A Large Measurable Range Capacitance-to-Digital Converter for Smart Humidity Sensors

Abstract

This study aims to propose a capacitance-to-digital converter (CDC) based on a third-order cascade of integrators with a feed-forward (CIFF) incremental sigma-delta modulator for smart humidity sensor application. Disguised zoom-in technology was proposed to enlarge the measurable range of the CDC. The input range of the CDC was 0–388 pF. The proposed CDC was realized using 0.18 μm complementary metal-oxide-semiconductor technology. Results show that the CDC performs a 13-bit capacitance-to-digital conversion in 0.8 ms. The analog system consumes 169.7 μA from a 1.8 V supply, which corresponds to a figure of merit (FOM) of 3.0 nJ/step. The proposed CDC was combined with a HS1101 humidity sensor to demonstrate its incorporation in an overall system design. The resolution was 0.7% relative humidity (RH) over a range of 30%–90% RH.

วงจรเชื่อมต่อสัญญาณสำหรับการตรวจวัดค่าความจุไฟฟ้า

“…SuccessiveApproximation Register: SAR) เทคนิ คโมดู เลชั ่ นซิ กม า เดลต า (Σ∆ Modulation)[17][18][19] นอกจากนี ้ การเชื ่ อมต อวงจรอิ นเทอร เฟซสามารถกระทํ า ได สองแบบ ดั งแสดงในรู ปที ่ 2 โดยแบบที ่ 1 จะใช แหล งกํ าเนิ ด สั ญญาณสองแหล งต อเข าที ่ เซนเซอร ชนิ ดเก็ บประจุ แบบดิ ฟเฟอ เรนเชี ยลC 1 และ C 2 และจุ ดกึ ่ งกลางระหว าง C 1 และ C 2 ต อเข า กั บวงจรอิ นเทอร เฟซ สํ าหรั บแบบที ่ 2 จะใช แหล งกํ าเนิ ดสั ญญาณ หนึ ่ งแหล งต อเข าที ่ จุ ดกึ ่ งกลางระหว าง C 1 และ C 2 และปลายของ C 1 และ C 2 ต อเข ากั บวงจรอิ นเทอร เฟซ โดยวงจรอิ นเทอร เฟซนี ้ จะมี ส วนขยายสั ญญาณ จํ านวน 2 วงจร [20] ซึ ่ งจะเยอะกว าแบบ ที ่ 1 ดั งนั ้ นวงจรอิ นเทอร เฟซจะใหญ ใช พื ้ นที ่ เยอะ และซั บซ อน กว าแบบที ่ 1 ด วยเหตุ นี ้ งานวิ จั ยนี ้ จึ งออกแบบวงจรอิ นเทอร เฟซ ตามแบบที ่ 1 (ก) การเชื ่ อมต อวงจรอิ นเทอร เฟซแบบที ่ 1 (ข) การเชื ่ อมต อวงจรอิ นเทอร เฟซแบบที ่ 2 รู ปที ่ 2 การเชื ่ อมต อวงจรอิ นเทอร เฟซ3. วงจรแปลงค าความจุ ไฟฟ าเป นสั ญญาณดิ จิ ตอลรู ปที ่ 3 และรู ปที ่ 4 แสดงวงจรแปลงค าความจุ ไฟฟ าเป นสั ญญาณ ดิ จิ ตอลที ่ นํ าเสนอ โดยประยุ กต ใช การแปลงด วยวงจรแปลงซิ กม า เดลต า อั นดั บหนึ ่ ง ซึ ่ งประกอบด วยวงจรแปลงค าความจุ ไฟฟ า เป นกระแสไฟฟ า วงจรขยายสั ญญาณแรงดั นไฟฟ า วงจรอิ นทิ เกร เตอร วงจรเปรี ยบเที ยบสั ญญาณ วงจรฟลิ ปฟลอป และวงจร แปลงสั ญญาณดิ จิ ตอลเป นแอนะล็ อกโดยป อนกลั บแบบ กระแสไฟฟ าขนาด 1 บิ ต โดยค าความจุ ไฟฟ าที ่ เปลี ่ ยนแปลงแบบ สมมาตร C 1 -C 2 = 2DC นั ้ นสามารถถู กแปลงเป นกระแสไฟฟ า ได โดยตั วเก็ บประจุ C 1 และ C 2 ต อร วมกั บแหล งกํ าเนิ ดสั ญญาณ รู ปสามเหลี ่ ยม V in และ V in !…”