【摘 要】
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电容的容值与极板间的距离、介质有关,通过构造合适的前端电路,电容数字转换器（Capacitance-to-Digital Converter,CDC）可以测量湿度、压力、位移等物理量,因而CDC有着广泛的应用场景,如压力检测、湿度检测、液位检测、位移检测、加速度检测、触摸屏等。为了满足不同的应用场景对CDC的不同要求,需要低功耗、高精度、宽测量范围的电容数字转换器。本文对电容数字转换器的理论进行分
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电容的容值与极板间的距离、介质有关,通过构造合适的前端电路,电容数字转换器（Capacitance-to-Digital Converter,CDC）可以测量湿度、压力、位移等物理量,因而CDC有着广泛的应用场景,如压力检测、湿度检测、液位检测、位移检测、加速度检测、触摸屏等。为了满足不同的应用场景对CDC的不同要求,需要低功耗、高精度、宽测量范围的电容数字转换器。本文对电容数字转换器的理论进行分析和梳理。检测电容容值的方法有很多,主要分为电容电压转换（Capacitance-to-Voltage,C2V）、电容频率转换（Capacitance-to-Frequency,C2F）和电容时间转换（Capacitance-to-Time,C2T）三种类型。传统的方法是通过将电容的变化量转换为电压的变化量,然后用模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）将电压转换为数字输出。然而这种方法不仅需要功耗较大的跨导放大器,而且容易受到电路本身的噪声和环境噪声的影响。C2F的方法功耗较低且受噪声影响较小,但是需要较长的测量时间。而C2T的方法避免了这些问题,且随着工艺进步导致延迟单元时间变短,能实现更高的精度。针对C2T型电容数字转换器测量范围有限和容易受环境和工艺角、电压和温度（Process Voltage Temperature,PVT）影响的缺点,本文对基于环形时间数字转换器（Ring Time-to-Digital Converter,Ring TDC）的电容数字转换器进行了研究,采用放电型伪差分C2T前端实现了对环境大寄生电容的消除和对环境变化的校准,创新性引入Ring TDC作为CDC的后端电路,利用其理论上无限的测量范围实现了非常宽的动态范围,提出一种前端C2T电流源和后端环形TDC电流源匹配的结构,实现整体系统的PVT鲁棒性。本设计基于UMC 40nm工艺,后仿真结果表明,在10 pF寄生条件下,实现了0.55fF的分辨率,3.75-64 pF的测量范围,20μs的测量时间,0.56 pJ/c-s的FoM以及在-20～80℃,±5%电源电压变化下,小于5%的CDC增益变化,芯片核心电路面积为0.0136mm~2。
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