專利名稱：電容檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法
一般地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種電容-電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換方法，具體地說(shuō)，涉及一種通過(guò)將傳感器電容轉(zhuǎn)換成電壓而檢測(cè)傳感器電容的系統(tǒng)和檢測(cè)方法，所述電容響應(yīng)加在該傳感器上的物理量而變化。


圖1示出日本專利出版物特開平6-180336中揭示的一種現(xiàn)有技術(shù)電容變化檢測(cè)電路的示意圖，互相面對(duì)的膜片和電極形成的傳感器的靜電電容被連到該電路。當(dāng)膜片響應(yīng)加于其上的物理量壓力等而移動(dòng)時(shí)，所述靜電電容改變。提出圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)電路是為了解決如下問題，即當(dāng)通過(guò)精細(xì)的機(jī)械加工使傳感器形成于半導(dǎo)體上時(shí)，在包含相對(duì)的膜片和電極的傳感器上的電壓導(dǎo)致電極與膜片響應(yīng)靜電吸引力而接觸的問題。
圖1中的參考標(biāo)號(hào)1和2分別代表電容變化檢測(cè)電路的電壓輸入端和輸出端。將輸入電壓Vin加給所述輸入端1，而從所述輸出端2得到輸出電壓Vout。參考標(biāo)號(hào)3代表運(yùn)算放大器，標(biāo)號(hào)4和5為電阻，標(biāo)號(hào)6是開關(guān)。輸入端1分別通過(guò)電阻5和傳感器S的靜電電容連到運(yùn)算放大器3的反相輸入端和同相輸入端。運(yùn)算放大器3的輸出端連到輸出端2，并通過(guò)電阻4連到所述反相輸入端。所述同相輸入端通過(guò)開關(guān)6接地。
在圖1的檢測(cè)電路中，在初始化期間閉合開關(guān)6，使傳感器電容充電至加給輸入端1的電壓Vin，并在進(jìn)行傳感器電容檢測(cè)時(shí)打開開關(guān)6。在開關(guān)5打開狀態(tài)期間，由于傳感器S的電容器被連到高輸入阻抗的同相輸入端，所以電容器上積累的電荷不被排放。另一方面，通過(guò)改變對(duì)形成傳感器S的膜片的壓力，例如傳感器S的靜電電容改變，作為物理變化加給傳感器S，引起該傳感器兩端電壓改變。由運(yùn)算放大器3使這種電壓變化被放大，由電阻4和5確定其增益，并顯現(xiàn)在輸出端2。
在用方程補(bǔ)充上述描述的時(shí)候，必須假設(shè)電阻4和5的阻值是Rf和Ri，傳感器S的初始靜電電容是Cs，運(yùn)算放大器3的同相輸入端和反相輸入端的電壓分別是V+和V-。于是，當(dāng)閉合開關(guān)6時(shí)，輸出電壓Vout由下式表示Vout＝-Vin*Rf/Ri…(1)假設(shè)傳感器電容從Cs變到Cs′，并且在物理測(cè)量而打開開關(guān)6之后，運(yùn)算放大器3的輸出電壓從Vout變到Vout′，則Vout′由下式表示Vout′＝{1-[1+(Rf/Ri)](Cs/Cs′)}*Vin…(2)其中，以Vout′-Vout＝ΔV，Cs′-Cs＝ΔCs，則ΔV與ΔCs之間滿足ΔV＝[1+(Rf/Ri)]*ΔCs/(Cs+ΔCs)*Vin …(3)如上所述，由于輸出電壓Vout響應(yīng)放大器(即電阻4和5的比值Rf/Ri)以及傳感器電容Cs的增益，所以無(wú)需將一高壓作為輸入電壓Vin加給傳感器電容。
采用低輸入電壓Vin，可使對(duì)膜片的靜電吸引力比較小些。所以，圖1所示的檢測(cè)電路可以解決因靜電引力而使電極與膜片接觸的問題。
不過(guò)，圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)電路中始終包含與寄生電容有關(guān)的另一問題。這就是在傳感器S與運(yùn)算放大器3連接點(diǎn)處一般都會(huì)形成寄生電容Cp。寄生電容Cp與開關(guān)6并聯(lián)連接，并且在傳感器S與運(yùn)算放大器3在分立芯片上被實(shí)現(xiàn)時(shí)，它可能在從大約1到上百pF范圍內(nèi)。另一方面，傳感器電容Cs可在從1到幾百fF范圍內(nèi)。把這種寄生電容考慮進(jìn)去，則在傳感器電容Cs改變時(shí)，電容Cs的電荷分布到寄生電容Cp上去。因此，傳感器電容Cs兩端電壓的變化就變得非常小，以致引起抗噪聲性變劣。
運(yùn)算放大器3同相輸入端處的電壓變化ΔV+由下式表示ΔV+＝(V+-Vin)*ΔCs/(Cp-Cs-ΔCs)…(4)
方程(4)中，由于ΔCs/(Cp-Cs-ΔCs)是幾百分之一，ΔV+因而也是幾百分之一，因此得到一個(gè)非常小的值。為了得到較大的電壓變化ΔV+，考慮把輸入到運(yùn)算放大器3的電壓Vin提高和/或提高傳感器S的靈敏度。不過(guò)，在放大器增益較大的情況下，這可能引起輸出電壓Vout飽和，以致即使傳感器電容改變，輸出電壓Vout也不變化。如果為防止輸出電壓Vout飽和而降低對(duì)運(yùn)算放大器3的輸入電壓Vin，可能會(huì)引起上述膜片與電極互相接觸的問題。此外，還可能出現(xiàn)另一個(gè)問題，即控制如此小的輸入電壓變化是復(fù)雜且困難的。
本發(fā)明已經(jīng)解決了圖1所示現(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)電路固有的上述問題。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種電容檢測(cè)系統(tǒng)，即使存在寄生電容，它也能得到響應(yīng)傳感器電容而變化的輸出電壓。
本發(fā)明的另一目的是要提供一種電容檢測(cè)系統(tǒng)，即使存在寄生電容，它也能得到基本上與傳感器電容成正比的輸出電壓。
本發(fā)明的電容檢測(cè)系統(tǒng)可用為靜電電容檢測(cè)電路，用于檢測(cè)包含彼此面對(duì)之膜片及電極的傳感器的靜電電容，所述靜電電容響應(yīng)加給傳感器的物理變化而改變。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的電容檢測(cè)系統(tǒng)給出與傳感器電容對(duì)應(yīng)的輸出，該系統(tǒng)包括(a)電壓輸入端，它被連接成接受變化的輸入電壓，(b)運(yùn)算放大器，它有經(jīng)第一電阻與所述電壓輸入端相連的反相輸入端、經(jīng)傳感器與所述電壓輸入端相連并經(jīng)第一開關(guān)與一參考電壓相連的同相輸入端、以及通過(guò)一個(gè)包含彼此并聯(lián)之第二電阻和第二開關(guān)的電路與所述反相輸入端相連的輸出端。
所述電容檢測(cè)系統(tǒng)最好還包括(c)第二運(yùn)算放大器，它有經(jīng)第三電阻與所述電壓輸入端相連的反相輸入端、連到所述參考電壓的同相輸入端、以及通過(guò)包含彼此并聯(lián)之第四電阻和第三開關(guān)的第二電路與所述反相輸入端相連的輸出端，此第二運(yùn)算放大器的增益與第一運(yùn)算放大器相同；(d)第三運(yùn)算放大器，它的反相和同相輸入端連接成接受第一和第二運(yùn)算放大器的輸出電壓。在初始化期間于同一時(shí)刻接通第一至第三開關(guān)，并將所述參考電壓加給電壓輸入端，而在測(cè)試期間，將這些開關(guān)打開，并將第二參考電壓加給電壓輸入端。
本發(fā)明還提供一種電容檢測(cè)方法，用以給出與傳感器電容成正比的電壓，該方法包括以下步驟(a)輸出第一電壓，它由傳感器電容和所述傳感器電容與電容檢測(cè)電路之間連接部分形成的寄生電容限定，(b)輸出與所述傳感器電容及寄生電容無(wú)關(guān)的第二電壓，(c)輸出一個(gè)與所述第一和第二電壓之間的差對(duì)應(yīng)的電壓，此電壓與所述傳感器電容成正比。
圖1表示現(xiàn)有技術(shù)電容變化檢測(cè)電路的電路圖；圖2示出表示本發(fā)明用于給出與傳感器電容相關(guān)聯(lián)之輸出電壓的電容檢測(cè)電路一個(gè)實(shí)施例的電路圖；圖3示出表示本發(fā)明用于給出與傳感器電容相關(guān)聯(lián)之輸出電壓的電容檢測(cè)電路第二實(shí)施例的電路圖；圖4A是表示按圖3所示電容檢測(cè)電路之模擬試驗(yàn)中所得傳感器電容與輸出電壓之間關(guān)系的圖線；圖4B是圖4所示一部分的放大圖線。
在以下的敘述中，將參照?qǐng)D2-4詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明電容檢測(cè)電路的優(yōu)選實(shí)施例。
圖2示出本發(fā)明電容檢測(cè)電路第一實(shí)施例的電路圖。圖2中被加給輸入電壓Vin的輸入端1經(jīng)電阻11連到運(yùn)算放大器10的反相輸入端或反相輸入結(jié)點(diǎn)。由電阻12和開關(guān)13構(gòu)成的并聯(lián)電路被接在所述放大器10的輸出端或輸出結(jié)點(diǎn)與反相輸入端之間。通過(guò)開關(guān)14給運(yùn)算放大器10的同相輸入端或同相輸入結(jié)點(diǎn)加以參考電位Vh，并將具有靜電電容Cs的傳感器S接在所述放大器10的同相輸入端與所述輸出端1之間。傳感器S與運(yùn)算放大器10的同相輸入端之間的連接部分可能形成寄生電容Cp。
所述參考電位Vh譬如為地電位，但其它電位也都可用。傳感器S的一種示例性結(jié)構(gòu)是在互相面對(duì)的膜片與電極之間形成電容Cs的結(jié)構(gòu)，該二者都被微切削加工成具有極小的面積。傳感器S響應(yīng)由加于其上的物理變量所引起的膜片位移而改變電容Cs。
傳感器S的電容Cs的檢測(cè)順序包括初始化階段和測(cè)量階段。在初始化期間，開關(guān)13和14被閉合，并使輸入電壓Vin處在參考電壓Vh，或Vin＝Vh，同時(shí)導(dǎo)致使輸出電壓Vout處在相同的參考電壓Vh。(以下的單詞“期間”意味著所述時(shí)間段的全部或一部分)另一方面，在測(cè)量期間，使開關(guān)13和14被打開，并使輸入電壓Vin處在電壓Vh+ΔV。
當(dāng)打開開關(guān)13和14以測(cè)量電容Cs時(shí)，下述關(guān)于運(yùn)算放大器10輸出電壓Vout的方程被滿足，其中Ri1和Rf1分別是電阻11和12的阻值；V+和V-是所述放大器10的同相及反相輸入端的電壓；并使Rf1＝Ri1。
Vout＝-(Rf1/Ri1)(Vin-V+)+V+＝-Vin+2V+…(5)當(dāng)使輸入電壓Vin從初始化期間被設(shè)定的Vh改變到Vh+ΔV時(shí)，傳感器電容Cs上積累的電荷Q1和寄生電容Cp上積累的電荷Q2由下式表示Q1＝(Vin-V+)Cs＝(Vh+ΔV-V+)Cs …(6)Q2＝V+Cp…(7)由于傳感器電容Cs和寄生電容Cp為串聯(lián)連接，就使等量的電荷分別積累在Cs和Cp上，所以Q1＝Q2成立。因此，下面的方程被滿足V+Cp＝(Vh+ΔV-V+)Cs …(8)由于像上面所述的那樣Vh＝0，所以運(yùn)算放大器10的同相輸入端處的電壓V+由下式表示V+＝ΔV*Cs/(Cs+Cp) …(9)將方程(9)代入方程(5)，則運(yùn)算放大器10的輸出電壓Vout被改寫如下Vout＝-Vin+2V+＝-Vin+2*ΔV*Cs/(Cs+Cp)…(10)
當(dāng)把傳感器S和圖2中檢測(cè)電路的其余電路部分形成于多個(gè)電連接的分立芯片上時(shí)，寄生電容Cp可能在接近從幾pF到大約15pF或更大的范圍內(nèi)，而傳感器S的電容Cs通常是從大約1到幾百fF。因此，由于Cp遠(yuǎn)大于Cs，所以可以用Cs/Cp代替Cs/(Cs+Cp)。于是，運(yùn)算放大器10的輸出電壓Vout由下式表示Vout＝-Vin+2*ΔV*Cs/Cp …(11)此方程表明所述檢測(cè)電路的輸出電壓Vout響應(yīng)電容Cs線性變化。
因此，即使在運(yùn)算放大器10的同相輸入端周圍存在寄生電容Cp，只要電容Cs遠(yuǎn)小于寄生電容Cp，所述電容檢測(cè)電路就能輸出對(duì)電容Cs有線性關(guān)系的電壓Vout。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器10的增益(Rf1/Ri1)和輸入電壓Vin響應(yīng)電容Cs的改變量ΔV，可以得到足夠大的輸出電壓Vout。
圖3是表示本發(fā)明電容檢測(cè)電路第二實(shí)施例的電路圖，其中采用圖2所示的電容檢測(cè)電路。為得到傳感器電容與輸出電壓間的正比關(guān)系，圖3的電路還包括用于從方程(11)抵銷“-Vin”的機(jī)構(gòu)。
圖3中，經(jīng)電阻11把被加給輸入電壓Vin的輸入端1連到運(yùn)算放大器10的反相輸入端或反相輸入結(jié)點(diǎn)。由電阻12和開關(guān)13構(gòu)成的并聯(lián)電路被接在所述放大器10的輸出端或輸出結(jié)點(diǎn)與反相輸入端之間。通過(guò)開關(guān)14給運(yùn)算放大器10的同相輸入端或同相輸入結(jié)點(diǎn)加以參考電壓Vh，并將具有電容Cs的傳感器S接在所述放大器10的同相輸入端與所述輸出端1之間。
還通過(guò)電阻21使輸入端1連到第二運(yùn)算放大器20的反相輸入端或反相輸入結(jié)點(diǎn)。將電阻22和開關(guān)23的并聯(lián)電路接在所述放大器20的反相輸入端與輸出端或輸出結(jié)點(diǎn)之間。所述放大器20在其同相輸入端或同相輸入結(jié)點(diǎn)處被加給參考電壓Vh。第二運(yùn)算放大器20輸出電壓V2。
另外，經(jīng)電阻31使第二運(yùn)算放大器20的輸出端連到第三運(yùn)算放大器30的反相輸入端或反相輸入結(jié)點(diǎn)。將電阻32和開關(guān)33的并聯(lián)電路接在所述放大器30的反相輸入端與它的輸出端或輸出結(jié)點(diǎn)之間，該輸出端即所述電容檢測(cè)電路的輸出端2。經(jīng)電阻34使第三運(yùn)算放大器30的同相輸入端或同相輸入結(jié)點(diǎn)連到第一運(yùn)算放大器10的輸出端，并通過(guò)電阻35給第三運(yùn)算放大器30的同相輸入端加以參考電壓位Vh。從輸出端2給出輸出電壓Vout。
在圖3所示的電路圖中，將傳感器S和(除傳感器S以外的)電路部分形成于分立的芯片上，并使傳感器S電連接于運(yùn)算放大器10的同相輸入端。在所述連接部分可能形成寄生電容Cp。
以下將說(shuō)明圖3所示電容檢測(cè)電路的工作情況。在初始化期間，各個(gè)開關(guān)13、14、23和33都閉合，使加給輸入端1的輸入電壓Vin設(shè)定于參考電壓Vh。這就造成電壓Vh在電容Cs兩端充電，同時(shí)將輸出端2的輸出電壓Vout設(shè)定在參考電壓Vh。
在測(cè)量期間，全部打開各開關(guān)13、14、23和33，使加給輸入端1的輸入電壓Vin從Vh變到Vh+ΔV。由于傳感器電容Cs與寄生電容Cp之間的分布的電荷響應(yīng)該輸入電壓變化的結(jié)果，與電容Cs和寄生電容Cp相關(guān)聯(lián)的電壓被輸入到第一運(yùn)算放大器10的同相輸入端。然后，同相輸入端的電壓被放大，并在運(yùn)算放大器10的輸出端產(chǎn)生被測(cè)電壓V1。所示放大器10的增益被設(shè)定為不造成輸出電壓V1飽和的值。
第二運(yùn)算放大器20的增益被設(shè)定為與第一運(yùn)算放大器10相同的值。如圖3所示，由于運(yùn)算放大器20還在同相輸入端處加有相同的輸入電壓Vin，所以在傳感器不與寄生電容相連的情況下，第二運(yùn)算放大器20輸出電壓V2。
經(jīng)電阻34將第一運(yùn)算放大器10的輸出電壓V1提供給第三運(yùn)算放大器30的同相輸入端，而通過(guò)電阻31將第二運(yùn)算放大器20的輸出電壓提供給第三運(yùn)算放大器30的反相輸入端。于是，第三運(yùn)算放大器30放大第一運(yùn)算放大器10的輸出電壓V1(即與傳感器電容Cs和寄生電容Cp有關(guān)的電壓)與第二運(yùn)算放大器20的輸出電壓V2(即不與傳感器電容相關(guān)的電壓)之間的差，并作為輸出電壓Vout輸出該差分放大的電壓。
正如下面將要被詳細(xì)討論的那樣，由于電容Cs對(duì)寄生電容Cp的比值(或Cs/Cp)比較小，所以第三運(yùn)算放大器30的輸出電壓Vout更與傳感器電容Cs成正比。比例因數(shù)是運(yùn)算放大器30增益和輸入電壓Vin的電壓改變量的函數(shù)。實(shí)際上，由于寄生電容Cp大于傳感器電容Cs，所以第三運(yùn)算放大器30輸出一個(gè)隨電容Cs線性變化的電壓。
將用方程說(shuō)明上述工作情況。假設(shè)運(yùn)算放大器10、20和30被加給相同大小的正電源V+和負(fù)電源V-，并假設(shè)參考電壓Vh＝0(伏)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，在本發(fā)明的檢測(cè)電路中，Vh＝0并非必須的。當(dāng)根據(jù)各運(yùn)算放大器的電源電壓V+和V-電壓Vh取為正值或負(fù)值時(shí)，為簡(jiǎn)單計(jì)，將由Vh＝0入手進(jìn)行如下的說(shuō)明。
在初始化期間，由于開關(guān)13、14、23、33均被閉合，且輸入電壓被設(shè)定為Vin＝Vh＝0，所以第一運(yùn)算放大器10的輸出電壓V1和第二運(yùn)算放大器20的輸出電壓V2被表示如下V1＝V2＝Vh＝0繼而，當(dāng)打開開關(guān)13、14、23、33以測(cè)量靜電電容Cs時(shí)，下述方程分別關(guān)于第一到第三運(yùn)算放大器10、20、30的輸出電壓V1、V2、Vout被滿足，其中Ri1、Rf1、Ri2、Rf2、Ri3、Rf3、Rh3、Rg3分別是電阻11、12、21、22、31、32、34和35的阻值；K＝Rg3/Rh3＝Rf3/Ri3；V+和V-是所述放大器10的同相輸入端和反相輸入端的電壓；并使Rf1＝Ri1和Rf2＝Ri2。
V1＝-(Rf1/Ri1)(Vin-V+)+V+＝-Vin+2V+…(12)V2＝-(Rf2/Ri2)(Vin-Vh)+Vh＝-Vin …(13)Vout＝K(V1-V2) …(14)當(dāng)輸入電壓Vin從初始化期間已被設(shè)定的Vh變到Vh+ΔV時(shí)，積累在傳感器電容Cs上的電荷Q1和積累在寄生電容Cp上的電荷Q2被表示為Q1＝(Vin-V+)Cs＝(Vh+ΔV-V+)Cs …(15)Q2＝V+Cp …(16)由于傳感器電容Cs與寄生電容Cp串聯(lián)連接，使得等量電荷被積累在電容Cs和Cp上，所以Q1＝Q2成立。因此，下面的方程被滿足V+Cp＝(Vh+ΔV-V+)Cs由于像上面所述的那樣Vh＝0，所以運(yùn)算放大器10的同相輸入端處的電壓V+由下式表示V+＝ΔV*Cs/(Cs+Cp) …(17)利用方程(17)，各個(gè)方程(12)和(14)被改寫如下V1＝-Vin+2V+＝-Vin+2*ΔV*Cs/(Cs+Cp) …(18)Vout＝K(V1-V2)＝K[-Vin+2*ΔV*Cs/(Cs+Cp)+Vin]＝2K*ΔV*Cs/(Cs+Cp)…(19)當(dāng)把傳感器S和圖3中檢測(cè)電路的其余電路部分形成于多個(gè)電連接的分立芯片上時(shí)，寄生電容Cp可能在接近從1pF到大約100pF或更大的范圍內(nèi)，而傳感器S的電容Cs通常是從大約1fF到幾百fF。因此，由于Cp遠(yuǎn)大于Cs，所以可以用Cs/Cp代替Cs/(Cs+Cp)。于是，方程(19)(或第三運(yùn)算放大器30的輸出電壓Vout)由下式表示Vout＝2K*ΔV*Cs/Cp …(20)方程(20)表明從第三運(yùn)算放大器30可以得到一個(gè)與靜電電容Cs成正比的電壓。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，在Vh≠0的條件變得更為復(fù)雜的情況下，通過(guò)方程(20)，在圖3所示設(shè)備中，即使Vh不為0，有關(guān)如何解決問題的技術(shù)思想原則與Vh＝0時(shí)是相同的。
于是，即使在運(yùn)算放大器10的同相輸入端存在寄生電容Cp，只要電容Cs遠(yuǎn)小于寄生電容Cp，圖3所示的電容檢測(cè)電路就能輸出與電容Cs成正比的電壓Vout。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)第一至第三運(yùn)算放大器10、20、30各自的增益和輸入電壓Vin響應(yīng)電容Cs的改變量ΔV，可以得到足夠大的輸出電壓Vout。
如上所述，即使寄生電容Cp較大，圖3的電容檢測(cè)電路也能輸出與傳感器S電容Cs成正比的電壓Vout，以及通過(guò)改變輸入電壓Vin增加傳感器S的電容Cs上積累的電荷量。另外，由于從第一運(yùn)算放大器10輸出的被測(cè)電容電壓V1與從運(yùn)算放大器20輸出的參考電壓V2之間的差被第三運(yùn)算放大器30放大，所示放大器10可以有較小的增益，因此，就能防止輸出電壓V1飽和。此外，可以根據(jù)傳感器電容Cs與寄生電容Cp之比調(diào)整第三運(yùn)算放大器30的增益。
圖4是表示當(dāng)寄生電容Cp為20pF時(shí)，圖3所示電容檢測(cè)電路一個(gè)模擬例的結(jié)果圖線。另外，假設(shè)V-＝0V，V+＝5V且Vh＝Vdd/2＝2.5V，從而當(dāng)Cs＝0時(shí)，Vout≈2.5V。圖4B中的圖線是圖4A一部分的放大部分。圖4A表示當(dāng)傳感器電容Cs在從0到500fF范圍內(nèi)改變時(shí)，輸出電壓Vout在2.4V到4.1V范圍內(nèi)呈線性變化，而圖4B表示當(dāng)Cs在從0到100fF范圍內(nèi)改變時(shí)，輸出電壓Vout在2.41V到2.77V范圍內(nèi)呈線性變化。
從上面關(guān)于優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述將能理解，本發(fā)明可以產(chǎn)生獨(dú)特的效果，即使在傳感器電容與檢測(cè)電路之間的連接部分形成寄生電容，也能得到與傳感器電容成正比的電壓，而不受寄生所述電容的影響。
雖然已經(jīng)描述了目前所考慮的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，但將能理解可以做各種改型，這些改型落入本發(fā)明的精髓和范圍內(nèi)，用以覆蓋所附各權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種電容檢測(cè)系統(tǒng)，它提供與傳感器的電容對(duì)應(yīng)的輸出，包括電壓輸入端連接成接受變化的輸入電壓；運(yùn)算放大器，它有經(jīng)第一電阻與所述電壓輸入端相連的反相輸入端，經(jīng)傳感器與所述電壓輸入端相連并經(jīng)第一開關(guān)與一參考電壓相連的同相輸入端，以及通過(guò)一個(gè)包含彼此并聯(lián)之第二電阻和第二開關(guān)的電路與所述反相輸入端相連的輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的電容檢測(cè)系統(tǒng)，還包括第二運(yùn)算放大器，它有經(jīng)第三電阻與所述電壓輸入端相連的反相輸入端，連到所述參考電壓的同相輸入端，以及通過(guò)包含彼此并聯(lián)之第四電阻和第三開關(guān)的電路與所述反相輸入端相連的輸出端，此第二運(yùn)算放大器的增益與第一運(yùn)算放大器相同；第三運(yùn)算放大器，它的反相和同相輸入端連接成用以接受第一和第二運(yùn)算放大器的輸出電壓。
3.一種電容檢測(cè)系統(tǒng)，它提供與傳感器的電容對(duì)應(yīng)的輸出，包括電壓輸入端，連接成接受在第一與第二參考電壓之間變化的輸入電壓；運(yùn)算放大器，它有經(jīng)第一電阻與所述電壓輸入端相連的反相輸入端，經(jīng)傳感器電容與所述電壓輸入端相連并經(jīng)第一開關(guān)與第一參考電壓相連的同相輸入端，以及通過(guò)一個(gè)包含彼此并聯(lián)之第二電阻和第二開關(guān)的反饋電路與所述反相輸入端相連的輸出端；在初始化期間，所述第一和第二開關(guān)被閉合，并將第一參考電壓加到所述電壓輸入端，而在測(cè)量期間，所述第一和第二開關(guān)被打開，并將第二參考電壓加到所述電壓輸入端，從而在所述輸出端得到一個(gè)響應(yīng)傳感器電容線性變化的輸出電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的電容檢測(cè)系統(tǒng)，還包括第二運(yùn)算放大器，它有經(jīng)第三電阻與所述電壓輸入端相連的反相輸入端，連到第一參考電壓的同相輸入端，以及通過(guò)包含彼此并聯(lián)之第四電阻和第三開關(guān)的反饋電路與所述反相輸入端相連的輸出端，此第二放大器的增益與第一運(yùn)算放大器相同；第三運(yùn)算放大器，它的反相和同相輸入端連接成用以接受第一和第二運(yùn)算放大器的輸出電壓；第三開關(guān)在與第一和第二開關(guān)被閉合和/或打開的相同時(shí)刻被閉合和/或打開，從而在第三運(yùn)算放大器的輸出端得到一個(gè)與傳感器電容成正比的輸出電壓。
5.如權(quán)利要求2或4所述的電容檢測(cè)系統(tǒng)，還包括包含于第三運(yùn)算放大器的反饋電路中的第四開關(guān)，此第四開關(guān)在與第一至第三開關(guān)被閉合的相同時(shí)刻被閉合和/或打開。
6.一種電容檢測(cè)系統(tǒng)，用于輸出與傳感器的電容成正比的電壓，包括第一電路，用于提供與傳感器電容和在傳感器電容與檢測(cè)電路間的連接部分形成之寄生電容有關(guān)的第一電壓；第二電路，它有與第一電路相同的電路特性，用于提供與傳感器電容及寄生電容不相關(guān)的第二電壓；第三電路，用于輸出一個(gè)與第一及第二電壓間之差對(duì)應(yīng)，從而與傳感器電容成正比的電壓。
7.如權(quán)利要求6所述的電容檢測(cè)系統(tǒng)，其中第一電路包括第一放大器，該第一放大器的輸入端通過(guò)傳感器電容與電壓輸入端相連，用以提供響應(yīng)所述傳感器電容和在所述輸入端周圍形成之寄生電容成線性變化的第一電壓；第二電路包括第二放大器，該第二放大器連到所述電壓輸入端，并有與第一放大器相同的增益，用以提供與傳感器寄生電容無(wú)關(guān)的第二電壓；第三電路包括第三放大器，該第三放大器用于接受所述第一和第二電壓，用以輸出與第一和第二電壓之間的差對(duì)應(yīng)的電壓。
8.如權(quán)利要求7所述的電容檢測(cè)系統(tǒng)，其中第一到第三放大器分別包含第一至第三運(yùn)算放大器，所述傳感器電容被連接在所述電壓輸入端與第一運(yùn)算放大器的同相輸入端之間，用于初始化所述檢測(cè)電路的各開關(guān)連接在第一和第二運(yùn)算放大器的各反相輸入端與輸出端之間、第三運(yùn)算放大器的同相輸入端與輸出端之間、以及第一運(yùn)算放大器的同相輸入端與參考電壓接線端之間。
9.一種電容檢測(cè)方法，用以提供與傳感器電容成正比的電壓，包括以下步驟輸出第一電壓，它由傳感器電容和所述傳感器電容與電容檢測(cè)電路之間的連接部分形成之寄生電容所限定；輸出與所述傳感器電容及寄生電容無(wú)關(guān)的第二電壓；輸出一個(gè)與所述第一和第二電壓之間的差對(duì)應(yīng)的第三電壓，此電壓與所述傳感器電容成正比。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中輸出第一電壓的步驟包含如下步驟，即通過(guò)一個(gè)電阻和所述傳感器將輸入電壓提供給第一運(yùn)算放大器的反相輸入端和同相輸入端，以便從其輸出端輸出第一電壓；輸出第二電壓的步驟包含如下步驟，即將輸入電壓提供給第二運(yùn)算放大器的反相輸入端，以從其輸出端輸出第二電壓，將第二運(yùn)算放大器的同相輸入端連到參考電壓接線端；輸出第三電壓的步驟包含如下步驟，即將所述第一和第二電壓提供給第三運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端，以從其輸出端輸出第三電壓。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中第一到第三運(yùn)算放大器分別包含第一至第三負(fù)反饋電路，它們分別包含彼此并聯(lián)連接的第一到第三電阻和第一到第三開關(guān)，第一運(yùn)算放大器的同相輸入端經(jīng)第四開關(guān)連到參考電壓接線端，所述方法還包括以下步驟在重置期間接通第一到第四開關(guān)；在測(cè)量期間開始之前斷開第一到第四開關(guān)。
全文摘要
一種能輸出與傳感器的靜電電容成正比之電壓的電容檢測(cè)電路,它包含電壓輸入端連接成接受變化的輸入電壓,還包含運(yùn)算放大器。電壓輸入端接受的輸入電壓在兩個(gè)不同的參考電壓之間變化。運(yùn)算放大器的反相輸入端經(jīng)第一電阻與所述電壓輸入端相連,放大器的同相輸入端通過(guò)傳感器與所述電壓輸入端相連并經(jīng)第一開關(guān)與一參考電壓相連。放大器的輸出端通過(guò)一個(gè)包含電阻和開關(guān)的反饋電路與所述反相輸入端相連。在初始化期間,各開關(guān)被閉合,并將一個(gè)參考電壓加到所述輸入端。在測(cè)量期間,打開各開關(guān),并將另一參考電壓加給所述輸入端。運(yùn)算放大器輸出一個(gè)響應(yīng)傳感器電容成線性變化的輸出電壓。
文檔編號(hào)G01D5/24GK1256757SQ99800160
公開日2000年6月14日 申請(qǐng)日期1999年2月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月19日
發(fā)明者松本俊行, 廣田良浩, 原田宗生, 宮野尚哉 申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社