本技术公布了一种多步电容传感器读出电路及其实现方法,对增量型缩放式电容传感器读出电路进行改进;设计改进斩波的采样方法,不引入额外的硬件开销,充分利用CDC的工作时序,将采样噪声连同第一级积分器的失调和闪烁噪声一起消除,避免了多次采样平均以及采样噪声消除技术常见方法存在的功耗提高、测量时间延长等问题。制备自偏置浮动反相放大器,将自偏置浮动反相放大器用作第一级积分器,提高了系统的能效,也避免了共模反馈电路的使用。本发明实现了高能效、高精度、低延迟,可广泛应用在机器人、无人机等领域。
背景技术
随着电容传感器技术的不断演进,电容传感器的应用场景逐渐从传统的低速场合(例如压力和湿度的测量)扩展到一些实时系统(例如机器人和无人机),对电容传感器读出电路提出了高分辨率、高能效、低延迟的要求。现有的逐次逼近型电容数字转换器(SARCDC)具有较高的能效,但是受限于比较器的热噪声,其精度较低;ΔΣ电容数字转换器(ΔΣ CDC)通过噪声整形和过采样,提高了系统精度,但是其通常需要高能耗的积分器。缩放式电容数字转换器(Zoom CDC)作为一种新型的电路结构,可以同时兼顾能效和精度,引发了广泛关注。
Zoom CDC是一种多步电容传感器读出电路,结合了SAR CDC和ΔΣ CDC的优点,首先利用SAR CDC进行粗量化,扩展CDC的动态范围;粗量化完成后,根据量化结果调整细量化的参考电平,利用ΔΣ CDC进行细量化,提高系统精度。由于ΔΣ CDC积分器的输入信号为相对较小的粗量化后的残差信号,因而可以降低积分器的功耗,并提高其线性度。Zoom CDC精度的主要限制因素为采样噪声以及第一级积分器的噪声难以消减。在实时系统的应用背景下,Zoom CDC的测量时间较短,过采样率较小,采样噪声因为平均次数少而无法得到很好的衰减,传统的采样噪声消除技术需要引入额外的放大器,带来额外的时间和功耗开销。对于第一级积分器,现有Zoom CDC采用闭环结构或者开环的静态结构,能效较差。
因此,现有技术设计出的电容数字转换器CDC难以适用于机器人、无人机等实时系统对高能效高精度的CDC的要求。
实现思路