Referència de tensió compensada en temperatura i de resposta adaptativa a la variació de la tensió d'alimentació per a interfícies de sensors capacitius en sistemes de conversió freqüencial

Abstract

Les tècniques d'adquisició de senyal a nivell freqüencial ofereixen unes prestacions que són especialment adequades en la construcció de sistemes per a l’adquisició de senyal i pre-procés (ROICs) de dades en sistemes basats en sensors. En particular, en la construcció de sistemes amb sensors sense condicionament i en sensors capacitius, les tècniques d'adquisició de senyal basades en convertidors de capacitat a freqüència (CtoF) i de freqüència a codi binari (Fto#) presenten un millor rendiment en temps real i unes millors característiques electròniques en comparació amb els tradicionals convertidors analògic-digitals. Per les característiques que presenten els senyals freqüencials, aquestes tècniques estan especialment indicades en aplicacions que treballen en ambients sorollosos, donat que permeten gaudir d’un rang d’entrada més elevat, proporcionant una multiplexació fàcil en sistemes d'adquisició multicanal, alhora que mantenen excel·lents precisions, consums reduïts i baixos costos de disseny. El treball Referència de tensió compensada en temperatura i de resposta adaptativa a la variació de la tensió d’alimentació per a interfícies de sensors capacitius en sistemes de conversió freqüencial introdueix millores en l’aplicació de tècniques clàssiques Fto# i presenta el disseny d’un circuit CtoF que millora les prestacions dels circuits d’adquisició de senyal de característiques similars presentats en la literatura. El circuit CtoF està compost per la unió d’un oscil·lador de relaxació més un circuit de referència en voltatge o bandgap: - L’oscil·lador de relaxació de baix consum està dissenyat per treballar en aplicacions de baixa freqüència (fins a uns pocs MHz) i mostra un bon marge de soroll de fase (-103,3 dBc/Hz a 612KHz), amb una baixa dependència a les variacions de la tensió d’alimentació. - El circuit bandgap dissenyat millora les prestacions de bandgaps similars presentats en la literatura. Té un consum d'energia baix (26μA), un bon PSRR (-49dB a 10MHz) i una molt baixa dependència a variacions de la temperatura (només 16 ppm/ºC). El disseny particular d’aquest bandgap mostra una dependència amb la tensió d’alimentació específicament calculada per a ser acoblat a l’oscil·lador de relaxació. - La unió del bandgap i de l’oscil·lador de relaxació conformen el CtoF final. Respecte a l’aïllament del CtoF les variacions de la tensió d’alimentació, cal notar que una variació del 20% de VDD, provoca una variació de només el 0,67% en la freqüència de sortida, mostrant el millor resultat de la literatura. El circuit CtoF s’ha integrat en un ROIC. La verificació final del circuit mostra que les millores introduïdes (en relació a resultats presentats en la literatura) en quan a rang de capacitats d'entrada, compensació de la temperatura, consum d'energia i PSRR, es deuen en gran mesura a l’acoblament del nou circuit de referència en voltatge amb l’oscil·lador de relaxació.

The characteristics provided by frequency signal acquisition techniques are particularly suitable for read-out integrated circuits (ROICs) in sensor-based systems. In particular, in the construction of systems with not conditioned sensors and capacitive sensors, signal acquisition techniques based on capacitance-to-frequency converters (CtoF) and frequency-to-code converters (Fto#) show better real-time performance and better electronic characteristics when compared to traditional analog-digital converters techniques. These techniques present good frequency signal features: high input ranges, can built multiplexed multichannel acquisition systems, have excellent precision, low consumption and low cost design. It is for this that they are specially adequate to work in noisy environments. This work entitled Reference voltage and temperature compensated with adaptive response to power supply changes for capacitive sensors interfaces in frequency conversion systems introduces improvements in the application of classical Fto# techniques and presents the design of a CtoF circuit that improves the signal acquisition circuits performances shown by similar works presented in the literature. The CtoF design consists of two circuits: a relaxation oscillator circuit and a bandgap reference voltage: • The low power relaxation oscillator is designed to work in low frequency applications (up to a few MHz) and shows a good phase noise margin (-103.3 dBc / Hz at 612KHz), with a low dependence on power supply variations. • The designed bandgap circuit improves the performance of similar bandgaps presented in the literature. It has a low power consumption (26μA), good PSRR (-49dB at 10 MHz) and a low dependence on temperature variations (only 16 ppm/°C). The design of this particular bandgap allows compensating the power supply dependence of the low power relaxation oscillator. • The union of the bandgap circuit and the relaxation oscillator makes the final CtoF. Regarding the dependence of CtoF to power supply variations, it is stated that a variation of 20% of VDD causes a variation of only 0.67% in the output frequency, showing the best result in the literature. The CtoF circuit has been integrated into a ROIC. The final verification of the circuit shows that the improvements (in comparison to results presented in the literature) in input range, temperature compensation, PSRR and power consumption are due to the coupling of the new bandgap with the relaxation oscillator.