steuersignals gemäß einer Ausführungsform,
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9 eine MEMS-Ausleseanordnung gemäß einer Ausführungsform,
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10 eine CMOS-Implementierung der Ausleseschaltung von 3,
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11 ein Simulationsergebnis für die Ausleseschaltung von 10.
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12 eine Kapazitätsbestimmungsschaltung gemäß einer Ausführungsform, und
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13 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen einer Kapazität gemäß einer Ausführungsform darstellt.
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Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen, die als Veranschaulichung spezifische Details und Aspekte dieser Offenbarung zeigen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Andere Aspekte können genutzt und strukturelle, logische und elektrische Änderungen können vorgenommen werden, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die verschiedenen Aspekte dieser Offenbarung schließen sich gegenseitig nicht notwendigerweise aus, da einige Aspekte dieser Offenbarung mit einem oder mehreren anderen Aspekten dieser Offenbarung kombiniert werden können, um neue Aspekte auszubilden.
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1 zeigt als ein Beispiel für ein MEMS(Microelectromechanical System – Mikroelektromechanisches System)-Bauelement oder einen MEMS-Sensor, ein Mikrofon 100, das eine Membran 101 besitzt, die auftreffenden Druckwellen 102 ausgesetzt ist. Ein MEMS-Mikrofon kann als ein Kondensator angesehen werden, der aus der Membran 101 und einer Gegenelektrode 103, üblicherweise als eine Rückplatte bezeichnet, besteht. Wenn Schallwellen bewirken, dass die Membran schwingt, können die Schallwellen durch Messen der Änderung bei der Kapazität, die durch die Bewegung der Membran relativ zur Rückplatte bewirkt wird, in nutzbare elektrische Signale umgewandelt werden. Ein Ansatz des Bewerkstelligens einer erhöhten Empfindlichkeit ist der Zusatz einer zweiten Rückplatte auf der Seite der Membran gegenüber der der Rückplatte 103 (auch als Doppelt-Rückplatte bezeichnet). Viele MEMS-Drucksensoren verwenden gleichermaßen die verschiedenen Transduktionsmechanismen, um eine Änderung beim atmosphärischen Druck zu erfassen.
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Zum Auslesen eines MEMS-Sensors, d.h. zum Bestimmen seiner Kapazität, kann der MEMS-Kondensator auf eine feste Spannung vorgeladen werden und kann dann durch einen Ringoszillator entladen werden, der die Anzahl an Impulsen während einer festen Zeit zählt. Die Kondensatorentladung moduliert die Frequenz des Ringoszillators und deshalb offenbart das Zählen der Anzahl an Impulsen Informationen über die Kapazität. Dies kann jedoch möglicherweise nicht direkt auf ein Mikrofon angewendet werden, da die erforderliche Auflösung und Abtastgeschwindigkeit und die Größe des Mikrofon-MEMS-Kondensators die Implementierung typischerweise erschweren.
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Ein kapazitiver MEMS-Sensor kann auch durch Anlegen einer hohen Vorspannung und Verwenden eines Transkonduktors zum Ansteuern eines Ringoszillators ausgelesen werden. Somit benötigt die Analog-Digital-Umwandlung (A/D) keinen Spannungsbereichs-Analog-Digital-Wandler (wie etwa einen Sigma-Delta-Modulator oder ein SAR (Successive Approximation Register)), sondern verwendet die Spannungs-Frequenz-Umwandlung eines Ringoszillators und nutzt den hohen Verstärkungsfaktor bei der Spannung-Frequenz-Umwandlung, um zusätzliche signalkonditionierende Vorverstärker zu vermeiden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden, wie unten beschrieben, anstatt eine Messung pro Ladung vorzunehmen (z.B. Zählen der Anzahl an Impulsen eines Ringoszillators für eine Entladung), eine Rauschformung und eine Überabtastung angewendet und Messungen mit niedriger Auflösung, aber hoher Anzahl (d.h. sehr oft), durchgeführt. Mit anderen Worten können, wie ersichtlich, Ausführungsformen auf dem Integrieren der Rauschformung und der Überabtastung in einem Ansatz basieren, wobei eine Kondensatorentladung die Frequenz eines Oszillators moduliert.
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2 zeigt eine Ausleseschaltung 200 gemäß einer Ausführungsform.
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Die Ausleseschaltung 200 enthält einen Oszillator 201, dessen Frequenz und Leistungsverbrauch auf seiner an einem ersten Versorgungsanschluss 202 und einem zweiten Versorgungsanschluss 203 angelegten Versorgungsspannung abhängen. Ein Beispiel für den Oszillator 201 ist ein mit Logikinvertern implementierter Ringoszillator. Der Oszillator wird von einer konstanten DC-Versorgung 204 bestromt, die zwischen seinen ersten Versorgungsanschluss 202 und Masse und die Spannung des auszulesenden MEMS-Sensors gekoppelt ist, angezeigt durch einen Kondensator 205 (dessen Wert sich mit der zu messenden Größe ändert), der zwischen den zweiten Versorgungsanschluss 203 des Oszillators und Masse geschaltet ist.
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Der Oszillator 201 generiert ein Frequenzsignal oder Schwingungssignal, das beispielsweise AC-entkoppelt und gepuffert ist, um die gewünschten Logikpegel zu erreichen, und dann an einen Frequenzteiler 206 angelegt wird, z.B. mit Hilfe eines Zählers implementiert. Die Spannung am MEMS-Kondensator 205 wird ebenfalls erfasst und mit Hilfe eines Spannungsvergleichers 207 mit einem Referenzschwellwert Vth verglichen. Der Ausgang des Frequenzteilers 206 und der Ausgang des Spannungsvergleichers 207 werden an eine Auslöselogik 208 geliefert, die in Abhängigkeit von den Bedingungen des Spannungsvergleicherausgangs und des Frequenzteilerausgangs entscheidet, wann ein Set-Reset-Flipflop 209 aktiviert werden soll, und den Set-Reset-Flipflop 209 gemäß der Entscheidung steuert. Der Ausgang des Set-Reset-Flipflop 209 steuert einen analogen Schalter 210, der entweder den MEMS-Kondensator 205 kurzschließen kann oder offengelassen wird.
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Beispielsweise ist der Ausgang des Flipflop bei Reset hoch und der MEMS-Kondensator 205 wird dann kurzgeschlossen und der Oszillator 201 schwingt mit seiner höchsten Frequenz fmax da die DC-Versorgung 204 parallel zu ihm geschaltet ist. Nach einer vorbestimmten Anzahl von N1-Impulsen geht der Ausgang des Frequenzteilers 206 auf niedrig, wodurch die Auslöselogik (auch als Steuerlogik bezeichnet) 208 entsprechend informiert wird, die als Reaktion den Schalter 210 über den Flipflop 209 freigibt (öffnet). Somit gibt es Impulse im Schaltersteuersignal (d.h. dem Flipflopausgang), die für eine feste Zeit Ton = N1/(2fmax) auf einem hohen Logikpegel sind.
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Wenn der Schalter 210 freigegeben wird, fließt ein Strom durch den MEMS-Kondensator 205, der geladen wird und die Spannung zwischen den Versorgungsanschlüssen 202, 203 des Oszillators 201 reduziert. Somit wird die Frequenz des Oszillators 201 durch die Spannung an dem MEMS-Kondensator 205 moduliert.
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Der Spannungsvergleicher 207 benachrichtigt die Auslöselogik 208, wenn die Spannung an dem Kondensator 205 eine Schwellwertspannung Vth erreicht hat. Wenn dies geschieht, aktiviert (schließt) die Auslöselogik 208 den Schalter 210 über den Flipflop 209, um den Kondensator 205 wieder zu entladen. Somit hängt die Aus-Zeit Toff (Schalteer 210 offen) von der exponentiellen Ladung des Kondensators 205 ab, die von seiner Kapazität CMEMS abhängt, d.h. Toff = f(Cmems). Nach Ton + Toff wiederholt sich der Zyklus, und die Frequenz der resultierenden Schwingung am Ausgang des Flipflop 210 (d.h. des Steuersignals) beträgt fosc = 1/(Ton + Toff), was von der MEMS-Kapazität 205 abhängt.
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Eine alternative Implementierung, bei der der Spannungsvergleicher 207 nicht verwendet wird, ist in 3 gezeigt.
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3 zeigt eine Ausleseschaltung 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Analog zur Ausleseschaltung 200 enthält die Ausleseschaltung 300 einen Oszillator 301, eine DC-Versorgung 302, einen Kondensator 303, einen Frequenzteiler 304 und einen Schalter 305. Im Gegensatz zu der Ausleseschaltung 200 jedoch sind die Auslöselogik 208, der Flipflop 209 und der Vergleicher 207 weggelassen. Insbesondere ist der Ausgang des Frequenzteilers 304 direkt mit dem Schalter 305 verbunden.
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Weiterhin geht ähnlich wie bei der Ausleseschaltung 200 nach einer vorbestimmten Anzahl von N1 Impulsen der Frequenzteiler 206 auf niedrig, was den Schalter 305 öffnet. Somit gibt es Impulse im Schaltersteuersignal (d.h. in diesem Fall des Frequenzteilerausgangs), die für eine feste Zeit Ton = N1/(2fmax) auf einem hohen Logikpegel sind, gefolgt von einer Periode, während der das Schaltersteuersignal auf niedrig ist.
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Nach einer weiteren vorbestimmten Anzahl von N2 Impulsen geht dann der Ausgang des Frequenzteilers 304 wieder auf hoch, so dass der nächste Zyklus des Steuersignals beginnt. Die Aus-Zeit (Steuersignal auf niedrig) hängt von der exponentiellen Ladung des MEMS ab, die wiederum von seiner Kapazität abhängt, d.h. Toff = f(Cmems). Nach den N1 + N2 Oszillatorimpulsen wiederholt sich der Zyklus, so dass die Frequenz der Steuersignalschwingung in Abhängigkeit von der MEMS-Kapazität 303 fosc = 1/(Ton + Toff) beträgt.
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Diese Implementierung profitiert davon, dass nur das Phasenrauschen des Oszillators 301 die Kapazitätsmessung beeinflusst, besitzt aber reduzierte Linearität (die jedoch auf Systemebene unter Verwendung eines Differenzsensors behandelt werden kann). Die Implementierung von 2 ist stärker linear, doch tragen der Spannungsvergleicher 207 und das Schwellwertreferenzrauschen zu dem Phasenrauschen des Gesamtoszillators bei, was das SRV (Signal-Rausch-Verhältnis) verschlechtert. Parasitäre Komponenten können in den Ausleseschaltungen 200, 300 kompensiert werden.
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Die Ausleseschaltungen 200, 300 können jeweils als ein Doppeloszillator mit einer primären Schwingungsfrequenz angesehen werden, der des Ringoszillators oder VCO 201, 301, und einer sekundären Schwingungs- oder Löschfrequenz, die den Schalter steuert, d.h. des Steuersignals, das der Ausgang des Flipflop 209 bzw. des Frequenzteilers 304 ist.
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Für beide Implementierungen, d.h. beide Ausleseschaltungen 200, 300, besteht eine wichtige Konsequenz darin, dass die Phasenkohärenz am Übergang zwischen der Ton- und der Toff-Periode (und umgekehrt) im Hauptoszillator 201, 301 beibehalten wird und der Oszillator zwischen Lade- und Entladephasen nicht angehalten wird. Deshalb kann ein rauschgeformtes Signal erster Ordnung durch Zählen und Differenzieren der Oszillatorimpulse des Steuersignals extrahiert werden.
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Es sei angemerkt, dass als eine alternative Implementierung der Schalter 210, 305 in Reihe mit den MEMS 205, 303 angeordnet und die MEMS 205, 303 parallel zum VCO 201, 301 angeordnet sein können. Dies kann verwendet werden, um die gleichen Ergebnisse zu erzeugen. In Ausleseschaltungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie z.B. in 2 und 3 dargestellt, wird keine hohe Vorspannung benötigt, um die MEMS-Kapazität zu messen. Somit kann die Flächenbelegung niedrig gehalten werden und die Notwendigkeit für Hochspannungskondensatoren wird vermieden. Weiterhin kann ein VCO mit hoher Frequenz und hoher Empfindlichkeit veranlasst werden, seine Frequenz in Abhängigkeit von der MEMS-Kapazität zu ändern, ohne Pads und das MEMS mit der Schwingungsfrequenz direkt ansteuern zu müssen. Stattdessen wird eine heruntergeteilte Version (die Sekundärschwingung, d.h. das Steuersignal) an das MEMS angelegt, das kleinere parasitäre Verluste und einen kleineren Leistungsverlust darstellt. Somit kann der Stromverbrauch niedrig gehalten werden.
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Es sei angemerkt, dass das Entladen des MEMS nicht linear ist. Bei den meisten MEMS-Sensoren ist die Kapazitätsvariation im Vergleich zu dem Nennwert sehr klein, und das nichtlineare Verhalten kann um den Arbeitspunkt herum linearisiert werden. Weiterhin kann die Ausleseschaltung gemäß einer Ausführungsform auf eine Differenzimplementierung auf Kosten der Verdoppelung der Fläche erweitert werden (wie für eine Einzel- auf Differenz-(z.B. ASIC) Erweiterung typisch ist).
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4 zeigt eine Ausleseschaltung 400 als ein Beispiel für eine CMOS-Implementierung der Ausleseschaltung 200 von 2.
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Die Ausleseschaltung 400 enthält einen Ringoszillator 401 entsprechend dem VCO 301, einen Frequenzteiler 402 entsprechend dem Frequenzteiler 206, einen Spannungsvergleicher 403 entsprechend dem Vergleicher 207, einen MEMS-Kondensator 404 entsprechend dem MEMS-Kondensator 205, einen Puffer 405 zwischen dem Ausgang des Ringoszillators 401 und dem Eingang des Frequenzteilers 402. Bei dieser Implementierung ist, wie oben erwähnt, der MEMS-Kondensator 404 parallel zum Ringoszillator 401 angeordnet, und ein Feldeffekttransistor 406 entsprechend dem Schalter 210 ist zwischen der Parallelverbindung aus dem Ringoszillator 401 und dem MEMS-Kondensator 404 und einer ersten DC-Versorgung 407 entsprechend der DC-Versorgung 204 angeordnet. Eine zweite DC-Versorgung 408 versorgt den Puffer 405. Der Ringoszillator 401 ist durch eine Reihenverbindung aus drei ersten Invertern 409 mit einer Rückkopplungsschleife implementiert. Jeder Inverter 409 ist durch eine Reihenverbindung aus zwei Feldeffekttransistoren implementiert, die zwischen den mit dem Feldeffekttransistor 406 (entsprechend dem ersten Versorgungsanschluss 202) verbundenen Versorgungseingang des Ringoszillators und Masse geschaltet ist.
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Der Puffer 405 ist durch eine Reihenverbindung aus zwei zweiten Invertern 410 implementiert. Wie gezeigt, kann der zweite Inverter 410 am Eingangspuffer 405 einen Widerstand 411 zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang enthalten, und der Puffer kann einen Kondensator 412 an seinem Eingang enthalten.
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Der Frequenzteiler wird durch eine Kette aus D-Flipflops 413 implementiert, wobei für jeden Flipflop 413 der invertierende Ausgang zu seinem Eingang zurückgeführt wird und mit dem Takteingang des folgenden Flipflop 413 verbunden ist, mit Ausnahme des ersten, dessen Takteingang der Eingang des Frequenzteilers ist, und des letzten, dessen nichtinvertierender Ausgang der Ausgang des Frequenzteilers ist. Der Ausgang des Frequenzteilers ist mit dem Set-Eingang eines RS-Flipflop 414 entsprechend dem Flipflop 210 verbunden.
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Der (nichtinvertierende) Ausgang des Flipflop 210 ist an den Reset-(oder Clear-)Eingang der Flipflops 413 gekoppelt und ist an den Feldeffekttransistor 406 gekoppelt.
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Der Spannungsvergleicher 403 ist durch eine Reihenverbindung aus drei zweiten Invertern 416 implementiert. Jeder Inverter 416 ist durch eine Reihenverbindung aus zwei zwischen die DC-Versorgung und Masse geschaltete Feldeffekttransistoren implementiert.
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Der Ausgang des zweiten Spannungsvergleichers 403 ist mit dem Reset-Eingang des Flipflop 414 verbunden.
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5 zeigt eine Ausleseschaltung 500 als ein Beispiel für eine CMOS-Implementierung der Ausleseschaltung 300 von 3.
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Ähnlich der Ausleseschaltung 400 enthält die Ausleseschaltung 500 einen Ringoszillator 501 entsprechend dem VCO 301, einen Frequenzteiler 502 entsprechend dem Frequenzteiler 304, einen Puffer 503, eine MEMS-Kapazität 504, einen Schalter 505 entsprechend dem Schalter 305 und DC-Versorgungen 506, 507. Bei dieser Implementierung ist der Schalter 505 parallel zu der MEMS-Kapazität 504, wie in 3 gezeigt.
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Bei diesem Beispiel ist der Ausgang des Frequenzteilers 502 der invertierende Ausgang des dritten bis letzten Flipflop, der durch den Feldeffekttransistor 505 versorgt wird.
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6 zeigt ein Simulationsergebnis für die Ausleseschaltung 400 von 4.
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Eine erste Kurve 601 zeigt den Ausgang des Flipflop 414, und eine zweite Kurve 602 zeigt die Spannung an der MEMS-Kapazität 404. Beide Kurven 601, 602 verwenden die gleiche, durch die horizontale Achse 603 gegebene Zeitskala, und der entsprechende Pegel nimmt entlang der vertikalen Achse 604 von unten nach oben zu.
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7 zeigt ein Simulationsergebnis für die Ausleseschaltung 500 von 5.
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Eine erste Kurve 701 zeigt die Spannung der MEMS-Kapazität 504, eine zweite Kurve 702 zeigt den Ausgang des Oszillators 501, und eine dritte Kurve 703 zeigt den Ausgang des Frequenzteilers 502. Alle Kurven 701, 702, 703 verwenden die gleiche, durch die horizontale Achse 704 gegebene Zeitskala, und der entsprechende Pegel nimmt entlang der vertikalen Achse 705 von unten nach oben zu.
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8 zeigt den FFT des Steuersignals in einer Ausführungsform für eine MEMS-Kapazität von 1,5 pF und für Variationen von 10% von dem Nennwert (d.h. für 1,5 pF + 10% und 1,5 pF – 10%). Für die Nennkapazität beträgt die sekundäre Schwingungsfrequenz 27 MHz. Es ist ersichtlich, dass die Kapazität deutlich in Frequenzkomponenten des Steuersignals wiedergegeben wird.
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Der Ausgang der Ausleseschaltung, d.h. das Steuersignal (für den Schalter 210, 305 in den obigen Beispielen), das als ein frequenzmoduliertes Signal gesehen werden kann, kann abgetastet und differenziert oder als der Eingang zu einem Frequenz-Digital-Wandler mit höherer Rauschformungsordnung verwendet werden. Dies ist in 9 dargestellt.
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9 zeigt eine MEMS-Ausleseanordnung 900.
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Die Anordnung 900 enthält einen MEMS 901, der an MEMS-Hilfskomponenten 902 gekoppelt sein kann. Ein FM-Modulator 903 generiert ein Schwingungssignal, das von der Kapazität des MEMS 901 abhängt. Das Schwindungssignal beispielsweise entspricht dem Steuersignal der obigen Beispiele. Das Schwingungssignal wird an einen Frequenz-Digital-Signal-Data-Modulator 907 geliefert, der ein digitales Signal generiert, das die MEMS-Kapazität darstellt, zum Beispiel einen die MEMS-Kapazität spezifizierenden digitalen Wert.
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Der Frequenz-Digital-Signal-Data-Modulator 907 enthält einen Block 904 mit einem Akkumulator, gefolgt von einem Digital-Analog-Wandler, dessen Ausgang an einen überabgetasteten Frequenz-Digital-Wandler 905 geliefert wird. Der Ausgang des Frequenz-Digital-Wandlers 905 wird an einen (getakteten) Quantisierer geliefert, dessen Ausgang der die gemessene Kapazität anzeigende digitale Ausgang ist und dessen Ausgang an den Akkumulations- und DAW-Block 904 zurückgekoppelt wird.
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Bei den in 4 und 5 gezeigten Implementierungen sind gemäß einer Ausführungsform die Inverter der Ringoszillatoren 401, 501 mit einem Dreifach-Wannen-Prozess implementiert, weil die n-Kanal-MOSFET(Metaloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor)-Bulks nicht mit Masse verbunden sind, sondern mit den jeweiligen Transistorsources. Die Bulk-n-Kanal-MOSFETs sind nicht mit Masse verbunden, weil sich die Sourcespannung der Transistoren aufgrund des Arbeitsprinzips der Ausleseschaltungen intrinsisch ändert, und dies bedeutet eine Schwellwertspannungsvariation.
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Zum Reduzieren von Produktionskosten kann eine alternative Implementierung verwendet werden, die keine Dreifach-Wannen-Technologie erfordert. Dies ist in 10 dargestellt.
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10 zeigt eine Ausleseschaltung 1000 als ein Beispiel für eine CMOS-Implementierung der Ausleseschaltung 300 von 3.
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Ähnlich wie bei der Ausleseschaltung 500 enthält die Ausleseschaltung 1000 einen Ringoszillator 1001, einen Frequenzteiler 1002, einen Puffer 1003, eine MEMS-Kapazität 1004, einen Schalter 1005 und DC-Versorgungen 1006, 1007. Bei dieser Implementierung ist der Schalter 1005 in Reihe mit der MEMS-Kapazität 1004 wie im Fall der Ausleseschaltung 400 von 4.
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Insbesondere wird der Schalter 1005 mit Hilfe eines p-Kanal-MOSFET in Reihe mit dem Ringoszillator implementiert, der parallel zur MEMS-Kapazität 1004 geschaltet ist. Somit kann ein geringerer Stromverbrauch erzielt werden, weil alle im Kondensator 1004 gespeicherte Energie zum Versorgen des Oszillators 1001 verwendet wird.
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11 zeigt ein Simulationsergebnis für die Ausleseschaltung 1000 von 10.
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Die ersten Kurven 1101 zeigen die Spannung an der MEMS-Kapazität 1004 mit einer Spannungsvariation an der MEMS-Kapazität (d.h. bei variierenden Spannungen), und die zweiten Kurven 1102 zeigen die entsprechenden Ausgaben des Frequenzteilers 1002 (mit Frequenzvariation). Die Kurven 1101, 1102 verwenden die gleiche, durch die horizontale Achse 1103 gegebene Zeitskala, und der entsprechende Pegel nimmt entlang der vertikalen Achse 1104 von unten nach oben zu.
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Zusammengefasst wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Kapazitätsbestimmungsschaltung (z.B. eine Ausleseschaltung für ein MEMS) bereitgestellt, wie in 12 dargestellt.
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12 zeigt eine Kapazitätsbestimmungsschaltung 1200 gemäß einer Ausführungsform.
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Die Kapazitätsbestimmungsschaltung 1200 enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 1201, der konfiguriert ist zum Generieren eines Frequenzsignals, dessen Frequenz von einer an den spannungsgesteuerten Oszillator 1201 angelegten Steuerspannung abhängt, und einen Kondensator 1202, der an den spannungsgesteuerten Oszillator 1201 gekoppelt ist, wobei die Steuerspannung von einer Spannung am Kondensator 1202 abhängt.
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Weiterhin enthält die Kapazitätsbestimmungsschaltung 1203 ein Verarbeitungsschaltung, die konfiguriert ist zum Generieren, auf der Basis des durch den spannungsgesteuerten Oszillator 1201 über ein Zeitintervall, das mindestens eine Phase umfasst, in der der Kondensator 1202 geladen wird, und mindestens eine Phase umfasst, in der der Kondensato 1202r entladen wird, generierten Frequenzsignals, einer Anzeige der Kapazität des Kondensator 1202.
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Mit anderen Worten steuert die Spannung über einen Kondensator, der nacheinander geladen und entladen wird (mindestens einmal, aber beispielsweise mehrfach), einen spannungsgesteuerten Oszillator, der als Antwort ein Frequenzsignal generiert. Das Frequenzsignal enthält Informationen über die Kapazität des Kondensators, und eine Verarbeitungsschaltung generiert eine Anzeige der Kapazität auf der Basis des Frequenzsignals und der darin enthaltenen Informationen über die Kapazität. Das Frequenzsignal wird über ein Zeitintervall generiert, das mindestens ein Laden des Kondensators und mindestens ein Entladen des Kondensators enthält, z.B. eine Sequenz von Lade- und Entladeprozessen. Mit anderen Worten wird das Frequenzsignal über mindestens einen Übergang (d.h. Umschalten) vom Entladen des Kondensators zum Laden des Kondensators, über mindestens einen Übergang (d.h. Umschalten) vom Laden des Kondensators zum Entladen des Kondensators oder beide (möglicherweise mehrfach) generiert. Das Frequenzsignal wird so generiert, dass es über diese Übergänge hinweg eine Phasenkohärenz aufweist.
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Mit anderen Worten wird ein Kapazitäts-Digital-Wandler bereitgestellt, beispielsweise ein überabgetasteter und rauschgeformter Kapazität-Digital-Quantisierer, der auf der Basis eines durch die Entladung eines Erfassungskondensators modulierten Oszillators arbeitet (z.B. eines MEMS-Bauelements wie etwa einem Mikrofon, einem Drucksensor oder allgemein einen beliebigen Sensor, der in Form eines MEMS-Bauelements implementiert werden kann).
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist ersichtlich, dass ein MEMS-Sensor als Teil eines Oszillators ausgebildet sein kann, was das Vermeiden von Vorspannungsschaltungen, das Minimieren von Chipfläche und von Leistung gestattet. Es ermöglicht auch das Skalieren zu kleinen Technologieknoten.
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Die Verarbeitungsschaltung 1203 kann beispielsweise einen Teil eines Frequenzmodulators (z.B. eines Frequenzteilers und optional einer Auslöselogik, wie unter Bezugnahme auf die 2 und 3 erläutert) und eines Frequenz-Digital-Wandlers enthalten. Beispielsweise kann sie dem FM-Modulator 903 ohne den (primären) Oszillator (der dem spannungsgesteuerten Oszillator 1201 entsprechen kann) und dem Frequenz-Digital-Sigma-Delta-Modulator 907 entsprechen. Der Ausgang der Verarbeitungsschaltung 1203, d.h. die Anzeige der Kapazität, die beispielsweise dem Ausgang des Frequenz-Digital-Sigma-Delta-Modulators 907 entspricht, kann eine digitale, z.B. binäre, Darstellung, z.B. ein binärer Wert, sein, der die Kapazität des Kondensators (z.B. in einer gewissen Einheit wie etwa pF) spezifiziert.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Kapazität, wie in 13 dargestellt, bereitgestellt.
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13 zeigt ein Flussdiagramm 1300.
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In 1301 wird ein Frequenzsignal mit einer von einer Spannung an einem Kondensator abhängigen Frequenz generiert.
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In 1302 wird eine Anzeige der Kapazität des Kondensators auf der Basis des über ein Zeitintervall, das mindestens eine Phase enthält, in der der Kondensator geladen wird, und mindestens eine Phase enthält, in der der Kondensator entladen wird, generierten Frequenzsignals generiert.
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Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen vorgelegt.
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Ausführungsform 1 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung, wie in 12 dargestellt.
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Ausführungsform 2 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 1, weiterhin eine Steuerschaltung umfassend, die konfiguriert ist zum Steuern des Kondensators, um in einer oder mehreren Ladephasen geladen zu werden und in einer oder mehreren Entladephasen entladen zu werden.
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Ausführungsform 3 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 2, wobei die Steuerschaltung an den spannungsgesteuerten Oszillator gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Empfangen des Frequenzsignals und zum Steuern des Kondensators, um in einer oder mehreren Ladephasen geladen zu werden und um in einer oder mehreren Entladephasen entladen zu werden, auf der Basis des Frequenzsignals.
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Ausführungsform 4 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 2, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist zum Generieren eines Steuersignals, das den Kondensator steuert, um in einer oder mehreren Ladephasen geladen zu werden und um in einer oder mehreren Entladephasen entladen zu werden, auf der Basis des Frequenzsignals.
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Ausführungsform 5 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 4, wobei die Verarbeitungsschaltung konfiguriert ist zum Generieren der Anzeige der Kapazität des Kondensators auf der Basis des Steuersignals.
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Ausführungsform 6 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 4, wobei die Verarbeitungsschaltung konfiguriert ist zum Umwandeln des Steuersignals in die Anzeige der Kapazität des Kondensators.
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Ausführungsform 7 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 6, wobei das Umwandeln des Steuersignals in die Anzeige eine Rauschformung umfasst.
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Ausführungsform 8 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 6, wobei die Verarbeitungsschaltung einen Frequenz-Digital-Wandler umfasst und konfiguriert ist zum Umwandeln des Steuersignals in die Anzeige der Kapazität des Kondensators durch Durchführen einer Frequenz-Digital-Umwandlung des Steuersignals.
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Ausführungsform 9 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 4, wobei das Steuersignal ein Schwingungssignal ist, das zwischen einem Zustand, der den Kondensator steuert, um geladen zu werden, und einem Zustand, der den Kondensator steuert, um entladen zu werden, schwingt.
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Ausführungsform 10 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 4, wobei das Steuersignal den Kondensator steuert, um in einer oder mehreren Ladephasen geladen zu werden, und um in einer oder mehreren Entladephasen entladen zu werden, durch Steuern eines an den Kondensator gekoppelten Schalters.
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Ausführungsform 11 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 10, wobei der Schalter einen ersten Zustand besitzt, der dazu führt, dass der Kondensator entladen wird, und einen zweiten Zustand, der dazu führt, dass der Kondensator geladen wird.
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Ausführungsform 12 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 2, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist zum Steuern des Kondensators, um nach einer vorbestimmten Anzahl von Schwingungen des Frequenzsignals des Entladens des Kondensators geladen zu werden.
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Ausführungsform 13 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 2, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist zum Steuern des Kondensators, um Entladen zu werden, wenn der Kondensator auf eine vorbestimmte Schwellwertspannung geladen worden ist.
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Ausführungsform 14 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 2, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist zum Steuern des Kondensators, um geladen zu werden, wenn der Kondensator auf eine vorbestimmte Schwellwertspannung entladen worden ist.
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Ausführungsform 15 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 2, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist zum Steuern des Kondensators, um nach einer vorbestimmten Anzahl von Schwingungen des Frequenzsignals des Ladens des Kondensators entladen zu werden.
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Ausführungsform 16 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 1, wobei die Anzeige eine digitale Anzeige ist.
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Ausführungsform 17 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 1, umfassend einen Frequenzteiler, der konfiguriert ist zum Generieren eines frequenzgeteilten Signals aus dem Frequenzsignal, wobei die Verarbeitungsschaltung konfiguriert ist zum Generieren der Anzeige auf der Basis des frequenzgeteilten Signals.
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Ausführungsform 18 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 1, wobei die Kapazität die Kapazität eines MEMS-Bauelements ist.
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Ausführungsform 19 ist eine Kapazitätsbestimmungsschaltung von Ausführungsform 1, wobei die Verarbeitungsschaltung konfiguriert ist zum Generieren der Anzeige auf der Basis des durch den spannungsgesteuerten Oszillator generierten Frequenzsignals über ein Zeitintervall, das mehrere Phasen umfasst, in denen der Kondensator geladen wird, und mehrere Phasen umfasst, in denen der Kondensator entladen wird. Ausführungsform 20 ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Kapazität, wie 13 dargestellt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Schaltung bereitgestellt mit einem Kondensator, einem Oszillator, der konfiguriert ist zum Generieren, über mindestens ein Entladen des Kondensators und mindestens ein Laden des Kondensators, eines Frequenzsignals, dessen Frequenz von einem Ladepegel des Kondensators abhängt, und einer Verarbeitungsschaltung, die konfiguriert ist zum Bestimmen, auf der Basis des Frequenzsignals, der Kapazität des Kondensators.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Schaltung bereitgestellt mit einem Kondensator, einer Steuerschaltung, die konfiguriert ist zum Laden und Entladen des Kondensators gemäß mehrerer abwechselnder Lade- und Entladephasen, einem Oszillator, der konfiguriert ist zum Generieren eines Frequenzsignals über die mehreren abwechselnden Lade- und Entladephasen, dessen Frequenz von einem Ladepegel des Kondensators abhängt, und einer Verarbeitungsschaltung, die konfiguriert ist zum Generieren einer Anzeige der Kapazität des Kondensators auf der Basis des Frequenzsignals.
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Es versteht sich, dass im Kontext der unter Bezugnahme auf 12 beschriebenen Schaltung beschriebene Ausführungsformen analog für die anderen Schaltungen und das in 13 dargestellte Verfahren gelten und umgekehrt.
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Wenngleich spezifische Aspekte beschrieben worden sind, versteht der Fachmann, dass verschiedene Änderungen hinsichtlich Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Aspekte dieser Offenbarung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen. Der Schutzbereich wird somit durch die beigefügten Ansprüche angegeben und alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Bereichs an Äquivalenz der Ansprüche liegen, sollen deshalb eingeschlossen sein.
