包括開關(guān)電容橋的電路和方法
【專利摘要】一種包括開關(guān)電容橋的電路和方法，該方法包括：在時鐘周期的第一階段期間，可選擇地將電容橋的第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)分別耦合至第一和第二電壓，以及可選擇地將所述電容橋的第一和第二輸出節(jié)點(diǎn)分別耦合至第一和第二輸出端子。該方法還包括：在時鐘周期的第二階段期間，可選擇地將所述第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)分別耦合至第二和第一電壓，以及可選擇地將所述第一和第二輸出節(jié)點(diǎn)分別耦合至第二和第一輸出端子。
【專利說明】包括開關(guān)電容橋的電路和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開通常涉及測量電路，更具體地，涉及被配置為利用橋電路檢測未知電學(xué)參 數(shù)的測量電路。

【背景技術(shù)】
[0002] 電容測量傳感器，例如壓力傳感器和濕度傳感器，能夠配置為傳遞電信號，該電信 號能夠估計被測參數(shù)的極小變化。這種傳感器可與一個配置為將電容的細(xì)微變化轉(zhuǎn)化為輸 出信號的估計電路耦合。由于待測電容的尺寸小，有時用模擬放大器將模擬信號縮放，然 后，將經(jīng)過放大的模擬信號由模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 在一個【具體實(shí)施方式】中，一種方法，包括：在時鐘周期的第一階段，可選擇地，將電 容橋的第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)分別與第一和第二電壓稱合，以及可選擇地，將電容橋的第一 和第二輸出節(jié)點(diǎn)分別與第一和第二輸出端子耦合。該方法還包括：在時鐘周期的第二階段， 可選擇地，將該第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)分別與該第二和第一電壓耦合，以及可選擇地，將該第 一和第二輸出節(jié)點(diǎn)分別與該第二和第一輸出端子f禹合。
[0004] 在另一實(shí)施方式中，一種電路，包括一電容橋，該電容橋包括第一輸入節(jié)點(diǎn)、第二 輸入節(jié)點(diǎn)、第一輸出節(jié)點(diǎn)和第二輸出節(jié)點(diǎn)。該電路還包括第一開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置為 在時鐘周期的第一階段將該第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)分別與第一和第二輸入耦合，以及，在該 時鐘周期的第二階段，將該第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)分別與該第二和第一輸入耦合。在一個實(shí) 施方式中，該電路還包括第二開關(guān)電路，該第二開關(guān)電路配置為在第一階段可選擇的將該 第一和第二輸出節(jié)點(diǎn)分別與該第一和第二輸出端子耦合，以及在第二階段，可選擇的將該 第二和第一輸出節(jié)點(diǎn)分別與該第一和第二輸出端子f禹合。
[0005] 在又一實(shí)施方式中，一種電路，包括電容橋，該電容橋包括第一輸入節(jié)點(diǎn)、第二輸 入節(jié)點(diǎn)、第一輸出節(jié)點(diǎn)和第二輸出節(jié)點(diǎn)。該電路還包括：用于可選擇地將第一電壓與第一和 第二輸入節(jié)點(diǎn)之一進(jìn)行耦合的第一多個開關(guān)，用于可選擇地將第二電壓與該第一和第二輸 入節(jié)點(diǎn)之一進(jìn)行耦合的第二多個開關(guān)，用于可選擇地將該第一輸出節(jié)點(diǎn)與該第一和第二輸 出端子之一進(jìn)行耦合的第三多個開關(guān)，以及，用于可選擇地將該第二輸出節(jié)點(diǎn)與該第一和 第二輸出端子之一進(jìn)行耦合的第四多個開關(guān)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1是包含與連續(xù)時間積分器耦合的傳統(tǒng)惠斯通電橋的電路示意圖。
[0007] 圖2是根據(jù)一個實(shí)施方式的包含與連續(xù)時間積分器耦合的開關(guān)電容橋的電路示 意圖。
[0008] 圖3是包含圖2電路實(shí)施方式的多級速度德爾塔-西格馬調(diào)制器的示意圖。
[0009] 圖4是根據(jù)一個實(shí)施方式的電容到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第一積分器的電路圖。
[0010] 圖5是作為電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC)架構(gòu)的一部分可與圖4的第一積分器相結(jié)合而 使用的第二積分器的實(shí)施例的電路圖。
[0011] 圖6是根據(jù)一個實(shí)施方式的加法和比較器/鎖存器電路的電路圖。
[0012] 圖7是根據(jù)一個實(shí)施方式的操作開關(guān)電容橋的方法流程圖。
[0013] 在下面的描述中，不同的實(shí)施方式中使用的相同的附圖標(biāo)記表示相同或類似的部 件。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面描述的開關(guān)電容橋的實(shí)施方式可用于測量電容的極小變化（如小于 0· OlfF)，并同時具備高分辯率（如高于16位）和低功耗（如低于60 μ A)性能。在一個實(shí) 施例中，該開關(guān)電容橋能夠以高于16位的分辯率、同時低于60 μ Α的電流損耗來測量小于 0. OlfF的電容變化。在一個實(shí)施方式中，一種電路，包含由四個電容組成的橋電路，該橋電 路具有兩個輸入和兩個輸出，其中，兩個輸入配置為通過第一開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可選擇地與電壓源 耦合，兩個輸出配置為通過第二開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可選擇地與積分器電路的輸入耦合。在一個實(shí)施 方式中，可選擇地觸發(fā)該第一和第二開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)，以在每個時鐘周期的兩個階段（也 就是每個時鐘周期兩次）對電荷進(jìn)行采樣和積分。該開關(guān)電容橋可配置為將高精度的電阻 型惠斯通電橋與開關(guān)電容德爾塔-西格馬積分器的輸入開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，相對于被配 置為分別執(zhí)行這些電路功能的電路來說，縮小了電路面積并減小了功耗。
[0015] 在一個實(shí)施方式中，基于德爾塔-西格馬的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC)架構(gòu)包括橋電 路、積分電路和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其可用于耦合任一基于電容的測量/檢測系統(tǒng)，以同時提供高精 度和低功耗。該德爾塔-西格馬CDC架構(gòu)可以在相對較低的帶寬內(nèi)應(yīng)用，如大約100Hz等 級的帶寬。在一個實(shí)施方式中，該德爾塔-西格馬CDC架構(gòu)可用于實(shí)現(xiàn)電池供電的濕度傳 感器、壓力傳感器或者其他類型的傳感器。在一個具體的典型實(shí)施例中，該德爾塔-西格 馬CDC架構(gòu)可提供16位或者具有最低有效位大約為0. 005fF的更高的分辯率，同時功耗為 59μ A以及采用0. 18 μ m處理工藝的電路面積為220 μ mX 340 μ m。
[0016] 該開關(guān)電容橋模仿電阻惠斯通電橋的工作，以與測量電阻極小變化的經(jīng)典電阻惠 斯通電橋大約相同的精度測量電容的極小變化。為了說明該開關(guān)電容橋的概念，下面參照 圖1對與連續(xù)時間積分器的輸入耦合的傳統(tǒng)電阻惠斯通電橋進(jìn)行說明。
[0017] 圖1所示電路100的結(jié)構(gòu)圖包括一個與連續(xù)時間積分器104耦合的傳統(tǒng)的惠斯通 電橋102?；菟雇姌?02包括：可與第一基準(zhǔn)電壓源126 (VKEFP)稱合的輸入106,該第一 基準(zhǔn)電壓源126可提供正的基準(zhǔn)電壓（例如，供電電壓或者帶隙基準(zhǔn)電路的輸出電壓），以 及，可與第二基準(zhǔn)電壓源128 (VKEFM)耦合的輸入108,該第二基準(zhǔn)電壓源128提供負(fù)的基準(zhǔn) 電壓（例如，地電壓）?；菟雇姌?02還包括：輸出110,其向積分器104的負(fù)㈠ 輸入端 Vm提供電壓，以及，第二輸出112,其向積分器104的正（+)輸入端Vp提供電壓。惠斯通電 橋102包括：耦合在輸入106和輸出112之間的電阻130,耦合在輸入108和和輸出110之 間的電阻132,耦合在輸入108和輸出112之間的可變電阻134,以及耦合在輸入106和輸 出110之間的可變電阻136?？勺冸娮?34和136的電阻配置為根據(jù)檢測到的參數(shù)，如溫 度、壓力或者其其他參數(shù)，進(jìn)行變化。
[0018] 積分器104包括全差分放大器114,該全差分放大器114包括與輸出110 f禹合的 負(fù)㈠ 輸入端Vm和與輸出112耦合的正⑴輸入端Vp。電路100包括提供正（+)輸出電 壓（Vop)的輸出116和提供負(fù)㈠ 輸出電壓（Vom)的輸出118。差分放大器114還包括與 Vom 118耦合的正輸出端以及與Vop 116耦合的負(fù)輸出端。正和負(fù)輸出電壓Vop 116和Vom 118設(shè)計為與全差分放大器114耦合的各輸出端的相反的極性，這也是將這些線畫為如圖1 中所示的交叉形式。積分器104還包括耦合在輸出118和輸出110之間的電容120。此外， 積分器104還包括耦合在輸出116和輸出112之間的電容122。
[0019] 在一個實(shí)施方式中，電阻130和132可以是固定電阻，而可變電阻134和136用作 檢測電阻，以檢測電阻的細(xì)微△變化。另外，基準(zhǔn)電壓（V KEFP和VKEFM)可以是不隨時間改變 的（例如，DC電壓）。積分器104的負(fù)反饋促使輸出110和112的電壓趨于相同的電壓水 平，因此，電壓（Vp和Vm)之間的差為零，形成差分假接地?？勺冸娮?34U36與電阻130、 132之間的Λ電導(dǎo)（1/電阻）（也就是1/R 134,136-1/R13Q,132)可檢測為差分電流，成為放大器 114的差分假接地節(jié)點(diǎn)。根據(jù)下面的方程，將這個差分電流積分為電容120和122,下面的 方程表示電容的電壓和電流之間的基本關(guān)系：

【權(quán)利要求】
1. 一種方法，包括： 在時鐘周期的第一階段期間，可選擇地將電容橋的第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)分別耦合至第 一和第二電壓，以及可選擇地將所述電容橋的第一和第二輸出節(jié)點(diǎn)分別耦合至第一和第二 輸出端子；和 在時鐘周期的第二階段期間，可選擇地將所述第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)分別耦合至第二和 第一電壓，以及可選擇地將所述第一和第二輸出節(jié)點(diǎn)分別耦合至第二和第一輸出端子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在時鐘周期的第一和第二階段可選擇地將所述第一 和第二輸入節(jié)點(diǎn)耦合至所述第一和第二電壓之一以及將所述第一和第二輸出節(jié)點(diǎn)耦合至 所述第一和第二輸出端子之一包括斬波操作以適于消除失配誤差。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在所述第一階段可選擇地將所述第一和第二輸入節(jié) 點(diǎn)耦合至所述第一和第二電壓包括： 閉合第一開關(guān)，以將所述第一電壓耦合至所述第一輸入節(jié)點(diǎn)，和閉合第二開關(guān)，以將所 述第二電壓耦合至所述第二輸入節(jié)點(diǎn)；和 打開在所述第二電壓和所述第一輸入節(jié)點(diǎn)之間的第三開關(guān)，以及打開在所述第一電壓 和所述第二輸入節(jié)點(diǎn)之間的第四開關(guān)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在所述第一階段可選擇地將所述第一和第二輸出節(jié) 點(diǎn)耦合至所述第一和第二輸出端子包括： 閉合第一開關(guān)，以將所述第一輸出節(jié)點(diǎn)耦合至所述第一輸出端子，和閉合第二開關(guān)，以 將所述第二輸出節(jié)點(diǎn)耦合至所述第二輸出端子；和 打開在所述第一輸出節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出端子之間的第三開關(guān)，以及打開在所述第二 輸出節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出端子之間的第四開關(guān)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在所述第二階段可選擇地將所述第一和第二輸入節(jié) 點(diǎn)耦合至所述第二和第一電壓包括： 閉合第一開關(guān)，以將所述第一電壓耦合至所述第二輸入節(jié)點(diǎn)，以及閉合第二開關(guān)，以將 所述第二電壓耦合至所述第一輸入節(jié)點(diǎn)；和 打開在所述第一電壓和所述第一輸入節(jié)點(diǎn)之間的第三開關(guān)，以及打開在所述第二電壓 和所述第二輸入節(jié)點(diǎn)之間的第四開關(guān)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在所述第二階段可選擇地將所述第一和第二輸出節(jié) 點(diǎn)分別耦合至所述第二和第一輸出端子包括： 閉合第一開關(guān)，以將所述第一輸出節(jié)點(diǎn)耦合至所述第二輸出端子，以及閉合第二開關(guān)， 以將所述第二輸出節(jié)點(diǎn)耦合至所述第一輸出端子；和 打開在所述第一輸出節(jié)點(diǎn)和第一輸出端子之間的第三開關(guān)，以及打開在所述第二輸出 節(jié)點(diǎn)和第二輸出端子之間的第四開關(guān)。
7. -種電路，包括： 電容橋，包括第一輸入節(jié)點(diǎn)、第二輸入節(jié)點(diǎn)、第一輸出節(jié)點(diǎn)以及第二輸出節(jié)點(diǎn)；和 第一開關(guān)電路，配置成在時鐘周期的第一階段將第一和第二電壓分別耦合至第一和第 二輸入節(jié)點(diǎn)，以及，在所述時鐘周期的第二階段可選擇地將所述第二和第一電壓分別耦合 至所述第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的電路，還包括第二開關(guān)電路，配置成：在所述第一階段可選擇地將 所述第一和第二輸出節(jié)點(diǎn)分別耦合至所述第一和第二輸出端子，以及，在所述第二階段可 選擇地將所述第二和第一輸出節(jié)點(diǎn)分別耦合至所述第一和第二輸出端子。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的電路，其中，所述第一和第二開關(guān)網(wǎng)絡(luò)在所述第一和第二階段期 間工作，以執(zhí)行斬波操作消除失配誤差。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8的電路，其中，所述第二開關(guān)電路包括： 耦合在所述第一輸出節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出端子之間的第一開關(guān)； 耦合在所述第二輸出節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出端子之間的第二開關(guān)； 耦合在所述第一輸出節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出端子之間的第三開關(guān)；和 耦合在所述第二輸出節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出端子之間的第四開關(guān)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8的電路，還包括耦合到所述第一和第二輸出端子的積分器電路，所 述積分器電路配置成實(shí)現(xiàn)德爾塔-西格馬變換器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7的電路，其中，所述電容橋包括： 耦合在所述第一輸入節(jié)點(diǎn)和第一輸出節(jié)點(diǎn)之間的第一電容； 耦合在所述第二輸入節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出節(jié)點(diǎn)之間的第二電容； 耦合在所述第一輸入節(jié)點(diǎn)和第二輸出節(jié)點(diǎn)之間的第一可變電容； 耦合在所述第二輸入節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出節(jié)點(diǎn)之間的第二可變電容。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7的電路，其中，所述第一開關(guān)電路包括： 耦合在所述第一電壓和所述第一輸入節(jié)點(diǎn)之間的第一開關(guān)； 耦合在所述第二電壓和所述第二輸入節(jié)點(diǎn)之間的第二開關(guān)； 耦合在所述第一電壓和所述第二輸入節(jié)點(diǎn)之間的第三開關(guān)；和 耦合在所述第二電壓和所述第一輸入節(jié)點(diǎn)之間的第四開關(guān)。
14. 一種電路，包括： 電容橋，包括第一輸入節(jié)點(diǎn)、第二輸入節(jié)點(diǎn)、第一輸出節(jié)點(diǎn)以及第二輸出節(jié)點(diǎn)； 多個第一開關(guān)，用于有選擇地將第一電壓耦合至所述第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)之一； 多個第二開關(guān)，用于有選擇地將第二電壓耦合至所述第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)之一； 多個第三開關(guān)，用于有選擇地將第一輸出節(jié)點(diǎn)耦合至第一和第二輸出端子之一； 多個第四開關(guān)，用于有選擇地將第二輸出節(jié)點(diǎn)耦合至所述第一和第二輸出端子之一。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的電路，其中： 所述多個第一開關(guān)包括： 第一開關(guān)，用于可選擇地將所述第一電壓耦合至所述第一輸入節(jié)點(diǎn)；和 第二開關(guān)，用于可選擇地將所述第一電壓耦合至所述第二輸入節(jié)點(diǎn)；和 所述多個第二開關(guān)包括： 第一開關(guān)，用于可選擇地將所述第二電壓耦合至所述第二輸入節(jié)點(diǎn)；和 第二開關(guān)，用于可選擇地將所述第二電壓耦合至所述第一輸入節(jié)點(diǎn)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14的電路，其中： 所述多個第三開關(guān)包括： 第一開關(guān)，用于可選擇地將所述第一輸出節(jié)點(diǎn)耦合至所述第一輸出端子；和 第二開關(guān)，用于可選擇地將所述第一輸出節(jié)點(diǎn)耦合至所述第二輸出端子；和 所述多個第四開關(guān)包括： 第三開關(guān)，用于可選擇地將所述第二輸出節(jié)點(diǎn)耦合至所述第二輸出端子；和 第四開關(guān)，用于可選擇地將所述第二輸出節(jié)點(diǎn)耦合至所述第一輸出端子。
【文檔編號】H03M1/52GK104283565SQ201410445345
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月24日
【發(fā)明者】L·內(nèi)爾韋尼亞, B·德爾西格諾 申請人:硅實(shí)驗(yàn)室股份有限公司