直接式电容至数字转换器制造技术

本发明专利技术提供一种直接式电容至数字转换器，包括多个开关、模拟至数字转换器、参考电压电路以及激发单元，利用激发单元控制多个开关，配合参考电压电路所输出的参考电压，直接感测外部待测电容以及与待测电容相关的杂散电容，并由模拟至数字转换器将待测电容直接转换成精确的数字信号，同时可与其它感测组件整合到单一芯片内以构成整合性的直接式电容至数字转换器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种直接式电容至数字转换器，尤其是可直接感测出电容，不须外加放大器，直接转换成精确的数字信号。
技术介绍
随着数字科技的快速进步以及半导体制程的开发，电子业界已发展出高度整合性且运算能超强的处理器或绘图芯片，但是这些功能强的数字芯片需要数字输入信号才能运作，而实际的电气信号大多是模拟信号，因此业界开发出许多种类的模拟至数字转换器(Analog-to-digital converter, ADC)，以符合不同场合的需求，比如高速或高分辨率的模拟至数字转换器。而模拟电气信号通常是由传感器所产生，比如压电传感器、光度传感器、温度传感器、超音波传感器、速度传感器或湿度传感器，尤其是近年发展快速应用于微机电(Micro ElectroMechanical Systems,MEMS)的传感器，已广泛的应用于不同的消费电子领域，其中最受人瞩目的有任天堂新近推出的Wii游戏机，其特色便是以MEMS技术为基础的三轴加速度传感器，并配合无线控制器，以达到高度创新性的娱乐效果，另外触控式屏幕也是引用此技术的火红应用。 这些应用都是透过传感器再经过放大器再接至ADC，而E - A (Sigma-Delta)ADC是其中较常使用的ADC。 参阅图l，现有技术中感应电容转换装置的功能方块图。如图1所示，感应电容转换装置1包括传感器10、感测放大器20、偏压电路30以及ADC 40，其中感测放大器20将传感器10的输出信号进行放大处理，再通过ADC 40转换成数字信号，而偏压电路30提供适当的偏压电压给感测放大器20与ADC40。 参阅图2，图1的较详细示意图，其中传感器10的电气模型是以电容CS以及等效输入阻抗R表示，电容CS因外在环境变化所导致的电容变化为ACS，而在偏压电压Vbias下，电容CS的变化产生电压变化A VCS，经感测放大器20放大后输入给ADC 40。以第一级E -AADC的架构为例，ADC 40具有第一级转换电路41以及比较器45，其中第一级转换电路41包括减法器42、加法器43、延迟器44以及数字至模拟转换器(Digital-to-analogconverter, DAC) 46， DAC 46将比较器45的数字输出电压Vout转换成模拟信号，经减法器42取出感测放大器20的输出信号与DAC 46的输出信号的差额，再经加法器43加上延迟器44的输出信号，并输出给延迟器44，以完整个ADC操作。因E _ AADC为众所周知的技术，在此仅作摘要性说明。 在图2中，杂散电容C2连接到电容CS以及接地，表示因制程误差或电路配置而产生的额外等效电容，且随着制程与电路的不同，杂散电容C2的电容大小也会不同。 此外，在一般的E -AADC架构中，为提高ADC的分辨率，常常使用多级串接的架构，即第一级转换电路41的输出信号可传送给下一级的转换电路，而最后一级的转换器才连接到比较器。 但是，现有技术的缺点为需要能产生电压的偏压电压的偏压电路，以及一级放大电路，以提高感测灵敏度，但对于一般的集成电路制程而言，具有相当严苛的挑战来克服偏压电路的噪声，且不容易整合到其它现有低压操作的功能方块中。 现有技术的另一缺点为需要高质量的放大器，以便将非常低的感应电容电压转换到ADC可处理的电压范围内，而建置该放大器需占用相当大的芯片面积，使得芯片成本升高，同时放大器的偏置(Offset)及增益(Gain)，噪声(Noise)，均会增加讯号的误差。 现有技术的另一缺点为，因制程误差或电路配置而产生的杂散电容会降低整体ADC的精确度，且随着制程与电路而变动，造成ADC的不稳定性。 因此，需要一种直接式电容至数字转换器，通过ADC将待测组件的电容变化信号转换成数字信号的转换装置，省去感测放大器以及偏压电路，进而縮小芯片面积，并解决杂散电容对整体ADC的不稳定性影响，提高ADC的精确度。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在提供一种直接式电容至数字转换器，利用激发单元控制多个开关，配合参考电压电路所输出的参考电压，直接感测出待测电容变化，并直接转换成数字信号，以提高数字信号的精确度，并且将多个开关、转换器、参考电压电路、控制器整合到单一芯片内，以构成整合性单芯片，而不需额外建置高压的偏压电路以及高质量的感测放大器。 本专利技术的另一目的在提供一种直接式电容至数字转换器，利用具差额积分器的差额型模拟至数字转换器，将待测组件的感应电容电压以差额方式转换成数字信号，以提高抗噪声干扰的能力。 因此，本专利技术所提供的直接式电容至数字转换器，可解决上述现有技术中因待测组件的杂散电容所引起的缺点。附图说明图1为显示现有技术中微机电感应电容电压的转换装置的功能方块2为图1的较详细示意图；图3为本专利技术的模拟至数字转换装置的功能方块图；图4为图3的较详细示意图；图5为本专利技术第一实施例的第一操作的示意图；图6为图5的波形图；图7为本专利技术第一实施例的第二操作的示意图；图8为图7的波形图；图9为本专利技术第一操做的第二实施例的示意图；图10为图9的波形图；图11为本专利技术第二实施例的示意图；图12为本专利技术第二实施例的第二级积分器与比较器的示意图。主要组件符号说明l感应电容转换装置2电容至数字转换装置7 10传感器 20感测放大器 30偏压电路 40模拟至数字转换器 41第一级转换电路 42减法器 43加法器 44延迟器 45比较器 46数字至模拟转换器 50模拟至数字转换器 51第一级积分器 53第二级积分器 55比较器 60激发单元 Cla、 Clb、 C2a、 C2b、 C3a、 C3b电容 C4a、 C4b、 C6a、 C6b、 C7a、 C7b电容 Cl待测电容 C2杂散电容 C3DAC电容 C4外部补偿电容 CS待测电容 CT积分电容 CT1反相积分电容 CT2非反相积分电容 0P1放大器 0P1D差额放大器 R输入阻抗 SW1第一开关 SW2第二开关 SW3第三开关 SW4第四开关 SW5第五开关 S怖第六开关 SW7第七开关 SW8第八开关 SW9第九开关 Tl第一操作周期 T2第二操作周期Vl第一参考电压V2第二参考电压V3第三参考电压Vbias偏压电压Vout数字输出电压Voutl第一积分器输出电压VP1第一端电压VR+高位准参考电压VR-低位准参考电压小1第一开关信号小2第二开关信号小3第三开关信号小3B第三反相开关信号小4第四开关信号小5第五开关信号具体实施例方式以下配合图式及组件符号对本专利技术的实施方式做更详细的说明，使熟习该项技艺者在研读本说明书后能据以实施。 参阅图3，本专利技术的直接式电容至数字转换器的功能方块图。如图3所示，本专利技术的直接式电容至数字转换器2包括模拟至数字转换器50以及激发单元60，用以感测待测电容Cl的电容电压，而杂散电容C2为制程或电路所引起而与待测电容Cl相关的杂散电容，其中模拟至数字转换器50包括第一级积分器51、第二级积分器53以及比较器55。激发单元60控制待测电容Cl的第一端Pl与第二端P2，其中杂散电容C2接到待测电容Cl的第二端P2，同时激发单元60控制模拟至数字转换器50的第一级积分器51。第二级积分器53以及比较器55可采用一般的积分器与比较器。要注意的是，图3的第二级积分器53可为多个串接的积分器，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直接式电容至数字转换器，用以感测出与一待测电容相关的一杂散电容，并直接将所述待测电容的一感应电容转换成一数字信号，且所述杂散电容的一第一端连接至所述待测电容的一第一端，所述杂散电容的一第二端连接至接地，所述直接式电容至数字转换器包括：一第一级积分器，接收所述待测电容的第二端的一输入信号，经积分后产生一第一级积分器输出信号；一第二级积分器，接收所述第一级积分器输出信号，经积分后产生一第二级积分器输出信号，所述第二级积分器包括一积分电容以及一积分放大器，所述积分电容的一端以及所述积分放大器的一反相输入端连接到所述第二级积分器的所述输入信号，所述积分放大器的一非反相输入端为接地，所述积分电容的一另一端以及所述积分放大器的一输出端连接到所述第二级积分器输出信号；一比较器，接收所述第二级积分器输出信号，经与一标准电压比较后产生所述数字信号；以及一激发单元，产生多个控制信号，以控制所述待测电容的第一端与一第二端以及所述第一级积分器，所述多个控制信号包括一第一开关信号、一第二开关信号、一第三开关信号、一第三反相开关信号、一第四开关信号以及一第五开关信号，且所述第三反相开关信号为所述第三开关信号的反相，所述第一开关信号至第五开关信号的高准位不重迭；其中所述激发单元依序产生高准位的所述第一开关信号、第二开关信号以及第三开关信号，用以感测所述杂散电容的电压，且所述激发单元依序产生高准位的所述第四开关信号以及第五开关信号，用以感测所述待测电容的电压。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕志勋，
申请(专利权)人：纬拓科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]