一种粗精混合式SAR电容数字转换器

本发明涉及集成电路、电容传感及电容数字转换，具体涉及一种用于测量被测电容绝对电容量的sar电容数字转换器，尤其涉及一种通过粗测与精测混合转换、二进制加权电容阵列复用以及码字直接拼接实现大动态范围和高分辨率电容测量的电容数字转换芯片。

背景技术：

1、电容传感器广泛应用于触摸检测、位移检测、湿度检测、压力检测、材料识别及人机交互等场景。根据检测对象和系统结构的不同，电容传感可包括自电容检测和互电容检测等形式。在互电容检测中，被测对象的接近、触摸或介质变化会改变耦合电容；在一些片上或板级检测系统中，还需要获得被测电容的绝对电容量，而不仅是相对于初始状态的变化量。对于需要覆盖皮法至纳法量级电容的应用，电容数字转换器不仅需要较高的分辨率，还需要较大的输入动态范围和稳定的数字输出接口。

2、现有电容数字转换方案通常包括基于振荡频率检测的转换结构、基于电荷积分或电荷平衡的转换结构、∑-δ型电容数字转换结构、基于放电时间或比例时间测量的转换结构以及基于逐次逼近的开关电容转换结构。其中，高分辨率∑-δ型或电荷平衡型电容数字转换器通常适合检测皮法量级的变化电容，并可通过补偿电容、偏置消除或差分测量方式处理一定的固定电容或寄生电容；但是，当需要对数百皮法至纳法量级的绝对电容量进行直接测量时，其往往需要额外的补偿电容、量程扩展电路或较长的转换时间。基于振荡频率、充放电时间或比例时间测量的结构可以扩展至较大的电容范围，但其测量结果通常与时钟精度、放电电阻、参考电容、寄生参数和环境漂移相关，需要在测量速度、分辨率、校准复杂度和系统稳定性之间进行折中。例如，公开的高分辨率电容数字转换器中，部分∑-δ型或电荷平衡型方案的变化电容输入范围通常为数皮法至十余皮法量级，并通过片上补偿电容处理一定的固定电容或偏置电容；部分基于放电时间测量的方案能够覆盖纳法量级甚至更大电容范围，但通常需要根据被测电容范围配置参考电容、放电电阻或测量周期。由此可见，现有技术在高分辨率、小变化电容检测和大绝对电容量测量之间仍存在结构和性能折中。

3、传统sar型电容数字转换结构具有转换过程明确、数字控制简单、能效较高以及便于片上集成等优点，适合实现高分辨率电容测量。然而，在sar型结构中，若采用单一逐次逼近过程直接覆盖较大的绝对电容范围，则需要增加二进制加权电容阵列的总电容值或扩展转换位数，从而导致电容阵列面积、开关数量、参考电压驱动负担、节点建立时间和版图匹配难度明显增加。若采用单独的粗测电路和精测电路分别完成大量程检测和高分辨率检测，则会增加芯片面积和控制复杂度，并可能引入粗测结果与精测结果之间的增益误差、偏移误差或码字衔接误差。

4、在高精度电容检测芯片中，被测电容可能包含传感电极、引线、电路端口、封装和esd保护结构带来的固定电容及寄生电容，测量对象也可能从几十皮法扩展至数纳法。若采用单一细测sar过程直接覆盖全量程，则需要庞大的二进制加权电容阵列或额外的模拟量程切换电路；若采用单独的粗测电路和细测电路，则会增加芯片面积、校准复杂度和粗细转换结果之间的匹配误差。由此，需要一种能够在同一开关电容阵列上完成大范围粗测和高分辨率精测的电容数字转换方案，使量程扩展、分辨率、面积和数字逻辑复杂度之间取得较优平衡。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种粗精混合式sar电容数字转换器，以解决现有电容数字转换结构在大动态范围绝对电容量测量中存在的阵列面积大、细测量程不足、粗细测结果拼接复杂以及测量边界容易产生码字重叠或不连续的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种粗精混合式sar电容数字转换器。该转换器包括电容测量端口、参考电压输入端、二进制加权电容阵列、充电控制开关组、电荷转移控制开关组、复位开关、运算放大器、比较器、状态机、逻辑控制模块、输出寄存器和输出接口。所述参考电压输入端用于接入预设参考电压vref，所述预设参考电压vref分别用作所述二进制加权电容阵列的充电参考电压和所述比较器的比较基准电压；所述二进制加权电容阵列包括n+2个由所述逻辑控制模块分别控制接入或断开的二进制加权电容单元，其中两个最小权值电容单元的电容值均为单位电容值clsb；所述状态机用于输出复位、粗测、精测和输出状态信号，所述逻辑控制模块根据所述状态信号和比较器输出结果控制各开关及所述二进制加权电容阵列的切换。

3、进一步地，所述电容测量端口包括第一测量端口coutp和第二测量端口coutn，所述二进制加权电容阵列包括第一阵列端口cp和第二阵列端口cn，所述充电控制开关组包括第一充电开关φ1和第二充电开关φ′1，所述电荷转移控制开关组包括第一电荷转移开关φ2和第二电荷转移开关φ′2；其中，第一充电开关φ1连接于参考电压输入端与第一阵列端口cp之间，第二充电开关φ′1连接于第二阵列端口cn与地之间，第一电荷转移开关φ2连接于第二阵列端口cn与运算放大器反相输入端之间，第二电荷转移开关φ′2连接于第一阵列端口cp与地之间，运算放大器正相输入端与地连接，运算放大器反相输入端与第一测量端口coutp连接，输出端与第二测量端口coutn连接，复位开关φ0连接于第一测量端口coutp与第二测量端口coutn之间，比较器正相输入端与运算放大器输出端连接，反相输入端与参考电压输入端连接，比较器输出端输出比较结果dcmp至逻辑控制模块；所述状态机输出状态信号至逻辑控制模块，逻辑控制模块输出开关控制信号和阵列位控制信号至所述充电控制开关组、电荷转移控制开关组、复位开关及二进制加权电容阵列，并将输出数据送入输出寄存器，所述输出寄存器与输出接口连接。

4、进一步地，所述二进制加权电容阵列包括n+2个电容单元，各电容单元的电容值依次为clsb、clsb、2clsb、4clsb、……、2nclsb，阵列总电容满足ctotal＝2n+1clsb；每个电容单元的两端分别设置一对开关，分别为swi和sw′i，其中i＝0，1，2，...，n+1，每对开关分别连接于对应电容单元与第一阵列端口cp、第二阵列端口cn之间，每一电容单元对应的一对开关的控制端相互连接，形成与该电容单元对应的单元控制端，其中第i个电容单元对应的开关swi和swi′由第i个单元控制端控制；在粗测阶段，各对开关使所述二进制加权电容阵列的各电容单元同步接入，在精测阶段，各对开关根据逐次逼近结果分别控制对应电容单元接入或断开，从而实现所述二进制加权电容阵列在粗测与精测阶段的复用。

5、进一步地，所述充电控制开关组和所述电荷转移控制开关组采用底板采样方式工作；所述逻辑控制模块输出充电控制信号和电荷转移控制信号，所述第一充电开关φ1与第二充电开关φ′1由所述充电控制信号同步控制，所述第一电荷转移开关φ2与第二电荷转移开关φ′2由所述电荷转移控制信号同步控制，且所述充电控制信号与所述电荷转移控制信号为非交叠时钟信号；在充电阶段形成参考电压输入端、第一充电开关φ1、第一阵列端口cp、二进制加权电容阵列、第二阵列端口cn、第二充电开关φ′1和地构成的充电通路，在电荷转移阶段形成运算放大器反相输入端、第一电荷转移开关φ2、第二阵列端口cn、二进制加权电容阵列、第一阵列端口cp、第二电荷转移开关φ′2和地构成的电荷转移通路。

6、进一步地，所述复位开关包括并联连接的大尺寸复位子开关和小尺寸复位子开关；所述逻辑控制模块控制大尺寸复位子开关先导通以完成粗复位，并使小尺寸复位子开关的断开时刻相对于大尺寸复位子开关延迟预设时间，以完成精细复位。

7、进一步地，所述输出接口采用串行外设接口spi、集成电路总线接口i2c或通用异步收发接口uart中的至少一种。

8、进一步地，所述的进行电容数字转换的方法，包括如下步骤：

9、在复位阶段，状态机输出复位状态信号至逻辑控制模块，由逻辑控制模块控制复位开关闭合，对被测电容进行复位。

10、在粗测阶段，逻辑控制模块使二进制加权电容阵列全接入，并控制充电控制开关组与电荷转移控制开关组按包括复位相位、充电相位、非交叠相位、电荷转移相位和计数相位的粗测时序切换。全阵列重复充电和电荷转移，并在每次电荷转移后读取比较器输出；当比较器输出翻转时停止粗测，以输出翻转前完成的计数获得k位粗测计数结果n。该粗测结果用于确定被测电容所处的高位量程区间，并用于精测阶段的n次预充电控制。

11、在精测阶段，逻辑控制模块控制同一二进制加权电容阵列全接入，对被测电容进行n次预充电，使进入细测阶段的剩余量落入sar精测范围。随后保持一个最小权值电容单元clsb断开，并对其余n+1个电容单元按照从高位到低位的顺序进行复位、预充电、充电、非交叠、电荷转移和存储操作，获得n+1位精测结果m。

12、所述保持一个最小权值电容单元clsb断开的设置用于限定精测阶段的余量边界。二进制加权电容阵列包含两个最小权值电容单元，精测阶段断开其中一个最小权值电容单元后，其余n+1个电容单元形成0至(2(n+1)-1)个单位电容的逐次逼近量程，使n次预充电后的剩余待测电容量落入sar细测范围内，避免相邻粗测码区在边界处发生码字重叠、重复计数或缺码，并保持粗测结果n与精测结果m之间的拼接关系一致。

13、在输出阶段，逻辑控制模块将粗测计数结果n左移n+1位后与精测结果m拼接，得到总输出码字d＝2n+1n+m。被测电容满足ctest＝d·clsb，输出位数为k+n+1位，测量量程为0至(2k+n+1-1)·clsb。

14、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：第一，本发明通过粗测与精测混合模式在保持sar细测分辨率的同时显著扩展电容测量动态范围，适合被测电容绝对值跨越多个数量级的应用；第二，本发明复用同一二进制加权电容阵列完成粗测和精测，减少了独立粗测阵列或大量程模拟前端带来的面积和匹配负担；第三，本发明通过在精测阶段断开一个最小权值电容单元并将粗测结果与精测结果直接拼接，使高位粗测结果与低位精测结果天然对齐，降低数字后处理复杂度；第四，本发明采用底板采样和非交叠时钟信号，有利于减小电荷注入、时钟馈通以及开关瞬态误差；第五，本发明可配合输出寄存器和spi、i2c或uart等数字接口实现片上集成，便于在电容触摸、互电容传感和大范围绝对电容检测系统中使用。