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文章编号1004—3365(2010)01—0070—04
DesignandStudiesof
c/vCircuitforSmallCapacitance
Measurement
CHAIXuzha01,SUXiaob01,GUXiaofen91,YUgongguan91’2
(1.SchoolofInformationTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122・P.见China;
2.The
58^Institute。
China
ElectronicsTechnologyGroupCo.。
Wuxi,Jiangsu
214035。
P.R.China)
Abstract:
Basedon
theprincipleofchargeamplifier,ahighperformanceoperationalamplifierwasdesigned
to
shieldstraycapacitance,whichenableshighreliabilitysinailcapacitancemeasurement.FabricatedinCSMC’S0.5肛mCMOSprocessandsimulatedwithCadenceSpectre,thecircuit
can
measuresmall
capacitance
preciselywith
errors
a
resolutionofaF.Finally,mismatchofdifferentialnominalcapacitancecausedbyinevitablemanufacturinganalyzedandcalibrated.ResultsshowedthatoftheC/Vcircuit.
was
mismatchonly
led
fixeddrift,but
no
significanteffect
on
sensitivity
Keywords:
EEAOC:
Small
capacitance;
Nominalcapacitance;
Chargeamplifier;
c/v
circuit
1220;
2570D
国内外学者对微电容检测技术进行了大量研
1
引言
究。
Josselin等人提出用变压器电容桥实现微电容
的检测[4|,但该技术在集成性上存在一定难度。
曹
新平等人提出用双路调制检测方法来实现检测[5],
MEMS传感器具有广阔的市场前景[1],但在许多学科领域得到应用的同时,也面临一些技术挑战,
如微加工技术与CMOS工艺的兼容等‘2l。
电容式传感器对应用环境温度、湿度及磁场变化的不敏感性,使它广泛适用于各种检测系统[3。
,正逐渐成为当
但CMOS工艺导致的器件失配会带来测量误差。
Marlow等人采用开关电容检测电路来实现微电容的读取[引,但电荷的注入效应也会来带来一定的误差。
Seiji等人提出基于电荷放大器的原理进行微
电容检测[7],然而,使用大的反馈电阻会给工艺带
今的一个研究热点。
然而,由于存在较大的杂散电容,微电容检测已成为高灵敏度传感器设计的一个
瓶颈。
收稿日期:
2009~07—06;
定稿日期:
2009—10—23
来不便。
相对而言,采用电荷放大器还是一种较好的检测方法。
因此,本文尝试采用电荷放大技术设计高性能运算放大器,以实现高可靠性的微电容测
基金项目:
江苏省自然科学基金资助项目(BK2007026);
教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-06—0484)
万方数据
第1期柴旭朝等:
用于微电容检测的C/V电路设计与研究
71
量,使之能准确检测出aF量级的微电容,同时,对
检测标称电容存在的工艺失配进行了具体分析和校准。
2电荷放大器原理
图l所示为电荷放大器的电路结构。
其中,
Kz、儿。
为幅值相等、相差180。
的双载波信号,C为检测标称电容,△C为微电容,砜为差分电容中点电压,Rr、Cr分别为反馈电阻和反馈电容,¨
为放
大器同相输入端的偏置电压。
理想情况下,U虚
地。
当检测电容不发生变化(△C=o)时,由电容分
压公式可知,‰=V丁;
当检测电容发生变化(AC
≠O)时,则有:
‰一一攀笪【,sin似+¨
(1)
o,
其中,角频率z诊1/R∥r。
因此,
△‰:
一挲usin以
(2)
L/,
由此得到C/V电路的灵敏度:
2【厂
(3)
CI
图1电荷放大器电路原理
Fig.1
Fundamentalcircuitofthechargeamplifier
3运算放大器设计
3.1
电路结构
前置放大器是微弱信号检测的第一级,也是任
何精密检测仪器的重要组成之一。
微弱信号检测的关键是减少信号读取过程中引入的噪声,而前置放
大器是引入噪声的一个关键部分。
同时,由于检测信号十分微弱,低噪声、高增益运算放大器的设计尤
为关键[8]。
为了降低低频噪声,差分输入级采用
PMOS管[91,具体电路如图2所示。
3.2仿真结果
采用CSMC0.5/LmCMOS工艺,用CadenceSpectre对运放电路进行仿真,结果列于表1。
从表中可见,直流增益达115dB,相位裕度达60.2。
,单位增益带宽为28.22MHz。
结果表明,设计的运放可满足高增益、低噪声的性能要求,同时具有很高的
电源电压抑制比(PSRR)。
由于采用单端输出,所以共模抑制比相对较低。
图2运算放大器电路结构
Fig.2
Circuit
structure
ofthe
operational
amplifier
表l运算仿大器仿真结果
Table1
Simulationresultsofoperationalamplifier
参数数值
电源电压
5V
共模抑制比
38.87dB功耗2
mW
PSRR
132.6dB直流增益115.2
dB
压摆率14.08
V./肛s
相位裕度
60.2。
输出摆幅0.976~4.73V
单位增益带宽2&22MHz等效输入噪声13.77nV/v厂再三
4
c/v电路仿真与分析
4.1
c/v电路仿真结果
由(2)式可知,△‰与AC成反相变化。
/xC是
72
柴旭朝等:
用于微电容检测的c/y电路设计与研究
调幅信号经电荷放大后的输出信号,所以它只与△%的幅值有关,而与频率无关。
图3所示为AC
=1fF,C=C,=1
pF,乩1—5
sin
20t时的仿真结
果。
图3(a)给出儿与‰,的变化关系(左边纵轴
显示U,随时间的变化,右边纵轴显示‰随时间的
变化),二者呈明显的反相关系。
图3(b)为△‰随
△C变化的曲线,二者呈明显的线性关系,且理论值
和仿真值非常吻合。
结果表明,该电路能精确检测
出aF量级的微电容,灵敏度达9.79mV/fF。
其中,直流失调为0.876yV,主要由器件的非完全对称性造成的阈值失配引起;
同时,器件的本征波动也会带来一定的影响[1…。
(a)‰与%・的仿真曲线
(a)Simulated
L1.1l'yes
of、,么andVIl
\
{lO・
・
Simulation
、
≥
~叁o
——TheroticaI
吣
5.
J
-1.O.O.5
0.卜0.j/ff
1.0’叫’
.5.
.10-
、●
(b)△_y乙随AC的变化关系
(b)△%as
functionofAC
图3仿真结果
Fig.3
Simulationresults
4.2失配分析
由于不可避免的工艺误差,两个等同的标称电容之间也必然存在失配,从而给差分读取带来失调。
对存在工艺失配的两个标称电容c1、c2,引入参数刀Ol=兰C,/Cz)来表征相对失配度,其服从N(1,铲)的
正态分布[11]。
其中,方差d一般与微细加工工艺有
关。
因此,考虑工艺失配后,有:
矾:
一箜左丝)二亟二盟XUsin以:
一『-纽寻迪+挲]弧in咄(4)
L
L/,J
可见,微电容变化只与矾。
的幅值有关。
叶
假设田~(1,0.0012),即假设工艺误差导致的
相对失配度呀在1附近很小的范围内波动。
设方差
3=0.001时,计算表明:
P{0.999<呀<1.001}一0.6820P{0.998<刀<1.002}一0.9514(5)
P{0.997<刀<1.003)=0.9974可见,相对失配度叩在(0.999,1.001)之间波动的概率为0.6820,在(o.998,1.002)之间波动的概率为0.9514,在(o.997,1.003)之间波动的概率为
0.9974。
以上结果说明,刀在(0.997,0.998)与
(1.002,1.003)之间出现的概率很低,仅为0.046。
因此,只需考虑0.998<r/<:
1.002的情况,研究工艺
失配对输出所造成的影响。
基于上述分析,只考虑叩一0.998和叩一1.002两种边界情况,并对它们做出校准;
同时给出理想情
况(叼一1)作为对比。
仿真得到的△%与,6C的关
系曲线如图4所示。
3U=9.79583C+9.7942
’淼蕊j.世l-G,03U=9
l一・一r120.99
10
毫
.
。
:
79273C+8.x8lO4’~,一~-。
如
…U一=7~9也.79~6k3C-~9.3U=97963C-9
796~7kk
-
.’门
0.O
O.5
.ac}馁
图4叩取0.998、1.002、1时对应的△‰_△C关系Fig.4△:
‰vs.ACat簟20.998,1.002and1
由图4可以看出,与理想情况相比,考虑标称电
容失配仅给矾。
带来固定失调,直线斜率几乎不发
生明显变化;
即失配对c/v电路的灵敏度几乎不造
用于微电容检测的C/Y电路设计与研究
73
成影响。
对考虑失配后的情形进行了校准,具体的校准方程在图4中给出。
5
结论
基于电荷放大器的原理,通过设计高性能的运
算放大器,实现了具有高可靠性的C/V转换电路。
仿真结果表明,设计的电路能精确检测出aF量级
的微电容,灵敏度达9.79mV/fF,理论值和仿真值能很好地吻合。
对工艺失配带来的标称电容失调进
行了分析和讨论,发现工艺失配对灵敏度几乎不会
造成影响,带来的只是固定的失调,可以通过校准来
消除。
文中有关工艺失配的讨论是相对于其他文献报道[6j的提高,具有一定的理论价值,同时,也为微细加工工艺提供了一定的参考。
参考文献:
I-1-I
BRYZEK
J,ROITNDS,BIRCUMSHAWB,etaL
MarvebusMEMS[J].IEEEC
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- 用于 电容 检测 CV 电路设计 研究
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