C/V集成电容型湿度传感器接口电路设计

摘要

电容型传感器是传感器家族中一类重要的传感器。它是利用充放电原理，将随待测变量变化而变化的电容量转化为便于测量和传输的电压、电流或频率等参量的器件，在湿度、温度、位移、压力等测量方面得到了非常广泛的应用。然而，由于微小电容变化量很小，一般为pF量级，因此采用专用的集成接口电路对微小电容进行检测和处理成为重要的方法。 根据充放电检测原理，设计了一种基于C/V（电容/电压）转换的CMOS集成电容型湿度传感器接口电路，以达到对微电容的高精度测量。接口电路主要由运算放大器和开关电容电路构成。电路设计的核心部分为运算放大器的设计，根据接口电路对运放的性能要求，采用两级运放的结构，第一级采用折叠式共源共栅结构，用以提供较高的增益；第二级采用共源级结构，用以提供较高的输出摆幅；并采用基准电流源为运放提供偏置电流。开关电容电路利用充放电原理完成对微电容的检测，由于采用CMOS模拟开关，提高了电路的精度。基于CSMC0.6μmCMOS工艺，对接口电路各个晶体管的参数进行了设定，并利用HSpice仿真软件对电路进行了仿真及参数调整。仿真结果表明：运放的开环增益为91.842dB，相位裕度为58°，3dB带宽为1KHz，单位增益带宽为14.042MHz，满足接口电路的工作要求；整体接口电路的输出电压为与输入电压同频率的对称方波信号，其幅值随传感电容的变化而变化，当电容在10pF～15pF变化时，输出电压从0.5V变化到2.3V，并且每当传感电容变化0.01pF时，输出电压将产生3.6mV的变化，实现了对微小电容的检测。最后，利用Cadence软件对接口电路进行了版图设计，充分考虑了器件之间的匹配性，减少了寄生效应，改善了电路性能，并通过设计规则检查和版图与电路图的一致性比较，验证了版图设计的正确性。 与传统的接口电路相比，该电路具有高增益、高精度、结构简单和可与CMOS工艺兼容等特点，适用于大多数电容型传感器，从而更好地实现了对微小电容的检测。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外发展现状及趋势

1.2.1 传感器发展的历史

1.2.2 传感器发展的方向

1.2.3 电容传感器的发展

1.3 本课题研究的目的和意义

1.4 本课题主要研究内容

第2章 微湿度传感器工作原理与结构分析

2.1湿度表示法

2.2 湿度传感器性能要求

2.3 微型湿度传感器

2.4 硅电容型湿度传感器

2.5 本章小结

第3章 电容型传感器接口电路工作原理

3.1 接口电路检测原理

3.2 接口电路结构

3.3 本章小结

第4章 电容型传感器接口电路的设计及仿真

4.1 电路的性能指标

4.2 运算放大器的设计及仿真

4.2.1 运放的主体电路设计

4.2.2 偏置电路的设计

4.2.3 频率补偿

4.2.4 运算放大器的仿真

4.3 CMOS 模拟开关的设计

4.4 整体电路仿真

4.5 本章小结

第5章 版图设计与验证

5.1 CMOS工艺简介

5.2 版图设计规则

5.3 版图设计技术

5.3.1 匹配设计

5.3.2 抗干扰设计

5.3.3 布局考虑

5.4 基本单元结构的版图设计

5.4.1 电阻的设计

5.4.2 MOS电容的设计

5.4.3 PMOS和NMOS的设计

5.4.4 CMOS电路抗静电设计

5.5 接口电路单元模块的版图设计

5.5.1运算放大器电路版图设计

5.5.2自举基准电流源版图设计

5.5.3开关电容电路版图设计

5.6整体接口电路版图设计

5.7整体接口电路版图验证

5.8 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢