Auswerteschaltung für kapazitive Sensoren bleifrei

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
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Modification
Ersterstellung
Pinning MQFP44 Gehäuse
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Date: 26.07.04
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Status
aktuell
Hü
Hü
Revisor
Title:
HT133
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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
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Date: 26.07.04
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Title:
HT133
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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.
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Title:
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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Max
2,5
10
fF
fF
2x20
pF
550
kHz
sec
120
30
ms
pF
k
Title:
HT133
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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.
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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.
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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)
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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
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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
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