先进的阻抗与电容测量转换器

∑-ΔADC  

a.∑-Δ体系架构  

∑-Δ是一种成熟的技术，许多年来一直用于通常要求16 bit或更高分辨率的高性能ADC 。图3给出了工业标准单芯片 - ADC的简化体系结构。电容器的CIN和CREF周期性地切换到电压输入VIN和参考输入VREF，它们将电荷存储到积分器CINT中。比较器检测积分器的输出并控制输入开关的相位以构成闭环反馈环路，从而它使通过电压输入路径和参考输入路径的电荷流动保持平衡。所有闭环反馈环路系统的目的都是为了达到平衡，或者换句话说是实现零误差。这就是∑-Δ ADC要尽力实现的目标。  
  

比较器会输出由‘0’和‘1’组成的码流，它会随着用于环路平衡的电荷量而变化。电荷量与电压和电容成正比。因为电容的值是固定的，所以‘0’和‘1’的密度就表示输入电压（VIN）相对参考电压（VREF）的比率。因此，全‘1’的恒定码流表示满量程，而全‘0’则表示零位或零点。经过后续数字滤波器处理，我们可以得到输入电压转换结果。

这种体系结构的固有特点是高线性度和高精度，但是在分辨率和速度之间会有折衷。为了获得高精度，数字滤波器会花费较长的处理时间。该转换器的分辨率受系统噪声的限制。另外，输出数据速率受到时钟频率的限制，时钟频率取决于开关速度、积分器带宽和比较器建立时间。

b.∑-Δ与电容传感器

标准的∑-ΔADC通过在芯片内的固定电容器和外界输入之间切换实现转换。如果电荷与电压和电容都成正比，在这种情况下既然电容是变化的，那么为什么不使用固定的电压来代替固定的电容？  

基于此提出了改进的∑-ΔADC电路。固定输入电压可以看作电压激励源，被移至芯片外的可变电容器可以看作一个电容传感器。结果，输出数据将表示传感器电容相对CREF变化的比率。输入端的电荷是不变电容和可变电容之和。其中，要测量的电容是可变电容。通过芯片内的CAPDAC（这里没有示出），可从电荷反馈环路中减去由不变电容产生的电荷。
  
∑-ΔADC电路上述创新的思想允许电容传感器与∑-ΔADC直接连接，它具有高分辨率、高精度和高线性度等固有特点。在实际使用本电路体系结构时还有以下两个特点：   

a.其接口对传感器节点与地之间的电容以及对地的漏电流都不敏感，这两点根据实际电路都会引起特定的限制。  
b.完整的电容数字转换器可以在单芯片中实现，因此具有高集成度、系统容易实现、高可重复性和高可靠性的特点，最后并且很重要的一点就是显著降低了系统成本。  

电容传感器应用实例  

电容传感器的一个典型应用是压力检测，下面以此为例介绍电容传感器的具体应用。 压力传感器的电路图主要由两个电容极板构成，见图4。当对传感器施加压力时，电容极板就会互相靠近。这就有效地减小了两极板之间的距离‘d’，从而增大了电容。可以采用一个温度传感器来检测传感器温度的变化，因为其特性会随温度而变化。CDC的一个ADC电压通道用于周期性地测量温度。压力传感器在工业、汽车和医学应用中有着广泛的应用。  
  

ADI公司现已推出首批高精度单芯片电容数字转换器。该电容传感器允许不变的共模电容输入范围是0 ～17 pF，满度电容输入范围为 4 pF。芯片的最大有效分辨率（ENOB）为21 bit。从电容值来看，这就意味着该芯片可以分辨的最小输入电容变化值为4 aF(阿法）――大约相当于25 aF的“实际”噪声自由电容。有人问过1 aF是多少，1 aF等于10"18F （法拉）。所以，25 aF等于0.025 fF。

该器件在 40～＋125℃的温度范围内能达到规定的技术指标，最大功耗电流仅为850 A，具有一个I2C接口，采用16引脚TSSOP封装。首批CDC系列产品有三款器件，分别是AD7745，AD7746和AD7747。