革新的MEMS电容传感器信号处理ASIC
2012-09-06 06:14:12   来源：ACAM   评论：0   点击：

日前，德国ACAM公司推出了PICOCAP系列第二代MEMS电容传感器信号处理专用芯片Pcap02。

该片上系统集成了电容到数字转换器单元（CDC）以及用于数据处理的DSP单元，其前端CDC单元基于ACAM公司专利的时间到数字转换（TDC）测量原理，可以在功耗、分辨率与测量频率之间达到完美平衡，为客户提供无与伦比的设计灵活度。

Pcap02具有业界最高的电容测量兼容性，其输入范围覆盖0 fF至数百nF，可用于单端或差分电容测量，亦可用于接地或悬空电容测量。透过用户化配置，其有效精度最高可达22 bit，测量频率最高可达500 kHz，测量功耗最低可至数μA。

此外，透过固件，芯片内部、外部产生的寄生电容以及外部并联阻抗均可得到补偿，还可通过内部热电阻或外部传感器进行精确的温度测量。

PICOCAP的测量原理是将电容测量转化为精确的时间间隔测量，传感器电容和参考电容或第二个传感器电容，与同一个电阻相连接组成低通滤波电路，所有电容被首先充电到电源电压，然后分别通过同一个电阻进行放电至设定的阈值电压，放电时间将会被芯片内部的高精度TDC单元记录下来，参考电容和传感器电容的比值等同于其放电时间的比值。

PICOCAP测量原理的等效电路如下图（1）所示。

图（1）PICOCAP测量原理的等效电路

Pcap02专为MEMS应用优化的慢充电及短路检测原理如下图（2）、（3）所示。

图（2）Pcap02慢充电（可编程）原理图

图（3）Pcap02短路检测原理图

作为专为MEMS电容传感器信号处理而优化的SoC，Pcap02具有如下特性：
* CMOS技术的数字测量原理
* 接地模式下最多可以测量8个电容
* 漂移模式下最多可以测量4个电容
* 内部集成1至31pF可编程参考电容
* 内部集成放电电阻，最大阻值可设置为1兆欧姆
* 完全补偿内（接地模式）外（漂移模式）部寄生电容
* 完全补偿外部并联阻抗
* 专为慢充电设计的预充电工作模式
* 差分电容自测试能力
* 超高温度稳定性，低偏置漂移（低至30aF每开尔文），低增益漂移
* 专用温度测量端口（外接PT1000传感器，分辨率可达0.005K）
* SPI或IIC串行接口
* 两个16 bit PWM或PDM模拟输出接口
* 自启动
* 单电源2.1至3.6V供电，内置1.8V稳压器
* 内置电压测量
* 无需外部时钟
* 哈佛构架的RISC处理器核
* 128 x 48/24 bit RAM
* 4k x 8 bit SRAM，用于高速操作（40至100 MHz）
* 4k x 8 bit OTP，用于常规速度操作（最高40 MHz）
* 128 byte EEPROM，用于校准数据

其方框图如下图（4）所示。

图（4）Pcap02方框图

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