HT133. Auswerteschaltung für kapazitive Sensoren. bleifrei

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1 Auswerteschaltung für kapazitive Sensoren bleifrei History of revisions Date No. Modification Status Revisor Ersterstellung Hü Pinning MQFP44 Gehäuse aktuell Hü Date: Page 1 of 12

2 1 ALLGEMEINE BESCHREIBUNG MESS- UND SCHALTUNGSPRINZIP EIGENSCHAFTEN FUNKTIONSBESCHREIBUNG LADUNGSVERSTÄRKER MESSBEREICHE (ANSCHLUSSPADS MB0, MB1) A/D-UMSETZER DIGITALES ÜBERTRAGUNGSVERHALTEN ANALOGES ÜBERTRAGUNGSVERHALTEN INTERNER OSZILLATOR SENSOROFFSET POWER DOWN BETRIEB TRISTATE-AUSGÄNGE MITTELWERTBILDUNG OVERFLOW-INDIKATOR MASTER RESET KAPAZITÄTSMESSUNG (M0=0) OFFSETABGLEICH (M0=1) BETRIEBSBEDINGUNGEN ELEKTRISCHE KENNDATEN TYPISCHE BESCHALTUNG PADBESCHREIBUNG UND LAYOUT GEHÄUSETYPEN...10 Date: Page 2 of 12

3 1 Allgemeine Beschreibung Die Auswerteschaltung 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 besitzt einen internen Oszillator, der mit einem externen Widerstand abgeglichen werden kann. Die kürzeste Messzeit beträgt ca. 50sec. 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-Umsetzer- Ausgang wird nach dem Starten des Modes Offsetabgleich ausgemessen und abgespeichert. Bei allen nachfolgenden Messungen wird der Offset dann automatisch ausgeglichen. Date: Page 3 of 12

4 3 Eigenschaften 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 4 Funktionsbeschreibung 4.1 Ladungsverstärker Der Ladungsverstärker wertet die Kapazitätsdifferenz des Sensors (Kapazitäten C 1 und C 2 ) aus. Die Übertragungsfunktion lautet: V V V C V 2 C C R R1 1 R2 2 CA = + (1) 0 wenn Anschluss SREF=1 zwei Referenzspannungen V R1 und V R2 (siehe auch Punkt 7 Sensoroffset ). C 0 läßt sich aus der Messbereicheinstellung (C Meß ) errechnen: Im Messbereich 1 ergibt sich (C Meß = 0.32pF): C 0 = 5/2 C Meß (2) C 0 = 0.8pF. Die Referenzspannungen V R1 und V R2 dienen zum Abgleich des Sensor-Offset und werden extern eingespeist. Optional kann auch die Referenzspannung V R genutzt werden. In diesem Fall (SREF=0) gilt für die Spannung V CA : Diese Spannung wird auf den A/D-Wandler geschaltet. V CA 1 C1 C2 = VR ( + ) (3) 2 C 0 Date: Page 4 of 12

5 4.2 Messbereiche (Anschlusspads MB0, MB1) Die Schaltung besitzt zwei durch interne Kapazitäten definierte Messbereiche. Diese können durch Zuschalten eines externen Kondensators C ext zwischen den Anschlüssen CEXTA und CEXTB bis auf ±16pF erweitert werden (Tabelle). 4.3 A/D-Umsetzer Messbereich MB1 MB0 Nr. C Meß 1 ± 0,32pF ± 4,0pF ± 0,4 C ext ± (0,4 1 1 C ext +4,0pF 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: mit 0 D OUT VCA D OUT = (10 1) (4) 2 V R 4.4 Digitales Übertragungsverhalten Die Gesamtübertragungsfunktion der Schaltung ergibt sich aus den Gleichungen (3) und (4) bei SREF=0 zu: C C 4 C 1 2 D OUT = + (5) 0 wobei wiederum gilt 0 D OUT Übertragungsverhalten digital Date: Page 5 of 12

6 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 belastet werden. 4.6 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 V R1 und V R2 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 V R angelegt. V R1 und V R2 sollten in diesem Fall auf AVSS gelegt werden. Date: Page 6 of 12

7 4.8 Power Down Betrieb Bei PDM=1 wird die Schaltung in den aktiven Zustand überführt. Die Stromaufnahme geht auf den Minimalwert I PDM 10A 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 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 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 Date: Page 7 of 12

8 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 Der Offsetabgleich wird durch einen mindestens 2/f CLK dauernden H-Pegel an SOC gestartet. Nachdem der Ausgang EOC wieder H-Pegel annimmt, ist der Offsetabgleich beendet. 7 Betriebsbedingungen Betriebsdaten Betriebstemperatur Betriebsspannung Referenzspannung Eingang- High-Pegel Eingang- Low-Pegel Symbol Min. Typ. Max. Einh eit T B C V DD 4,5 5 5,5 V V R 3 5 V DD+0,2 V V IH V DD- V 1,5 V IL 1,5 V 8 Elektrische Kenndaten Beschreibung Symbol Min Typisch Max Einheit Betriebsstrom I DD 1 1,5 2,5 ma Stromaufnahme im Power-Down- I PDM 2 10 A Betrieb Ausgangsstrom I DI 2,5 ma Maximale Kapazitätsdifferenz C MAX1 ± 0,32 pf Messbereich 1 Maximale Kapazitätsdifferenz C MAX2 ± 4,0 pf Messbereich 2 Maximale Kapazitätsdifferenz C MAX3 1 ± 0,4 C ext Messbereich 3 Maximale Kapazitätsdifferenz C MAX4 ± (0,4 C ext + 4,0pF) Messbereich 4 Auflösung im Messbereich 1 C MIN1 0,156 ff Auflösung im Messbereich 2 C MIN2 1,95 ff Auflösung im Messbereich 3 C MIN3 C ext /5120 Auflösung im Messbereich 4 C MIN4 C ext / pF/512 Sensorgrundkapazität C SGK 2x15 2x20 pf Umsetzrate f A f CLK /25 (bei SOC=EOC) Taktfrequenz f CLK khz Startimpulsdauer t SOC 2/ f CLK sec Umsetzzeit für Kapazitätsmessung mit Mittelwertbildung ohne Mittelwertbildung t KAP 25/ f CLK 400/ f CLK Einschwingzeit nach power on² t ON ms Treiberfähigkeit (Analogausgang) C AOUT R AOUT pf k 1 0,8 pf C ext 40 pf 2 mit 1F an VRH Date: Page 8 of 12

9 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. Date: Page 9 of 12

10 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. Date: Page 10 of 12

11 Pad- Nr. Pad- Name Koordinaten (x/y) in m bezogen auf Chipmitte Beschreibung Bemerkung 1 CEXTA ( / 1052) Anschluss A Messbereichskondensator 2 VR ( / 842) externe Referenzspannung 3 CEXTB ( / 631) Anschluss B Messbereichkondensator 4 VRH ( / 421) intern erzeugte Referenzspannung (=VR/2) 5 C1 ( / 210) Anschluss B Sensorkapazität C1 6 CM ( / -2) Anschluss A Sensorkapazität C1 und C2 7 C2 ( / -213) Anschluss B Sensorkapazität C2 8 VR1 ( / -423) externe Referenz für C1 9 AT2 ( / -635) Analogtest nicht beschalten! 10 AVSS ( / -845) negative Analogversorgung 11 AT1 ( / -1055) Analogtest nicht beschalten! 12 VR2 ( / -1536) externe Referenz für C2 13 AOUT ( / -1536) Analogausgang 14 DVSS ( -930 / -1536) negative Digitalversorgung 15 REXT ( -720 / -1536) Oszillatorwiderstand gegen DVDD schalten 16 D0 ( 31 / -1536) Digitalausgang Bit 0 LSB 17 D1 ( 245 / -1536) Digitalausgang Bit 1 18 D2 ( 496 / -1536) Digitalausgang Bit 2 19 D3 ( 710 / -1536) Digitalausgang Bit 3 20 D4 ( 961 / -1536) Digitalausgang Bit 4 21 D5 ( 1175 / -1536) Digitalausgang Bit 5 22 D6 ( 1425 / -1536) Digitalausgang Bit 6 23 D7 ( 1685 / -1261) Digitalausgang Bit 7 24 D8 ( 1685 / -1047) Digitalausgang Bit 8 25 D9 ( 1685 / -796) Digitalausgang Bit 9 26 D10 ( 1685 / -582) Digitalausgang Bit D11 ( 1685 / -331) Digitalausgang Bit 11 MSB 28 AV ( 1685 / -52) Mittelwertbildung 29 DT ( 1685 / 158) Digitaltest nicht beschalten! 30 OE ( 1685 / 407) Output Enable 31 M2 ( 1685 / 850) Modeauswahl 32 M1 ( 1685 / 1090) Modeauswahl 33 M0 ( 1685 / 1330) Modeauswahl 34 MB1 ( 1472 / 1535) Messbereichswahl 35 MB0 ( 1247 / 1535) Messbereichswahl 36 MR ( 1022 / 1535) Master Reset 37 SOC ( 797 / 1535) Start Signal 38 EOC ( 530 / 1535) End of Conversion 39 PDM ( -4 / 1535) Power Down Mode 40 CLK ( -282 / 1535) intern erzeugter Takt 41 SREF ( -493 / 1535) Auswahl externer Referenzspannungen 42 F ( -786 / 1535) Testport an DVSS legen! 43 DVDD ( / 1535) positive Digitalversorgung 44 AVDD ( / 1535) positive Analogversorgung Date: Page 11 of 12

12 CEXTA VR CEXTB VRH C1 CM C2 VR1 AT2 AVSS AT1 M0 M1 M2 OE DT AV D11 D10 D9 D8 D7 VR2 AOUT DVSS REXT D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 AVDD DVDD F SREF CLK PDM EOC SOC MR MB0 MB1 Date: Page 12 of 12