一种基于匹配电容的微小动态电容比较电路制造技术

本发明专利技术公开了一种基于匹配电容的微小动态电容比较电路，其特征在包括电容模块、控制模块、比较模块和匹配电容模块，随着开关的导通和断开，电容模块中的比较电容的电容连接点的电压也随之改变，积分器便根据电压变化判断比较电容的大小；匹配电容模块的设置更有助于实现微小电容比较。本发明专利技术能够在一个时针周期内完成两个微小电容值的比较，快速且精度高，测量范围大，可靠性强，受外界影响小。

【技术实现步骤摘要】
一种基于匹配电容的微小动态电容比较电路
本专利技术涉及一种微小电容比较电路，更具体地说是一种基于匹配电容的微小动态电容快速比较电路。
技术介绍
电容式检测装置是一种将被检测物体的状态量转换成数字输出的装置。这种检测装置结构简单、体积小、动态响应好、稳定性好、灵敏度高、可实现非接触式测量，安装应用空间要求低，可广泛应用于家电、位移、加速度、液位、压力等检测领域，目前的电容式检测装置检测的电容值比较大，仅传感器自身和连线电容就达数十pF级电容。如果对于两个更小的电容值比较,则会出现较大误差。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于匹配电容的微小动态电容比较电路，以巧妙的比较电路结构实现两个微小电容值的迅速可靠的比较，进而实现相关物理量的检测。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术基于匹配电容的微小动态电容比较电路的结构特点是：所述电路包括：一电容模块，令电容Ca的一端为电容Ca第一端，电容Cb的一端为电容Cb第一端，相互串联的电容Ca和电容Cb是在电容Ca的另一端和电容Cb的另一端相连接形成电容连接点，以所述电容连接点作为电容模块输出端；第一反相器U1以其输出端接电容Ca第一端，第一反相器U1的输入端接电容Cb第一端，并在所述第一反相器U1的反相器输入端连接时钟信号CLK；所述电容Ca和电容Cb为被比较的动态微小电容；一控制模块，包括受时钟信号控制的开关K2和开关K1，所述开关K2的一端、开关K1的一端以及电容模块输出端共同连接于a点，开关K1的另一端与电阻R1的一端、电阻R2的一端以及运算放大器U2的正向输入端共同连接，电阻R1的另一端接电源Vdd，电阻R2的另一端接地，由电阻R1和电组R2构成分压电路；一比较模块，是在所述运算放大器U2的反向输入端连接所述开关K2的另一端，所述运算放大器U2的输出端连接施密特触发器U3的触发信号输入端，所述施密特触发器U3的输出端连接第二反相器U4的输入端，以所述第二反相器U4的输出信号表征微小动态电容比较结果；一匹配电容模块，是将电容C1、C2、C3和C4的一端与施密特触发器U3的触发信号输入端共同连接，电容C4的另一端连接开关K3的一端，电容C3的另一端连接开关K4的一端；开关K3的另一端、开关K4的另一端、电容C1的另一端以及电容C2的另一端共同连接所述运算放大器U2的反向输入端；由所述匹配电容模块与运算放大器U2构成积分电路。本专利技术基于匹配电容的微小动态电容比较电路的结构特点也在于：设置保护模块，是由PMOS管和NMOS管串联连接，将所述PMOS管和NMOS管之间的连接点连接至电容模块输出端；所述保护模块可以是由多个并联的PMOS管以及多个并联的NMOS串联构成。本专利技术基于匹配电容的微小动态电容比较电路的结构特点也在于：所述开关K1、K2、K3和K4是受时钟信号控制的MOS管。本专利技术基于匹配电容的微小动态电容比较电路的结构特点也在于：所述电阻R1和电组R2的阻值为相等。本专利技术基于匹配电容的微小动态电容比较电路的结构特点也在于：所述运算放大器U2是由差分放大器和共源放大器构成的两级放大器，在所述差分放大器和共源放大器之间连接补偿电容C5。本专利技术基于匹配电容的微小动态电容比较电路的结构特点也在于：所述电容模块中的电容Ca和电容Cb的差值不小于匹配电容模块中电容C3和C4的差值。与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：1、本专利技术技术方案中，随着开关的导通和断开，电容模块中的被比较的动态微小电容的连接点的电压也随之改变，积分器根据电压变化判断比较电容的大小；匹配电容模块的设置更有助于实现微小电容比较。2、本专利技术能够在一个时钟周期内对1pF--3pF级的动态微小电容进行比较，并输出结果，其检测速度迅速。3、本专利技术中以大电容做差，从而获得小电容，是利用开关的导通与闭合获得电容C3与C4的差值△C，可以进一步设置差值△C为pF级，能获得更大的动态范围。4、本专利技术电路可靠性高、抗干扰能力强，整个电路由MOS管实现，其面积小、功耗低、精度高。附图说明图1是本专利技术电路原理图。图2是本专利技术中差分放大器及共源输出电路结构。具体实施方式参见图书，本实施例中基于匹配电容的微小动态电容比较电路包括：一电容模块10，令电容Ca的一端为电容Ca第一端，电容Cb的一端为电容Cb第一端，相互串联的电容Ca和电容Cb是在电容Ca的另一端和电容Cb的另一端相连接形成电容连接点，以所述电容连接点作为电容模块输出端；第一反相器U1以其输出端接电容Ca第一端，第一反相器U1的输入端接电容Cb第一端，并在所述第一反相器U1的反相器输入端连接时钟信号CLK；所述电容Ca和电容Cb为被比较的动态微小电容；一控制模块20，包括受时钟信号控制的开关K2和开关K1，所述开关K2的一端、开关K1的一端以及电容模块输出端共同连接于a点，开关K1的另一端与电阻R1的一端、电阻R2的一端以及运算放大器U2的正向输入端共同连接，电阻R1的另一端接电源Vdd，电阻R2的另一端接地，由电阻R1和电组R2构成分压电路；一比较模块30，是在所述运算放大器U2的反向输入端连接所述开关K2的另一端，所述运算放大器U2的输出端连接施密特触发器U3的触发信号输入端，所述施密特触发器U3的输出端连接第二反相器U4的输入端，以所述第二反相器U4的输出信号表征微小动态电容比较结果；一匹配电容模块40，是将电容C1、C2、C3和C4的一端与施密特触发器U3的触发信号输入端共同连接，电容C4的另一端连接开关K3的一端，电容C3的另一端连接开关K4的一端；开关K3的另一端、开关K4的另一端、电容C1的另一端以及电容C2的另一端共同连接所述运算放大器U2的反向输入端；由所述匹配电容模块40与运算放大器U2构成积分电路。如图1所示，本实施例中设置保护模块50，是由PMOS管和NMOS管串联连接，将所述PMOS管和NMOS管之间的连接点连接至电容模块输出端；保护模块50可以是由多个并联的PMOS管以及多个并联的NMOS串联构成，利用CMOS管做成的二极管结构，横向寄生的N-P-N晶体管在开启时可以吸收很大的电流，利用这个特性可以显著提高电路的耐ESD能力；各开关K1、K2、K3和K4是受时钟信号控制的MOS管，在几十KHz的频率条件下MOS管响应速度快、可稳定工作、开关损耗小；串联设置在Vdd和GND之间的电阻R1和电组R2的阻值为相等，用于实现Vdd/2的分压比，电阻R1和R2采用等比例电阻，在设计时通过对称设计，使电阻R1和R2的参数特性相一致，以提高电压分比例的精度及电器参数的一致性。参见图2，本实施例中运算放大器U2是由差分放大器61和共源放大器62构成的两级放大器，差分放大器61是基于对参考电压Vref和输入电压Vin的比较，因容易受到电源及输入电压波动的影响，在差分放大器61的输出端和共源放大器62之间设置补偿电容,该电容为CMOS结构电容，能够有效降低因输入波动带来的误动作。本实施例中匹配电容模块40中的电容C1、C2、C3和C4采用MOS电容，电容值均为pF级，其中电容C3和C4的差值同样为pF级，电容模块10中的电容Ca和电容Cb的差值不小于匹配电容模块40中电容C3和C4的差值，电容模块中的电容Ca和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于匹配电容的微小动态电容比较电路，其特征在于：所述电路包括：一电容模块(10)，令电容Ca的一端为电容Ca第一端，电容Cb的一端为电容Cb第一端，相互串联的电容Ca和电容Cb是在电容Ca的另一端和电容Cb的另一端相连接形成电容连接点，以所述电容连接点作为电容模块输出端；第一反相器U1以其输出端接电容Ca第一端，第一反相器U1的输入端接电容Cb第一端，并在所述第一反相器U1的反相器输入端连接时钟信号CLK；所述电容Ca和电容Cb为被比较的动态微小电容；一控制模块(20)，包括受时钟信号控制的开关K2和开关K1，所述开关K2的一端、开关K1的一端以及电容模块输出端共同连接于a点，开关K1的另一端与电阻R1的一端、电阻R2的一端以及运算放大器U2的正向输入端共同连接，电阻R1的另一端接电源Vdd，电阻R2的另一端接地，由电阻R1和电组R2构成分压电路；一比较模块(30)，是在所述运算放大器U2的反向输入端连接所述开关K2的另一端，所述运算放大器U2的输出端连接施密特触发器U3的触发信号输入端，所述施密特触发器U3的输出端连接第二反相器U4的输入端，以所述第二反相器U4的输出信号表征微小动态电容比较结果；一匹配电容模块(40)，是将电容C1、C2、C3和C4的一端与施密特触发器U3的触发信号输入端共同连接，电容C4的另一端连接开关K3的一端，电容C3的另一端连接开关K4的一端；开关K3的另一端、开关K4的另一端、电容C1的另一端以及电容C2的另一端共同连接所述运算放大器U2的反向输入端；由所述匹配电容模块(40)与运算放大器U2构成积分电路。...

【技术特征摘要】
1.一种基于匹配电容的微小动态电容比较电路，其特征在于：所述电路包括：一电容模块(10)，令电容Ca的一端为电容Ca第一端，电容Cb的一端为电容Cb第一端，相互串联的电容Ca和电容Cb是在电容Ca的另一端和电容Cb的另一端相连接形成电容连接点，以所述电容连接点作为电容模块输出端；第一反相器U1以其输出端接电容Ca第一端，第一反相器U1的输入端接电容Cb第一端，并在所述第一反相器U1的反相器输入端连接时钟信号CLK；所述电容Ca和电容Cb为被比较的动态微小电容；一控制模块(20)，包括受时钟信号控制的开关K2和开关K1，所述开关K2的一端、开关K1的一端以及电容模块输出端共同连接于a点，开关K1的另一端与电阻R1的一端、电阻R2的一端以及运算放大器U2的正向输入端共同连接，电阻R1的另一端接电源Vdd，电阻R2的另一端接地，由电阻R1和电组R2构成分压电路；一比较模块(30)，是在所述运算放大器U2的反向输入端连接所述开关K2的另一端，所述运算放大器U2的输出端连接施密特触发器U3的触发信号输入端，所述施密特触发器U3的输出端连接第二反相器U4的输入端，以所述第二反相器U4的输出信号表征微小动态电容比较结果；一匹配电容模块(40)，是将电容C1、C2、C3和C4的一端与施密特触发器U3的触发信号输入端共同连接，电容C4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓蕾，汪涛，蒋飞飞，
申请(专利权)人：合肥工业大学，合肥工大先行微电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34