摘要:电容式压力传感-电路集成和元件补偿电容测量电路通常将电容转变为其他的适于处理的热学量，比如电流、电流和频度。目前出现的测量电路大约可分为电容一电流转换电路和电容一频度转换电路。将电容转换成频度的最简单方式就是采用RLC回路产生共振.来测量
电容式压力传感-电路集成和元件补偿
电容测量电路通常将电容转变为其他的适于处理
的热学量，比如电流、电流和频度。目前出现的测量
电路大约可分为电容一电流转换电路和电容一频度转
换电路。将电容转换成频度的最简单方式就是采用
RLC回路产生共振.来测量频度大小或相位的变化或
电容的变化。
(1)开关电容电路
开关电容电路借助IC加工时电容制做匹配性好
于阻值的优点，通过分时处理的方法，采用电容反馈
方式，获得与电容比值相关的电流输出，在ADC中
具有重要的应用。其具有电容反馈的固有特性促使开
关电容电路在电容检测中得到应用。开关电容电路的
主要优点有:①与CMOS工艺兼容;②时间常数精
确;③电压线性度高;④温度特点好。
开关电容电路通过时钟作用，分时实现电容的冲
放电过程，致使电容上电荷形成转移，按照电荷守恒
的原则.得到输入端对应的电流大小。图29.4一给
出了开关电容放大器的原理图。整个电路有两项互不
重叠时钟控制φ1和φ2，另外一个时钟φ1'，其增长端
比φ1提早一个时间tlag，其目的是采用底极板取样技
术时钟，减少因为时钟变化而形成的注人电荷的影
响。电路的输出为
这样通过开关电容电路就将电容量转换成电流的
输出，在具体的应用中，有时会在输入端降低参考电
容，通过分时工作得到电容变化量对应的电流值。
为了增加电路的复杂性，同时去除纹波噪音的干
扰，可以采用差分输入的方法，这样就在电容相连的
一极施加驱动电流讯号，电容的另外两极为输出端，
接人到差分电路中。驱动电流的干扰可以通过这些方
式清除，增强了电源的干扰抑制能力，抵消了衬噪音
声的影响。对于开关电容电路实现的电路方式，差分
输人还有利于抑制因为开关打开而形成的电荷注人的
影响。图29.4-9给出了电容测量电路的双端输人形
式，Ca为传感电容，Cr为参考电容，两个电容相
连组成桥式结构，在其中端施加驱动电流讯号，电容
的另两端分别接到运算放大器的两端，实现差分输人
形式，Cn为反馈电容，通过这些方法，组成开关电
容电路方式。Cp为放大器的寄生电容，输入电流脉
冲通常与电源供电电流匹配，通常为几伏大小，开关
电容电路的输出与输人电流的变化成反比，电路电流
变化为ΔVa=VA+-vA-，在电容完全匹配的情况下，
电路的输出电流为
电路反馈促使放大器输入端的串扰电流形成偏
移，相应减少了作用在传感电容和参考电容上的电
压变化量。另外，寄生电容和反馈电容的不匹配就会
引起一定的偏差，小的误差和湿度变化就会促使输出
发生偏斜，影响了电路的稳定性。寄生电容和反馈电
容的失配引起的输出失调为
(2)相关双取样技术(CDS)
在开关电容电路中，有好多种去除电路失调和低
频1/f噪音的方式，相关双取样(CDS)就是其中的
一种，在微电容检侧电路的设计中，采用双取样技术
可以实现高精度。从讯号剖析的角度来看，相关双采
样电路为一个骁龙混频器，可以将低频的失调和噪音
去除。顾名思义，相关双取样技术采用两次取样来消
除失调，减少1/f噪音。第一次为清零状态，这时输
人为零，输出为电路的失调和1扩噪音以及电荷注
人，第二次为讯号测量状态，输入为有效讯号以及噪
声，因为低频噪音随时间的变化较小，这样通过两次
输出的差就可以得到去除噪音的有效讯号。因为低频
噪音随时间变化较小，因而是相关的。但对于高频噪
声，如热嗓声来说，CDS技术不能清除，两次取样反
而降低了电路的热噪音。对于电路部份热噪音的优化
设计可LA增加这部份噪音。图29.4-10给出了采用
CDS实现的电容一电流转换电路。在φSN1取样状态
下，电路的失调、电荷注入、1/f噪音被放大储存到
保持电容CH上，在护，取样状态下，电容艳人端施
加vs的电流讯号，这时有效讯号和失调、电荷注入
以及1/f噪音一起被放大到电容C，上极板，因为电
容的保持效应，在电路的输出端得到第二次取样得到
的值与偏差讯号的差值，电路的输出得到清除失调、
减少1/f的有效输出。在一阶近似的情况下，CDS几
乎完全去除失调和电荷注入，对1/f噪音具有毖波整
形作用，极大地降低了1/f噪音的大小。
(3)元件补偿
电容式压力传感与压阻式压力传感相比具有
众多优点，并且有较高的非线性。压阻式元件通常线
性度较好，而且在未补偿时，仅有全阻值的0.5%
(8位)。对于补偿而言，有两种较为可行的方案，一
种是方程拟合，另一种是全盘程查找表。诸如，通
过使用片外CPU来实现，采用方程拟合，使用逐
步迭代方案.用153个固定取样点来描述压阻式多晶
硅全桥薄膜元件，以及湿度和压力#帷。在补偿之
前，全阻值的非线性为29%，补偿以后，元件性能
增强了4.4位。
对电容压力传感，可采用高集成度方案，比如
电容式压力传感具有15位的区分力(403。片上电路
才能借助3位多路传感及其选择寄存器，提供5个
不同传感器器的插口。它通过可编程增益以及偏置电路
来实现电路在不同阻值和范围内正常工作，并具有
DC模拟输出缓冲。系统提供校正和运行的模式以及
外部调试引脚。最终阵列包含5个不同的传感，能
够夜盖()的范围。因为电容式传感器
器对规格方面的依赖性补偿电容器工作电流过大，薄膜的规格变化范围仅仅为
1000～1100μm。薄膜为中心具有BOSS结构的3.7/
0.3μm的Si/SiO2膜。传感的测量使用五级可编程
开关电容电路(砷化镓参考电容)。后端为使用折叠
共发射共基放大器差分电荷积分器，用电路控制工作
状态补偿电容器工作电流过大，因而首先是所有传感处于工作状态，之后电
路决定那个传感工作便于获得最大区分力。电路采
用双取样时钟，用于减少闪动噪音和放大器甩尾。