基于电流镜的微电容式传感器接口电路研究

摘要：在集成微电容式传感器的研究中，由于敏感电容值的变化量非常微小，其接口电路的研究对传感器性能提升是至关重要的。设计了一种基于电流镜原理检测的微电容式传感器接口电路，电路由电容转换电压电路、减法器电路、脉冲电路、缓冲器电路等组成。基于0.18 μm CMOS工艺库对电路进行设计仿真，结果表明该电路便于与敏感电容兼容，输出电压与敏感电容成线性关系，其检测精确度高、范围广。

0 引言

随着微电子技术与微机械加工技术的快速发展，传感器的微型化、集成化、智能化等成为了研究趋势。基于CMOS MEMS技术将传感部分与接口电路等在同一芯片完成，有利于大批量生产降低成本、减小器件尺寸、提高传感器的灵敏度、增强抗干扰能力等。

集成微电容式传感器由于电路集成度高、制程兼容性好等优点被广泛应用在集成传感器的研究中，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。其工作原理是将外界变化的加速度、湿度、压力等非电量转换为电容值的变化，然后再将其转换为易于处理的电学量。

本文研究一种基于电流镜原理检测的微电容式传感器接口电路，将敏感电容变化的电容值转换为输出电压值的变化。电路便于与敏感电容兼容，且输出电压与敏感电容成线性关系。本电路可以避免利用开关电容电路原理进行检测时由开关切换电荷注入所产生的误差，且电路可根据敏感电容值的范围进行调节，检测精确度高。

1 电路工作原理

将随外界物理量变化而改变的敏感电容值转换为电压值的变化是接口电路设计中普遍采用的方式之一。其中，利用开关电容电路原理将敏感电容值转换为电压值较为常用，这种接口电路具有输出电压线性度高、与CMOS工艺兼容、温度特性好等优点。但是由于开关切换时电荷注入会产生误差，引起输出偏差，因此，设计时采用基于电流镜原理进行检测，电路如图1所示。电路通过分时工作的方式，采用对电容的充放电，将电容转换为电压，实现电容到电压信号的读出。

如图1所示，Cs为对外界非电量敏感电容，Cref为参考电容。当M1管和M2管工作在饱和区时，则：

若忽略沟道长度调制的影响，由于M1管的栅极和漏极电位相同，且M1管处于饱和区，因此对敏感电容Cs充电一段时间t后，Cs上的电压为：

设L1=L2，则：

因此，由公式推导可知输出电压Vm与敏感电容和参考电容的比值成线性关系，且电路可根据参考电容的不同对其敏感电容值的范围进行调节。

2 电路设计

基于电流镜原理所设计的微电容式传感器接口电路由脉冲电路、电容转换电压电路、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。

控制敏感电容和参考电容充放电的脉冲信号由脉冲电路产生。在电容到电压的转换电路中，由于电流镜只有在输出电压Vm

设计时将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成线性关系。当参考电容值一定时，输出电压随敏感电容值的变化而变化，因此，可以将随外界待测物理量变化而变化的电容值转换为易于后期电路处理的电压值的变化。

在基于电流镜原理实现的接口电路设计中，运放电路的设计是一个重要的单元，因此电路的设计中也应完成运放电路的设计。运放电路如图4所示。电路由偏置电路、差分输入级和增益放大级三部分组成，并采用米勒补偿作为频率补偿。

控制敏感电容和参考电容充放电的脉冲信号CP1和CP2如图5所示。

3 电路仿真结果与分析

利用Cadence spectre仿真器和TSMC公司的0.18μm 3.3V CMOS库文件，仿真验证所设计的电路性能。

在低频范围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，共模抑制比85.2 dB，电源抑制比87 dB，功耗1.81mW。其中开环增益、单位增益带宽和相位裕度如图6和图7所示。

当参考电容Cref=200fF，敏感电容Cs=180fF，接口电路的仿真结果如图8所示。

当参考电容一定时Cref=200fF，敏感电容Cs=190fF～100fF变化，输出电压Vo的仿真结果如图9所示。

如图9，当敏感电容Cs=190fF时，输出电压VT(“/vo”)<0>为2.54V;当敏感电容Cs=180fF时，输出电压VT(“/vo”)<1>为2.44V;当敏感电容Cs=160fF时，输出电压VT(“/vo”)<3>为2.24V;当敏感电容Cs=140fF时，输出电压VT(“/vo”)<5>为2.035V;当敏感电容Cs= 120fP时，输出电压VT(“/vo”)<7>为1.83V;当敏感电容Cs=100fF时，输出电压VT(“/vo”)<9>为1.62V。

因此，由图9可知，当敏感电容值线性变化时，输出电压的变化值也为线性，该对应关系与式(10)相符。当参考电容为Cref=200fF时，敏感电容Cs=190fF～150fF之间变化线性度好，其电容到电压转换的分辨率为100mV/10fF。该接口电路中也可以通过改变参考电容值的大小，以检测不同的敏感电容值。

4 结束语

针对微电容式传感器接口电路设计了一种基于电流镜原理的检测电路，电路利用CMOS工艺实现，将敏感电容变化的电容值转换为输出电压值的变化。通过仿真验证，结果表明本电路仿真结果与理论推导相符，其输出电压与敏感电容的线性度高，检测范围广，利于后期电路处理。