圖4,8a展示了一種前端電路,該電路采用了前饋有源保護(hù)來(lái)將傳感器的電容Cx精確轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。這種前端電路作為電容―電壓轉(zhuǎn)換器(CⅤC)應(yīng)用在基于周期調(diào)制的測(cè)量系統(tǒng)中,如圖4.3所示。為了理解該電路的工作原理,我們首先假設(shè)天線上的電容Cp1和Cp2均為零,運(yùn)算放大器A1和開(kāi)關(guān)都是理想的。在時(shí)間間隔r1期間(見(jiàn)圖4.8b),Sl處于開(kāi)狀態(tài),從而吒m為‰d/2。

DAC5662IPFB

  同時(shí),通過(guò)%,傳感器電容Cx上電極(A節(jié)點(diǎn))接地。在時(shí)間間隔%期間,Cx連接到放大器的負(fù)輸入端。因此,電荷量為Cx‰d/2的電荷將被注人q中,從而導(dǎo)致了輸出電壓吒m上產(chǎn)生的躍升為Cx‰d/(20),這就使得輸出電壓值與傳感器電容值成一定比例。在電壓一周期轉(zhuǎn)換器(ⅤPC) 中(見(jiàn)圖4.3),這一輸出電壓通過(guò)采樣電容進(jìn)行采樣,然后利用與圖4,4中相似的電路結(jié)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換到時(shí)域中。類(lèi)似的,對(duì)于時(shí)間間隔%和%,產(chǎn)生了反轉(zhuǎn)輸出電壓‰u1(見(jiàn)圖4.8b)c這是通過(guò)利用開(kāi)關(guān)S3和%產(chǎn)生控制信號(hào)奶和的不同數(shù)值來(lái)獲得的。信號(hào)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生了斬波效應(yīng),這也幫助減小了放大器中失調(diào)電壓、低頻噪聲和信號(hào)干擾的影響c在時(shí)間間隔Tg中,這一過(guò)程按照相反的順序進(jìn)行。這使得斬波效應(yīng)更加有效。

     理解有源前饋方法的實(shí)現(xiàn)原理,我們需要考慮一些小的細(xì)節(jié):在圖4.8a的設(shè)置中,節(jié)點(diǎn)A上的電壓會(huì)有3個(gè)值。預(yù)先知道了這一點(diǎn)后,不使用反饋,我們可以將相同的電壓值加載在被屏蔽的導(dǎo)體上,如圖4.8a上的B點(diǎn)所示。這會(huì)減小Cu上的電壓值,同時(shí)也減小了其電容的總體影響。此外,對(duì)于%2來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何影響。最后需要注意的是,由于在開(kāi)關(guān)操作中會(huì)出現(xiàn)較小的時(shí)間差,因此會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的瞬時(shí)效應(yīng)。這是因?yàn)檩敵鲭妷哼竚是在時(shí)間間隔的末尾被采樣,并且這一時(shí)間間隔相對(duì)來(lái)說(shuō)很長(zhǎng)以至于瞬態(tài)效應(yīng)已經(jīng)消失。因?yàn)槭褂昧饲梆伔椒?所以天線上的寄生電容的影響可以被消除并且不產(chǎn)生任何不穩(wěn)定的問(wèn)題。

   完整的接口電路已經(jīng)可以利用標(biāo)準(zhǔn)的0,7umCMOS技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì),并且以集成電路的形式實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,若傳感器中電容為10pF,長(zhǎng)達(dá)30m且寄生電容為3nF的屏蔽連接天線可以在小于0.3pF的絕對(duì)誤差下進(jìn)行處理(見(jiàn)圖4.9)。對(duì)于30m的天線測(cè)得的接口非線性?xún)H有3×104。這樣的話,利用硐ms的測(cè)量時(shí)間,我們可以獲得16bit分辨率。