Auswerteschaltung für kapazitive Sensoren bleifrei
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HT133 Auswerteschaltung für kapazitive Sensoren bleifrei History of revisions Date 14.07.04 26.07.04 1.1 1.2 No. Gesellschaft für Mikroelektronikanwendung Chemnitz mbH Zwickauer Straße 227 D-09116 Chemnitz, Germany Modification Ersterstellung Pinning MQFP44 Gehäuse Phone: Fax:: Internet: Email: +49 371 33 77 - 0 +49 371 33 77 272 www.gemac-chemnitz.de [email protected] [email protected] Date: 26.07.04 Page 1 of 12 Status aktuell Hü Hü Revisor Title: HT133 Name of Document: 00024-DB-1-2-D-HT133.pdf 1 ALLGEMEINE BESCHREIBUNG ........................................................................................................ 3 2 MESS- UND SCHALTUNGSPRINZIP.................................................................................................. 3 3 EIGENSCHAFTEN .............................................................................................................................. 4 4 FUNKTIONSBESCHREIBUNG............................................................................................................ 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 LADUNGSVERSTÄRKER ....................................................................................................................... 4 MESSBEREICHE (ANSCHLUSSPADS MB0, MB1) .................................................................................... 5 A/D-UMSETZER ................................................................................................................................. 5 DIGITALES ÜBERTRAGUNGSVERHALTEN................................................................................................ 5 ANALOGES ÜBERTRAGUNGSVERHALTEN ............................................................................................... 6 INTERNER OSZILLATOR ....................................................................................................................... 6 SENSOROFFSET ................................................................................................................................. 6 POWER DOWN BETRIEB ...................................................................................................................... 7 TRISTATE-AUSGÄNGE ......................................................................................................................... 7 MITTELWERTBILDUNG ..................................................................................................................... 7 OVERFLOW -INDIKATOR ................................................................................................................... 7 MASTER RESET ............................................................................................................................. 7 5 KAPAZITÄTSMESSUNG (M0=0) ........................................................................................................ 7 6 OFFSETABGLEICH (M0=1) ................................................................................................................ 8 7 BETRIEBSBEDINGUNGEN ................................................................................................................ 8 8 ELEKTRISCHE KENNDATEN............................................................................................................. 8 9 TYPISCHE BESCHALTUNG ............................................................................................................... 9 10 PADBESCHREIBUNG UND LAYOUT ............................................................................................... 10 11 GEHÄUSETYPEN ............................................................................................................................. 10 Gesellschaft für Mikroelektronikanwendung Chemnitz mbH Zwickauer Straße 227 D-09116 Chemnitz, Germany Phone: Fax:: Internet: Email: +49 371 33 77 - 0 +49 371 33 77 272 www.gemac-chemnitz.de [email protected] [email protected] Date: 26.07.04 Page 2 of 12 Title: HT133 Name of Document: 00024-DB-1-2-D-HT133.pdf 1 Allgemeine Beschreibung Die Auswerteschaltung HT133 ist ein integrierter CMOS-Schaltkreis zur Messung kleiner Kapazitätsdifferenzen bis in den Attofaradbereich. Die Schaltung ist deshalb besonders für die Auswertung von mikromechanischen Neigungs- und Beschleunigungssensoren geeignet. Bei Verwendung der zwei internen Referenzkondensatoren ergeben sich Auflösungen von ca. 2 Femtofarad (2*10 15 F) im 4pF-Meßbereich bzw. 160 Attofarad im 0,32pF-Meßbereich („Messbereichslupe“). Durch externe Beschaltung kann der zur Verfügung stehende Messbereich leicht erweitert werden. Der HT133 besitzt einen internen Oszillator, der mit einem externen Widerstand abgeglichen werden kann. Die kürzeste Messzeit beträgt ca. 50 sec. Komplette Systeme können aufgrund des integrierten Taktgebers mit wenigen externen Bauteilen realisiert werden. Der in der Praxis immer vorhandene Offset des Sensors kann durch Variieren der Messspannung kompensiert werden. Die Stromaufnahme beträgt bei 5V Versorgungsspannung etwa 1.5mA. Für einen eventuellen Batteriebetrieb wurde ein Power-Down-Mode implementiert. Die Schaltung arbeitet im Temperaturbereich von -40°C bis 125°C. Die auftretende Temperaturdrift liegt unterhalb der Auflösung (abhängig vom Gehäuse). 2 Mess- und Schaltungsprinzip Durch gegenphasiges Schalten zweier Messspannungen wird die Kapazitätsdifferenz des Sensors in einen Ladungsstoß, welcher eine proportionale Änderung eines Ladungsverstärkerausgangs bewirkt, umgesetzt. Diese Spannung wird abgetastet und mit Hilfe eines internen A/D-Umsetzers in ein 12-Bit breites Signal umgewandelt. Die Größe des Messbereichs wird durch einen Rückkopplungskondensator im Ladungsverstärker festgelegt. Neben den beiden möglichen internen Kondensatoren, die zwei feste Messbereiche bestimmen, können optional über einen externen Kondensator zwei weitere Messbereiche mit bis zu 20pF gewählt werden. Der Offset der gesamten Auswerteschaltung (AWS) vom Ladungsverstärkereingang bis zum A/D-UmsetzerAusgang wird nach dem Starten des Modes „Offsetabgleich“ ausgemessen und abgespeichert. Bei allen nachfolgenden Messungen wird der Offset dann automatisch ausgeglichen. Gesellschaft für Mikroelektronikanwendung Chemnitz mbH Zwickauer Straße 227 D-09116 Chemnitz, Germany Phone: Fax:: Internet: Email: +49 371 33 77 - 0 +49 371 33 77 272 www.gemac-chemnitz.de [email protected] [email protected] Date: 26.07.04 Page 3 of 12 Title: HT133 Name of Document: 00024-DB-1-2-D-HT133.pdf 3 Eigenschaften • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 4 Messung kleiner Differenzkapazitäten Kleinste Auflösung 0,16 fF=0,16x10 15 F Interne Messbereiche (extern erweiterbar) Maximale Eingangskapazität von 2x20 pF Interne Offsetkompensation Sensor-Offset in Grenzen abgleichbar Hohe Umsetzrate von 20kHz 11-Bit + Vorzeichen Digitalausgang (parallel) Analogausgang Tristate-Ausgänge 5V-Versorgungsspannung variable Referenzspannung 3 – 5,2V Stromaufnahme 1.5mA ( 7.5mW) Power-Down-Mode Interner abstimmbarer 500 kHz-Oszillator Temperaturbereich -40°C bis 125°C Geringe Temperaturdrift Eingebauter Sample and Hold Interne, abschaltbare Mittelwertbildung Separate Versorgungsspannung für Analog- und Digitalteil Funktionsbeschreibung 4.1 Ladungsverstärker Der Ladungsverstärker wertet die Kapazitätsdifferenz des Sensors (Kapazitäten C1 und C2) aus. Die Übertragungsfunktion lautet: VCA = VR VR1C1 − VR 2 C 2 + 2 C0 (1) wenn Anschluss SREF=1 zwei Referenzspannungen VR1 und VR2 (siehe auch Punkt 7 „Sensoroffset“). C0 läßt sich aus der Messbereicheinstellung (CMeß ) errechnen: C0 = 5/2 CMeß (2) Im Messbereich 1 ergibt sich (CMeß = 0.32pF): C0 = 0.8pF. Die Referenzspannungen VR1 und VR2 dienen zum Abgleich des Sensor-Offset und werden extern eingespeist. Optional kann auch die Referenzspannung VR genutzt werden. In diesem Fall (SREF=0) gilt für die Spannung VCA : 1 C − C2 VCA = VR ( + 1 ) 2 C0 (3) Diese Spannung wird auf den A/D-Wandler geschaltet. Gesellschaft für Mikroelektronikanwendung Chemnitz mbH Zwickauer Straße 227 D-09116 Chemnitz, Germany Phone: Fax:: Internet: Email: +49 371 33 77 - 0 +49 371 33 77 272 www.gemac-chemnitz.de [email protected] [email protected] Date: 26.07.04 Page 4 of 12 Title: HT133 Name of Document: 00024-DB-1-2-D-HT133.pdf 4.2 Messbereiche (Anschlusspads MB0, MB1) Die Schaltung besitzt zwei durch interne Kapazitäten definierte Messbereiche. Diese können durch Zuschalten eines externen Kondensators Cext zwischen den Anschlüssen CEXTA und CEXTB bis auf ±16pF erweitert werden (Tabelle). Messbereich MB1 CMeß ± 0,32pF 0 ± 4,0pF 0 ± 0,4 Cext 1 ± (0,4 1 Cext+4,0pF Nr. 1 2 3 4 4.3 MB0 0 1 0 1 A/D-Umsetzer Der Ausgang des Ladungsverstärkers wird auf einen A/D-Umsetzer gegeben, welcher die Spannung in ein 12-Bit Digitalsignal umsetzt. Der dabei erzeugte Dezimalwert lässt sich errechnen als der ganzzahlig gerundete Wert von: DOUT = mit 0 4.4 DOUT V 4095 (10 CA − 1) 2 VR (4) 4096. Digitales Übertragungsverhalten Die Gesamtübertragungsfunktion der Schaltung ergibt sich aus den Gleichungen (3) und (4) bei SREF=0 zu: DOUT = wobei wiederum gilt 0 DOUT 4095 20475 C1 − C 2 + (5) 2 4 C0 4096. Übertragungsverhalten digital Gesellschaft für Mikroelektronikanwendung Chemnitz mbH Zwickauer Straße 227 D-09116 Chemnitz, Germany Phone: Fax:: Internet: Email: +49 371 33 77 - 0 +49 371 33 77 272 www.gemac-chemnitz.de [email protected] [email protected] Date: 26.07.04 Page 5 of 12 Title: HT133 Name of Document: 00024-DB-1-2-D-HT133.pdf 4.5 Analoges Übertragungsverhalten Das Ausgangssignal des Ladungsverstärkers steht am Analogausgang AOUT ratiometrisch zu VR/2 zur Verfügung (Gleichung (3)). Es handelt sich dabei um einen dynamischen Ausgang. Bei jedem Messzyklus wird ein interner Kondensator auf den aktuellen Analogwert aufgeladen. In Messpausen entlädt sich dieserKondensator. Übertragungsverhalten analog Der Analogausgang kann kapazitiv bis ca. 30pF und mit einem Widerstand von mindestens 100k werden. 4.6 belastet Interner Oszillator Auf dem Chip befindet sich ein interner Oszillator. Das Taktsignal steht am Ausgang CLK zur Verfügung. Mit Hilfe eines Widerstandes an REXT (ca. 220k ) lässt sich das Taktsignal abgleichen auf 500kHz. 4.7 Sensoroffset Der Lagefehler des Sensors (Offset) kann mittels unterschiedlicher Spannungen an den Eingängen VR1 und VR2 abgeglichen werden, wenn SREF auf H-Pegel liegt. Liegt der Padanschluss SREF auf L-Pegel, so wird intern an beide Sensorausgänge C1 und C2 dieselbe Spannung VR angelegt. VR1 und VR2 sollten in diesem Fall auf AVSS gelegt werden. Gesellschaft für Mikroelektronikanwendung Chemnitz mbH Zwickauer Straße 227 D-09116 Chemnitz, Germany Phone: Fax:: Internet: Email: +49 371 33 77 - 0 +49 371 33 77 272 www.gemac-chemnitz.de [email protected] [email protected] Date: 26.07.04 Page 6 of 12 Title: HT133 Name of Document: 00024-DB-1-2-D-HT133.pdf 4.8 Power Down Betrieb Bei PDM=1 wird die Schaltung in den aktiven Zustand überführt. Die Stromaufnahme geht auf den Minimalwert IPDM 10 A zurück. 4.9 Tristate-Ausgänge Die Ausgänge besitzen eine hohe Impedanz, wenn Anschluss OE auf L-Pegel liegt (wirkt asynchron auf die Ausgänge). Bei OE=1 sind die Ausgänge aktiv. ( Busfähigkeit) 4.10 Mittelwertbildung Liegt der Eingang AV auf H-Pegel werden 16 Messungen durchgeführt und der Mittelwert ausgegeben. 4.11 Overflow-Indikator Der Ausgang OF (active high) zeigt an , dass der Offset der Schaltung zu groß ist und nicht mehr abgeglichen werden kann. Der interne Offset ist in der Regel jedoch sehr gering. 4.12 Master Reset Die Schaltung ist mit einem globalen Reset versehen. Wird dieser Reset aktiviert Anschlusspad MR = high) so werden interne Register zurückgesetzt und die Schaltung geht in ihren Initialisierungszustand. 5 Kapazitätsmessung (M0=0) Die Kapazitätsmessung wird durch einen mindestens 2/f CLK dauernden H-Pegel am Anschluss SOC („Start Of Conversion“) gestartet. Liegt SOC an VDD oder an EOC, so befindet sich die Schaltung im kontinuierlichen Betrieb. Nach dem Einlatchen der Mode- und Messbereichsbits findet zunächst eine Initialisierung des Ladungsverstärkers und eine Analogmessung statt. Anschließend wird der Analogwert abgetastet und dem A/D-Umsetzer zugeführt. Nach insgesamt 25 Taktzyklen steht das 12-Bit Datenwort zur Verfügung und der Ausgang EOC („End Of Conversion“) nimmt H-Pegel an (siehe auch Timing Diagramm). Die ermittelten Werte bleiben bis zu einer erneuten Kapazitätsmessung oder dem Abschalten der Betriebsspannung in den Ausgangslatches erhalten. Nur während der Ausgang EOC H-Pegel annimmt, sind die Ausgangsdaten gülig. Zeitdiagramm der Kapazitätsmessung Gesellschaft für Mikroelektronikanwendung Chemnitz mbH Zwickauer Straße 227 D-09116 Chemnitz, Germany Phone: Fax:: Internet: Email: +49 371 33 77 - 0 +49 371 33 77 272 www.gemac-chemnitz.de [email protected] [email protected] Date: 26.07.04 Page 7 of 12 Title: HT133 Name of Document: 00024-DB-1-2-D-HT133.pdf 6 Offsetabgleich (M0=1) Nach dem Einschalten der Betriebsspannung, einer Änderung der Referenzspannung oder nach jedem Wechsel des Messbereiches ist zunächst ein Offsetabgleich der Schaltung durchzuführen. Alle nachfolgenden Kapazitätsmessungen sind dann offsetfrei. Bei absolut gleichen Sensorkondensatoren beträgt der dezimale Ausgangswert 2048. Der Offsetabgleich wird durch einen mindestens 2/fCLK dauernden H-Pegel an SOC gestartet. Nachdem der Ausgang EOC wieder H-Pegel annimmt, ist der Offsetabgleich beendet. 7 Betriebsbedingungen Betriebsdaten Betriebstemperatur Betriebsspannung Referenzspannung EingangHigh-Pegel EingangLow-Pegel 8 Symbol Min. Typ. Max. TB -40 25 125 Einh eit °C VDD 4,5 5 5,5 V VR 3 5 VDD+0,2 V VIH VDD1,5 V VIL 1,5 V Elektrische Kenndaten Beschreibung Betriebsstrom Stromaufnahme im Power-DownBetrieb Ausgangsstrom Maximale Kapazitätsdifferenz Messbereich 1 Maximale Kapazitätsdifferenz Messbereich 2 Maximale Kapazitätsdifferenz Messbereich 3 Maximale Kapazitätsdifferenz Messbereich 4 Auflösung im Messbereich 1 Auflösung im Messbereich 2 Auflösung im Messbereich 3 Auflösung im Messbereich 4 Sensorgrundkapazität Umsetzrate (bei SOC=EOC) Taktfrequenz Startimpulsdauer Umsetzzeit für Kapazitätsmessung mit Mittelwertbildung ohne Mittelwertbildung Einschwingzeit nach power on² Treiberfähigkeit (Analogausgang) 1 0,8 pF 2 mit 1 F an VRH Cext 40 pF Gesellschaft für Mikroelektronikanwendung Chemnitz mbH Zwickauer Straße 227 D-09116 Chemnitz, Germany Phone: Fax:: Internet: Email: Symbol IDD IPDM Min 1 Typisch 1,5 2 IDI CMAX1 ± 0,32 CMAX2 ± 4,0 CMAX3 ± 0,4 Cext CMAX4 ± (0,4 Cext + 4,0pF) CMIN1 CMIN2 CMIN3 CMIN4 CSGK fA 0,156 1,95 Cext /5120 Cext /5120 + 1pF/512 2x15 fCLK/25 fCLK tSOC tKAP tON CAOUT RAOUT 360 2/ fCLK Einheit mA A 2,5 mA pF pF 1 500 25/ f CLK 400/ f CLK 60 100 +49 371 33 77 - 0 +49 371 33 77 272 www.gemac-chemnitz.de [email protected] [email protected] Date: 26.07.04 Page 8 of 12 Max 2,5 10 fF fF 2x20 pF 550 kHz sec 120 30 ms pF k Title: HT133 Name of Document: 00024-DB-1-2-D-HT133.pdf 9 Typische Beschaltung Die Anschlusspads AT1, AT2, M1, M2, DT und F dienen nur dem Schaltkreistest und müssen wie im Applikationsschaltbild beschrieben beschaltet werden. Das Applikationsschaltbild zeigt die Beschaltung für kontinuierliche Kapazitätsmessung (SOC und EOC kurzgeschlossen) mit maximaler Geschwindigkeit und der Möglichkeit des Sensoroffsetabgleiches. Gesellschaft für Mikroelektronikanwendung Chemnitz mbH Zwickauer Straße 227 D-09116 Chemnitz, Germany Phone: Fax:: Internet: Email: +49 371 33 77 - 0 +49 371 33 77 272 www.gemac-chemnitz.de [email protected] [email protected] Date: 26.07.04 Page 9 of 12 Title: HT133 Name of Document: 00024-DB-1-2-D-HT133.pdf 10 Padbeschreibung und Layout Die folgende Skizze zeigt maßstabsgerecht die Lage der Pads auf dem Die. Aus der Tabelle sind die exakten Koordinaten ersichtlich. Die Abmessungen des Siliziumstückes sind etwa 3,7 x 3,4 mm². (Layoutmaße: 3,686 x 3,386 mm²). Die Padgröße beträgt 110 x 110 um² (Öffnungsfenster der Passivierung). 11 Gehäusetypen Die Schaltung ist im MQFP44 Gehäuse sowie als „Bare Die“ verfügbar. Grundsätzlich kann der Chip also mit einem Sensor in ein gemeinsames Gehäuse gepackt werden um eine kapazitätsarme Kontaktierung zu erreichen. Gesellschaft für Mikroelektronikanwendung Chemnitz mbH Zwickauer Straße 227 D-09116 Chemnitz, Germany Phone: Fax:: Internet: Email: +49 371 33 77 - 0 +49 371 33 77 272 www.gemac-chemnitz.de [email protected] [email protected] Date: 26.07.04 Page 10 of 12 Title: HT133 Name of Document: 00024-DB-1-2-D-HT133.pdf Pad- PadNr. Name Koordinaten (x/y) Beschreibung in m bezogen auf Chipmitte 1 2 3 4 CEXTA VR CEXTB VRH ( -1685 / 1052) ( -1685 / 842) ( -1685 / 631) ( -1685 / 421) 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 C1 CM C2 VR1 AT2 AVSS AT1 VR2 AOUT DVSS REXT ( -1685 / 210) ( -1685 / -2) ( -1685 / -213) ( -1685 / -423) ( -1685 / -635) ( -1685 / -845) ( -1685 / -1055) ( -1492 / -1536) ( -1281 / -1536) ( -930 / -1536) ( -720 / -1536) 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 AV DT OE M2 M1 M0 MB1 MB0 MR SOC EOC PDM CLK SREF F DVDD AVDD ( 31 / -1536) ( 245 / -1536) ( 496 / -1536) ( 710 / -1536) ( 961 / -1536) ( 1175 / -1536) ( 1425 / -1536) ( 1685 / -1261) ( 1685 / -1047) ( 1685 / -796) ( 1685 / -582) ( 1685 / -331) ( 1685 / -52) ( 1685 / 158) ( 1685 / 407) ( 1685 / 850) ( 1685 / 1090) ( 1685 / 1330) ( 1472 / 1535) ( 1247 / 1535) ( 1022 / 1535) ( 797 / 1535) ( 530 / 1535) ( -4 / 1535) ( -282 / 1535) ( -493 / 1535) ( -786 / 1535) ( -1153 / 1535) ( -1471 / 1535) Gesellschaft für Mikroelektronikanwendung Chemnitz mbH Zwickauer Straße 227 D-09116 Chemnitz, Germany Phone: Fax:: Internet: Email: Bemerkung Anschluss A Messbereichskondensator externe Referenzspannung Anschluss B Messbereichkondensator intern erzeugte Referenzspannung (=VR/2) Anschluss B Sensorkapazität C1 Anschluss A Sensorkapazität C1 und C2 Anschluss B Sensorkapazität C2 externe Referenz für C1 Analogtest nicht beschalten! negative Analogversorgung Analogtest nicht beschalten! externe Referenz für C2 Analogausgang negative Digitalversorgung Oszillatorwiderstand gegen DVDD schalten Digitalausgang Bit 0 LSB Digitalausgang Bit 1 Digitalausgang Bit 2 Digitalausgang Bit 3 Digitalausgang Bit 4 Digitalausgang Bit 5 Digitalausgang Bit 6 Digitalausgang Bit 7 Digitalausgang Bit 8 Digitalausgang Bit 9 Digitalausgang Bit 10 Digitalausgang Bit 11 MSB Mittelwertbildung Digitaltest nicht beschalten! Output Enable Modeauswahl Modeauswahl Modeauswahl Messbereichswahl Messbereichswahl Master Reset Start Signal End of Conversion Power Down Mode intern erzeugter Takt Auswahl externer Referenzspannungen Testport an DVSS legen! positive Digitalversorgung positive Analogversorgung +49 371 33 77 - 0 +49 371 33 77 272 www.gemac-chemnitz.de [email protected] [email protected] Date: 26.07.04 Page 11 of 12 Title: HT133 Name of Document: 00024-DB-1-2-D-HT133.pdf AVDD DVDD F SREF CLK PDM EOC SOC MR MB0 MB1 M0 M1 M2 OE DT AV D11 D10 D9 D8 D7 VR2 AOUT DVSS REXT D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 CEXTA VR CEXTB VRH C1 CM C2 VR1 AT2 AVSS AT1 Gesellschaft für Mikroelektronikanwendung Chemnitz mbH Zwickauer Straße 227 D-09116 Chemnitz, Germany Phone: Fax:: Internet: Email: +49 371 33 77 - 0 +49 371 33 77 272 www.gemac-chemnitz.de [email protected] [email protected] Date: 26.07.04 Page 12 of 12 Title: HT133 Name of Document: 00024-DB-1-2-D-HT133.pdf
