电容数字转换器、集成传感器接口以及传感器装置制造方法及图纸

一种电容数字转换器(CDC)具有：用于接收第一和第二参考电压(VREFP、VREFN)的第一和第二参考端子(T1、T2)；参考块(GREF)，该参考块包括一个或更多个参考电荷存储器并经由第一开关块(SWB1)耦合到第一和第二参考端子(T1、T2)；缩放块(SOB)，该缩放块用于根据缩放因子在第三和第四参考端子(T3、T4)处提供来自第一和第二参考电压(VREFP、VREFN)的缩减电压(SVREFP、SVREFN)；用于连接电容式传感器元件(CS)的第一和第二测量端子(M1、M2)，第一测量端子(M1)经由第二开关块(SWB2)耦合到第三和第四参考端子(T3、T4)；以及处理块(PROG)，该处理块耦合到参考块(GREF)并耦合到第二测量端子(M2)，并且被配置为基于传感器元件(CS)与参考块之间的电荷分布以及基于缩放因子来确定数字输出信号，该输出信号表示传感器元件(CS)的电容值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电容数字转换器、集成传感器接口以及传感器装置本公开涉及一种例如用于确定电容式传感器元件的电容值的电容数字转换器，涉及一种带有这种电容数字转换器的集成传感器接口并且涉及一种带有这种电容数字转换器的传感器装置。电容式传感器可以在许多应用中用于测量诸如湿度或压力之类的物理或化学量。例如，电容式传感器的电容值表示待测量的物理或化学量。为了评估传感器，使用电容数字转换器(CDC)，该电容数字转换器执行从电容值到数字值的转换。在一些常规方法中，CDC利用共用的预定义电压对电容式传感器和一个或更多个参考电容器两者进行充电，并根据存储在电容式传感器和参考电容器上的电荷之间的关系来确定数字值。在这样的实施方式中，一个或更多个参考电容器的电容值等于或大于待测量的电容值。因此，如果必须测量大电容，则必须相应地向一个或更多个参考电容器提供大电容值。例如，将参考电容器设为与特定电容式传感器应用的预期电容值相匹配的外部电路元件。要实现的目的是提供一种允许更灵活地测量电容式传感器的改进的测量构思。该目的通过独立权利要求的主题来实现。改进的测量构思的实施方式和实施例是从属权利要求的主题。本改进的测量构思基于以下知识，即存储在电容器上的电荷既取决于电容值又取决于电压，其中，电容器利用该电压进行充电。如果将存储在电容式传感器上的电容与存储在一个或更多个参考电容器上的电荷进行比较，则本改进构思提出了降低用于对电容式传感器进行充电的电压，同时降低了利用较高电压进行充电的参考电容器的电容值。因此，根据本改进的测量构思，参考电容器不必具有比电容式传感器更大的电容值。例如，具有用于对参考块的一个或更多个参考电容器进行充电的第一参考电压和第二参考电压，这些参考电压能够缩减至第一缩减电压和第二缩减电压，该第一缩减电压和第二缩减电压用于对电容式传感器进行充电。通过相应的处理，能够基于电容式传感器与参考块的一个或更多个参考电容器之间的电荷分布并且基于用于缩减参考电压的缩放因子来确定数字输出信号。因此，对应于未缩减的参考电压与缩减的参考电压之间的比率的该缩放因子在处理中是已知的，并且允许进行比率测量处理。因此，电荷本身的处理独立于参考电压的实际值。例如，本改进的测量构思允许将参考电容器集成到集成电路中，而非在外部提供这些参考电容器。可以例如根据电容式传感器的期望电容值来可变地选择缩放因子。因此，针对不同的电容式传感器可以使用相同的电路。通过缩放预充电到传感器电容上的电压，能够对存储在其上的电荷量进行缩放，并因此，能够相应地扩展电容式传感器的范围。例如，根据该改进的测量构思的电容数字转换器(CDC)包括用于接收第一参考电压和第二参考电压的第一参考端子和第二参考端子。第一参考电压和第二参考电压可以是正电源电压和负电源电压或者是从这样的电源电压中得出的多个电压。可替代地，第一参考电压和第二参考电压可以是一个参考电压和与基极电压(如接地电位)相对应的电压。CDC还包括参考块，该参考块包括一个或更多个参考电荷存储器，并且经由第一开关块耦合到第一参考端子和第二参考端子，以将一个或更多个参考电荷存储器选择性地连接到第一参考端子和第二参考端子。缩放块根据缩放因子在第三参考端子和第一参考端子处提供来自第一参考电压和第二参考电压的缩减电压。可以将缩放因子选择为小于1，而通常不应排除将缩放因子设置为等于1。CDC还包括用于连接电容式传感器元件的第一测量端子和第二测量端子。第一测量端子经由第二开关块耦合到第三参考端子和第四参考端子，以选择性地从第一参考电压和第二参考电压中的至少一个中接收缩减电压。例如，第一测量端子被提供有来自第一参考电压的第一缩减电压或者提供有来自第二参考电压的第二缩减电压。处理块耦合到参考块并耦合到第二测量端子，并且被配置为基于传感器元件与参考块之间的电荷分布以及基于缩放因子来确定数字输出信号。该输出信号表示传感器元件的电容值。因此，通过将缩放因子调整到具体应用(即具体电容式传感器)而允许得到具有宽范围电容式传感器的CDC，所述电容式传感器特别地不限于电容值小于参考块电容值的传感器。在各种实施方式中，CDC可以具有利用sigma-delta模数转换器(ADC)，或者利用逐次逼近寄存器(SAR)ADC来实现的处理块。不排除基于电荷分布的其他实施方式。至少在所提到的实施方式中，即sigma-deltaADC或SARADC中，电容式元件都以切换方式来操作。例如，在各种实施方式中，CDC配置为在第一阶段期间经由第二开关块将第一测量端子连接到第三参考端子，并且在与第一阶段不重叠的第二阶段期间经由第二开关块将第一测量端子连接到第四参考端子。因此，在第一阶段期间向第一测量端子提供第一缩减电压，并且在第二阶段期间向第一测量端子提供第二缩减电压。例如，在与sigma-deltaADC有关的CDC的一些实施方式中，处理块包括积分器和量化器，该积分器和量化器是sigma-deltaADC的一部分。将积分器的输入端耦合到参考块并且耦合到第二测量端子。参考块至少部分地是sigma-deltaADC的从量化器的输出端到积分器的输入端的反馈路径的一部分。第一开关块是基于反馈路径中的反馈信号来控制的。例如，数字输出信号取决于传感器元件与sigma-deltaADC反馈路径中的一个或更多个参考电荷存储器之间的电荷分布。例如，参考块的一个或更多个参考电荷存储器包括至少一个反馈电荷存储器，该反馈电荷存储器经由第一开关块，在第一端处可切换地耦合到积分器的输入端，并且在第二端处可切换地耦合到第一参考端子和第二参考端子。这允许了例如根据开关阶段，利用与反馈信号相关联的相应参考电压来对一个或更多个参考电荷存储器进行充电，并且在第二阶段期间将所存储的电荷提供给积分器输入。例如，输出值取决于至少一个反馈电荷存储器的电容值与利用缩放因子s进行缩放的传感器元件的电容值之间的比率。例如，传感器元件的电容值Cs与至少一个反馈电荷存储器的电容值Cref之间的比例关系能够表示为：其中，DOut表示数字输出信号的值。在一些实施方式中，参考块中可以包含另外的电容式元件，这些电容式元件不是基于反馈信号来控制的，而是利用第一阶段和第二阶段来进行切换的。这些附加的参考电荷存储器可以例如用于生成在积分处理中可减去的平均值的目的，使得例如，数字输出信号仅表示传感器元件的电容值与该平均值的偏差。在基于sigma-deltaADC的CDC的各个实施方式中，CDC被配置为在第一阶段期间将第二测量端子连接到共模端子，并且在第二阶段期间将第二测量端子连接到积分器的输入端。此外，CDC在第一阶段期间将参考块的一个或更多个参考电荷存储器中的至少一个的第一端连接到共模端子，并且在第二阶段期间将其连接到积分器的输入端。此外，CDC在第一阶段期间将参考块的一个或更多个参考电荷存储器中的至少一个的第二端连接到第一参考端子并且在第二阶段期间将其连接到第二参考端子，或者是在第一阶段期间连接到第二参考端子并且在第二阶段期间连接到第一参考端子。一个或更多个参考电荷存储本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容数字转换器CDC，其包括：/n-用于接收第一和第二参考电压(VREFP、VREFN)的第一和第二参考端子(T1、T2)；/n-参考块(CREF)，其包括一个或更多个参考电荷存储器并且经由第一开关块(SWB1)耦合到所述第一和第二参考端子(T1、T2)，以用于将所述一个或更多个参考电荷存储器选择性地连接到所述第一和第二参考端子(T1、T2)；/n-缩放块(SCB)，其用于根据缩放因子在第三和第四参考端子(T3、T4)处提供来自所述第一和第二参考电压(VREFP、VREFN)的缩减电压(SVREFP、SVREFN)；/n-用于连接电容式传感器元件(CS)的第一和第二测量端子(M1、M2)，所述第一测量端子(M1)经由第二开关块(SWB2)耦合到所述第三和第四参考端子(T3、T4)，以用于选择性地从所述第一和第二参考电压(VREFP、VREFN)中的至少一个中接收所述缩减电压(SVREFP、SVREFN)；以及/n-处理块(PROC)，其耦合到所述参考块(CREF)和所述第二测量端子(M2)，并且被配置为基于所述传感器元件(CS)与所述参考块之间的电荷分布以及基于所述缩放因子来确定数字输出信号，所述输出信号表示所述传感器元件(CS)的电容值。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181002 EP 18198139.01.一种电容数字转换器CDC，其包括：
-用于接收第一和第二参考电压(VREFP、VREFN)的第一和第二参考端子(T1、T2)；
-参考块(CREF)，其包括一个或更多个参考电荷存储器并且经由第一开关块(SWB1)耦合到所述第一和第二参考端子(T1、T2)，以用于将所述一个或更多个参考电荷存储器选择性地连接到所述第一和第二参考端子(T1、T2)；
-缩放块(SCB)，其用于根据缩放因子在第三和第四参考端子(T3、T4)处提供来自所述第一和第二参考电压(VREFP、VREFN)的缩减电压(SVREFP、SVREFN)；
-用于连接电容式传感器元件(CS)的第一和第二测量端子(M1、M2)，所述第一测量端子(M1)经由第二开关块(SWB2)耦合到所述第三和第四参考端子(T3、T4)，以用于选择性地从所述第一和第二参考电压(VREFP、VREFN)中的至少一个中接收所述缩减电压(SVREFP、SVREFN)；以及
-处理块(PROC)，其耦合到所述参考块(CREF)和所述第二测量端子(M2)，并且被配置为基于所述传感器元件(CS)与所述参考块之间的电荷分布以及基于所述缩放因子来确定数字输出信号，所述输出信号表示所述传感器元件(CS)的电容值。


2.根据权利要求1所述的CDC，其中，所述缩放因子小于1。


3.根据权利要求1或2所述的CDC，其中，所述CDC被配置为：
-在第一阶段期间，经由所述第二开关块(SWB2)将所述第一测量端子(M1)连接到所述第三参考端子(T3)；以及
-在与所述第一阶段不重叠的第二阶段期间，经由所述第二开关块(SWB2)将所述第一测量端子(M1)连接到所述第四参考端子(T4)。


4.根据权利要求3所述的CDC，其中，
-所述处理块(PROC)包括积分器(IU、I1)和量化器(Q)，所述积分器和量化器是sigma-delta模数转换器(ADC)的一部分；
-所述积分器(IU、I1)的输入端耦合到所述参考块(CREF)和所述第二测量端子(M2)；
-所述参考块(CREF)至少部分地是所述sigma-deltaADC的从所述量化器(Q)的输出端到所述积分器(IU、I1)的输入端的反馈路径的一部分；并且
-所述第一开关块(SWB1)是基于所述反馈路径中的反馈信号来控制的。


5.根据权利要求4所述的CDC，其中，所述参考块(CREF)的一个或更多个参考电荷存储器包括至少一个反馈电荷存储器(Cd1、Cd2)，所述反馈电荷存储器经由所述第一开关块(SWB1)，在第一端处可切换地耦合到所述积分器(IU、I1)的输入端，并且在第二端处可切换地耦合到所述第一和第二参考端子(T1、T2)。


6.根据权利要求5所述的CDC，其中，所述输出值取决于所述至少一个反馈电荷存储器的电容值与利用所述缩放因子进行缩放的所述传感器元件(CS)的电容值之间的比率。


7.根据权利要求4至6之一所述的CDC，其中，所述CDC被配置为：
-将所述第二测量端子(M2)在所述第一阶段期间连接到共模端子(VCM)，并且在所述第二阶段期间连接到所述积分器(IU、I1)的输入端；
-将所述参考块(CREF)的一个或更多个参考电荷存储器中的至少一个的第一端在所述第一阶段期间连接到所述共模端子(VCM)，并且在所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉斐尔·塞拉诺·戈塔雷多纳，乔斯·马努埃尔·加西亚·冈萨雷斯，
申请(专利权)人：AMS有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT