DE69500956T2

DE69500956T2 - Schaltungsanordnung zur Signalgewinnung bei einem kapazitiven Differenzsensor

Info

Publication number: DE69500956T2
Application number: DE69500956T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Okada
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1995-11-28
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2015-11-29
Also published as: EP0715153A1; US5633594A; EP0715153B1; JP2561040B2; DE69500956D1; JPH08145717A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kapazitives Sensorsystem zum Erfassen einer physikalischen Größe durch eine kleine Änderung der Kapazität.

Beschreibung des Stands der Technik

Ein kapazitiver Sensor erzeugt ein elektrisches Signal proportional zur durch Druck oder Beschleunigung verursachten Änderung der Kapazität.
Ein bekanntes System eines solchen kapazitiven Sensors umfaßt einen Sensorkondensator, einen Referenzkondensator und eine geschaltete Kondensatorschaltung, die mit dem Sensorkondensator und dem Referenzkondensator verbunden ist (siehe Y.E. Park et al., "A MOS SWITCHED-CAPACITOR READOUT AMPLIFIER FOR CAPACITIVE PRESSURE SENSORS", IEEE Custom Circuit Conf., 1983, S.380-384). Wenn in diesem bekannten System eine erste Treiberspannung an den Sensorkondensator angelegt wird, während eine Massespannung an den Referenzkondensator angelegt wird, ist die geschaltete Kondensatorschaltung inaktiv. Dann, wenn eine zweite Treiberspannung an den Referenzkondensator angelegt wird, während die Massespannung an den Sensorkondensator angelegt wird, ist die geschaltete Kondensatorschatung aktiv, um dabei eine Sensorspannung in Reaktion auf Druck oder Beschleunigung zu erzeugen, die dem Sensorkondensator zugeführt werden. Dies wird später noch im Detail erklärt.
Wenn im oben beschriebenen bekannten System jedoch die geschaltete Kondensatorschatung von einem inaktiven in einen aktiven Zustand übergeht, tritt eine in einem Rückkopplungs-Steuerungs-Schalttransistor der geschalteten Kondensatorschaltung gespeicherte Ladung an deren Ausgang als Offset- Spannung auf. Diese Offset-Spannung hängt auch von der Umgebungstemperatur ab, so daß auch eine Temperaturdrift erzeugt wird.
Aus DE-C-3915563 ist ein kapazitiver Sensor bekannt, der einen Sensorkondensator, einen Referenzkondensator und eine geschaltete Kondensatorschaltung aufweist zum Erzeugen eines Signals, das einem Kapazitätsunterschied zwischen dem Sensorkondensator und dem Referenzkondensator entspricht. Der Ausgang der geschalteten Kondensatorschatung ist mit einer Abtast- und Halteschaltung verbunden zum Abtasten und Halten einer Ausgabe der geschalteten Kondensatorschaltung.
Aus US-A-4814714 ist ein Verfahren und eine Einrichtung bekannt zum Durchführen einer Integration unter Verwendung einer Schaltung, die ein Eingangssignal über einen breiten linearen dynamischen Bereich integrieren kann. Das Eingangssignal wird mit einem Zweiphasensignal mit einer positiven und negativen Phase moduliert. Folge- und Halteschaltungen, die auf die positive und negative Phase des Zweiphasensignals reagieren, folgen und halten entsprechend jedes Intervall des integrierten Signals. Die subtrahierten Intervalle werden dann addiert von einer Abtast- und Halteschaltung in Verbindung mit einer Addierschaltung, um das integrierte Signal entsprechend der linearen Integration des Eingangssignals zu erzeugen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kapazitives Sensorsystem zu schaffen, wobei eine Beeinflussung durch Offset-Spannung und Temperatur-Drift ausgeschlossen ist.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren besondere Ausführungsformen der Erfindung.
In einem kapazitiven Sensorsystem werden ein erstes und zweites Treibersignal, deren Phasen entgegengesetzt verlaufen, an einen Sensorkondensator bzw. einen Referenzkondensator angelegt, die beide mit einer geschalteten Kondensatorschaltung verbunden sind. Ein Ausgangssignal des geschalteten Kondensators wird von zwei Abtast- und Halteschaltungen abgetastet und gehalten, die in unterschiedlichen Phasen des Treibersignals betrieben werden. Ein Differenzverstärker erzeugt ein Sensorsignal in Reaktion auf den Potentialunterschied zwischen den Ausgaben der Abtast- und Halteschaltungen.
Selbst wenn jede der Ausgaben der Abtast- und Halteschaltungen eine Offset-Spannung und eine Temperatur-Drift beinhaltet, so annullieren sich eine solche Offset-Spannung und eine solche Temperatur-Drift gegenseitig in der Ausgabe des Differenzverstärkers.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird deutlicher aus der nachstehenden Beschreibung im Vergleich mit dem Stand der Technik und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin sind:
Fig. 1 ein Schaltdiagramm, das ein bekanntes kapazitives Sensorsystem darstellt;
Figuren 2A, 2B, 2C und 2D Zeitablaufdiagramme, die die Arbeitsweise des in Fig. 1 gezeigten Systems zeigen;
Fig. 3 ein Schaltdiagramm, das eine erste Ausführungsform des kapazitiven Sensorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 4 ein Schaltdiagramm der in Fig. 3 gezeigten Treiberschaltung;
Figuren 5A bis 5N Zeitablaufdiagramme, die die Arbeitsweise der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Schaltungen zeigen; und
Figuren 6, 7 und 8 Schaltdiagramme, die eine zweite, dritte bzw. vierte Ausführungsform des kapazitiven Sensorsystems gemäß der vorliegen Erfindung darstellen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Vor der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird ein kapazitives Sensorsystem unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2A bis 2D beschrieben.
In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Taktsignal-Generatorschaltung, deren Ausgangssignal S1 über drei Inverter 2-1, 2-2 und 2-3 als Signal S2 an einen Sensorkondensator 3-1 und über die drei Inverter 2-1 bis 2-3 und einen Inverter 2-4 als Signal S3 an einen Referenzkondensator 3-2 angelegt wird. Eine Kapazität CS des Sensorkondensators 3-1 kann infolge einer Änderung des Drucks oder einer Änderung der Beschleunigung verändert werden, während eine Kapazität CR des Referenzkondensators 3-2 fest ist.
Der Sensorkondensator 3-1 und der Referenzkondensator 3-2 sind mit einer geschalteten Kondensatorschaltung 4 verbunden, die aus einem Differenzverstärker oder einem Rückkopplungsverstärker 41, einem Rückkopplungskondensator 42, dessen Kapazität CF beträgt, und einem Rückkopplungs-Steuerschalter (in diesem Fall einem N-Kanal MOS-Transistor) 43 gebildet ist. In diesem Fall weist ein Eingangsanschluß (-) des Rückkopplungsverstärkers 41 einen parasitären Kondensator 5 auf, dessen Kapazität CP beträgt.
Im kapazitiven Sensorsystem aus Fig. 1 wird eine Sensorspannung Vs generiert infolge einer Differenz in der Kapazität (CS - CR).
Die Arbeitsweise des Systems aus Fig. 1 wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 2A bis 2D erklärt.
Wie in Fig. 2A gezeigt wird, ist zum Zeitpunkt t&sub0; die Spannung des Signals 51 hoch (=VP), so daß der Rückkopplungs-Steuerschalter 43 eingeschaltet ist. Die geschaltete Kondensatorschaltung 4 ist daher inaktiv. Ebenfalls ist, wie in Fig. 2B gezeigt ist, die Spannung des Singals S2 gleich VP. Eine vom Sensorkondensator 3-1 an einem Knoten N&sub1; erzeugte Ladung QS ist daher:
Q S= -CS (VP - VR) (1)
wobei VR eine Referenzspannung ist, die an einen Eingangsanschluß (+) des Rückkopplungsverstärkers 41 angelegt wird. Des weiteren beträgt, wie in Fig. 2C gezeigt ist, die Spannung des Signals S3 0V. Eine vom Referenzkondensator 3-2 am Knoten N&sub1; erzeugte Ladung QR ist daher:
QR = CR VR (2)
Daher ist aus den Formeln (1) und (2) eine Gesamtadung Qt am Knoten N&sub1;:
Qt = CR VR - CS (VP - VR) (3)
Nachdem der Rückkopplungs-Steuerschalter 43 eingeschaltet ist, bleibt des weiteren die Sensorspannung VS bei VR, wie in Fig. 2D gezeigt ist.
Als nächstes wird zum Zeitpunkt t&sub1;, wie in Fig. 2A gezeigt ist, die Spannung des Signals S1 von VP auf 0V geändert, so daß der Rückkopplungs-Steuerschalter 43 ausgeschaltet wird. Daher ist der geschaltete Kondensator 4 aktiv.
Als nächstes werden zum Zeitpunkt t&sub2;, wie in den Figuren 2B und 2C gezeigt ist, die Spannungen der Singale S2 und S3 0V bzw. VP. Eine vom Sensorkondensator 3-1 an einem Knoten N&sub1; erzeugte Ladung QS' ist daher:
QS' = CS VR (4)
Des weiteren ist eine vom Referenzkondensator 3-2 am Knoten N&sub1; erzeugte Ladung QR':
QR' = -CR (VP - VR) (5)
Daher ist aus den Formeln (4) und (5) eine Gesamtadung Qt' am Knoten N&sub1;:
Qt' = CS VR - CR (VP - VR) (6)
Als ein Ergebnis aus den Formeln (3) und (6) wird, nachdem der Rückkopplungs-Steuerschalter 43 ausgeschaltet ist, die folgende Ladung Q0 im Rückkopplungskondensator 42 gespeichert:
Q0 = Qt - Qt' = - (CS - CR) VP (7)
Daher wird, wie in Fig. 2D gezeigt ist, die Sensorspannung VS dargestellt durch:
VS = -Q0/CF/CF =VP (CS - CR)/CF (8)
Danach werden die oben zu den Zeitpunkten t&sub0;, t&sub1; und t&sub2; beschriebenen Operationen zu den Zeitpunkten t&sub4;, t&sub5; und t&sub6; wiederholt.
Daher wird die Sensorspannung Vs des kapazitiven Sensorsystems aus Fig. 1 nicht von der parasitären Kapazität CP beeinflußt, die von der Umgebungstemperatur abhängt, um so eine kleine Änderung in der Kapazität zu erfassen.
Im kapazitiven Sensorsystem aus Fig. 1 wird jedoch jedes Mal, wenn die Spannung des Signals S1 vom hohen Pegel (= VP) zum niedrigen (0V) übergeht, was in Fig. 2A zu den Zeitpunkten t&sub1; und t&sub6; dargestellt wird, eine in der Gate- Elektrode des Rückkopplungs-Steuerschalters 43 gespeicherte Ladung Qd daraus ausgegeben. Als Ergebnis wird die Sensorspannung VS dann dargestellt durch:
VS = (VP (Cs - CR) + Qd)/CF (9)
Wie aus Formel (9) ersichtlich ist, tritt die aus der Gate-Elektrode des Rückkopplungs-Steuerschalters 43 ausgegebene Ladung Qd in der Sensorspannung VS als Oftset-Spannung auf. Diese Offset-Spannung hängt von der Gatespannung VP und der Source-Drain-Spannung ab. Diese Offset-Spannung hängt stark von der Umgebungstemperatur ab, und als Ergebnis wird eine Temperatur-Drift in der Sensorspannung VS erzeugt.
Des weiteren treten eine Offset-Spannung und eine Temperatur-Drift des Rückkopplungsverstärkers 41 in der Sensorspannung VS auf.
Es ist daher schwierig, die Offset-Spannung und die Temperatur-Drift vollständig aus der Sensorspannung VS zu entfernen.
In Fig. 3, in der ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, sind eine Treiberschaltung 6, zwei Abtast- und Halteschaltungen 7-1 und 7-2 und ein Differenzverstärker 8 zu den Elementen aus Fig. 1 hinzugefügt. In diesem Fall dient die Treiberschaltung 6 als Taktsignal-Generatorschaltung 1 und Inverter 2-1 bis 2-4, und daher erzeugt die Treiberschatung 6 die Signale S1, S2 und S3. Des weiteren erzeugt die Treiberschaltung 6 die Signale S4 und S5, um die Abtast- und Halteschaltungen 7-1 bzw. 7-2 abwechselnd zu betreiben.
Die Treiberschatung 6 wird als nächstes im Detail unter Bezugnahme auf Fig. 4 erklärt.
In Fig. 4 bezeichnet die Bezugsziffer 61 eine Taktsignal-Generatorschaltung zum Erzeugen eines Taktsignals, dessen Periodendauer T ist, und 62 bezeichnet einen Frequenzteiler zum Teilen des Taktsignals der Taktsignal-Generatorschaltung 61, um ein frequenzgeteiltes Signal zu erzeugen, dessen Periodendauer beispielsweise 16T ist. Des weiteren bezeichnet die Bezugsziffer 63 ein Schieberegister zum Empfangen des frequenzgeteilten Signals vom Frequenzteiler 62 und zum Erzeugen von verschobenen Signalen Q1, Q2, ..., Q8, wie in den Figuren 5A bis 5H gezeigt ist, das vom Taktsignal der Taktsignal-Generatorschaltung 61 getaktet ist.
Das Signal S3 wird erhalten über die Inverter 64 und 65 aus dem Signal Q8, und daher ist das Signal S3, wie in Fig. 5H gezeigt, ungefähr gleich dem Signal Q8.
Das Signal S2 wird erhalten über einen Inverter 66 aus dem Signal Q8, und daher verläuft das Signal S2, wie in Fig. 51 gezeigt, in der Phase entgegengesetzt zu Signal S3.
Des weiteren empfängt eine Exklusiv-ODER-Schaltung 67 die Signale Q4 und Q7, und als ein Ergebnis erzeugt die Exklusiv-ODER-Schaltung 67 das Signal S1 mit einer Periodendauer von 8T, wie in Fig. 5J gezeigt ist.
Darüber hinaus empfängt eine Exklusiv-ODER-Schaltung 68 die Signale Q1 und Q3, und als ein Ergebnis erzeugt die Exklusiv-ODER-Schaltung 68 ein Signal S0 mit einer Periodendauer von 8T, wie in Fig. 5K gezeigt ist. Das Signal S0 wird an einer UND-Schaltung 69 vom Signal Q8 ausgeblendet, so daß das Signal S4 mit einer Periodendauer von 16T erzeugt wird, wie in Fig. 5L gezeigt ist. Gleichzeitig wird das Signal S0 bei einer UND-Schaltung 70 von einem invertierten Signal des Signals Q8 ausgeblendet, so daß das Signal S5 mit einer Periodendauer 16T erzeugt wird, wie in Fig. 5M gezeigt ist. Das heißt, daß die Phasen der Signale S4 und S5 einander entgegengesetzt verlaufen.
Wie in den Figuren 5H, 5I und 5J gezeigt ist, geht das Signal S1 für eine bestimmte Zeitdauer auf einen hohen Pegel über (= VP), bevor das Signal S3 (bzw. das Signal S2) vom niedrigen (=0V) auf den hohen Pegel (= VP) (bzw. vom hohen auf den niedrigen Pegel) übergeht. Und wie in den Figuren 5H, 5I und 5L gezeigt ist, geht das Signal S4 für eine bestimmte Zeitdauer lang auf den hohen Pegel (= VP) über, nachdem das Signal S3 (bzw. das Signal S2) vom niedrigen Pegel (= 0V) auf den hohen Pegel (= VP) (bzw. vom hohen auf den niedrigen Pegel) übergegangen ist.
Ähnlich geht, wie in den Figuren 5H, 5I und 5J gezeigt ist, das Signal S1 für eine bestimmte Zeitdauer auf den hohen Pegel (= VP) über, bevor das Signal S3 (bzw. das Signal S2) vom hohen (= VP) auf den niedrigen Pegel (= 0V) (bzw. vom niedrigen auf den hohen Pegel) übergeht. Und wie in den Figuren 5H, 5I und 5 M gezeigt ist, geht das Signal 55 für eine bestimmte Zeitdauer auf den hohen Pegel (= VP) über, nachdem das Signal S3 (bzw. das Signal S2) vom hohen (= VP) auf den niedrigen Pegel (= 0V) (bzw. vom niedrigen auf den hohen Pegel) übergegangen ist.
Die Arbeitsweise des Systems aus Fig. 3 wird als nächstes unter Bezugnahme auf die Figuren 5H bis 5N erklärt.
Zum Zeitpunkt t&sub0; ist, wie in Fig. 5J gezeigt, die Spannung des Signals S1 auf dem hohen Pegel (= VP), so daß der Rückkopplungs-Steuerschalter 43 eingeschaltet ist. Die geschaltete Kondensatorschaltung 4 ist daher inaktiv. In diesem Fall ist die Sensorspannung Vs dargestellt durch:
VS = VR + Voffset (10)
wobei Voffset eine Offset-Spannung des Rückkopplungsverstärkers 41 ist.
Als nächstes geht zu einem Zeitpunkt t&sub1;, wie in Fig. 5J gezeigt ist, das Signal S1 vom hohen (= VP) auf den niedrigen Pegel (= 0V) über, wobei der Rückkopplungs-Steuerschalter 43 ausgeschaltet wird. Die geschaltete Kondensatorschaltung 4 ist daher aktiv. Zu diesem Zeitpunkt bleiben die Signale S2 und S3 unverändert, und eine Ladung Qd wird von der Gate-Elektrode des Rückkopplungs-Steuerschalters 43 ausgegeben. Als ein Ergebnis wird die Sensorspannung VS dargestellt durch:
VS = VR + Voffset + Vd (11)
wobei Vd gleich Qd/CF ist.
Als nächstes werden zum Zeitpunkt t&sub2;, wie in den Figuren 5I und 5H gezeigt ist, die Spannungen der Signale S2 und S3 0V bzw. VP. Daher wird die Ladung Q0, die in Formel (7) dargestellt ist, im Rückkopplungskondensator 42 gespeichert, und aus den Formeln (7) und (11) wird die Sensorspannung VS daher dargestellt durch:
VS =VP (CS - CR)/CF + VR + Voffset + Vd = VSH1 (12)
Als nächstes geht beim Zeitpunkt t&sub3;, wie in Fig. 5L gezeigt ist, das Signal S4 vom niedrigen auf den hohen Pegel über, und als Ergebnis tastet die Abtast- und Halteschaltung 7-1 die in Formel (12) dargestellte Spannung Vs ab und hält sie. Dann geht zum Zeitpunkt t&sub4;, wie in Fig. 5L gezeigt ist, das Signal S4 vom hohen auf den niedrigen Pegel über, so daß die Operation der Abtast- und Halteschaltung 7-1 gestoppt wird.
Zum Zeitpunkt t&sub5; ist das Signal S1, wie in Fig. 5J gezeigt ist, erneut auf hohem Pegel (= VP), so daß der Rückkopplungs-Steuerschalter 43 eingeschaltet ist. Die geschaltete Kondensatorschaltung 4 ist daher inaktiv. In diesem Fall ist die Sensorspannung VS dargestellt durch:
VS = VR + Voffset (13)
Als nächstes geht beim Zeitpunkt t&sub6;, wie in Fig. 5J gezeigt ist, die Spannung des Signals S1 vom hohen (= VP) auf den niedrigen Pegel (= 0V) über, so daß der Rückkopplungs-Steuerschalter 43 ausgeschaltet wird. Die geschaltete Kondensatorschaltung 4 ist daher aktiv. Zu diesem Zeitpunkt bleiben die Signale S2 und S3 unverändert, und eine Ladung Qd wird von der Gate-Elektrode des Rückkopplungs- Steuerschalters 43 ausgegeben. Als Ergebnis wird die Sensorspannung Vs dargestellt durch:
VS = VR + Voffset + Vd (14)
Als nächstes werden zum Zeitpunkt t&sub7;, wie in den Figuren 5I und 5H dargestellt ist, die Spannungen der Signale S2 und S3 VP bzw. 0V. Daher wird die Ladung Q0' im Rückkopplungskondensator 42 gespeichert wie folgt:
Q0' = -Q0 = (CS - CR) VP (15)
Die Sensorsteuerung VS wird daher aus den Formeln (15) und (11) dargestellt durch:
VS = -VP (CS - CR)/CF + VR + Voffset + Vd = VSH2 (16)
Als nächstes geht zum Zeitpunkt t&sub8;, wie in Fig. 5M gezeigt ist, das Signal S5 vom niedrigen auf den hohen Pegel über, und als Ergebnis tastet die Abtast- und Halteschaltung 7-2 die in der Formel (16) dargestellte Spannung VS ab und hält sie. Dann geht zum Zeitpunkt t&sub4;, wie in Fig. 5L gezeigt ist, das Signal S4 vom hohen auf den niedrigen Pegel über, so daß die Operation der Abtast- und Halteschaltung 7-1 gestoppt wird.
Andererseit wird im Differenzverstärker 8 eine Differenz zwischen den abgetasteten und gehaltenen Spannungen VSH1 und VSH2 der Abtast- und Halteschaltungen 7-1 und 7-2 berechnet. Das heißt, daß eine Sensorspannung VS' des Differenzverstärkers 8 dargestellt wird durch:
VS' = VSH1 - VSH2 = 2VP (CS - CR)/CF (17)
Daher hängt im kapazitiven Sensorsystem von Fig. 3 die Sensorspannung VS' nur von der Spannung VP der Treibersignale S1 und S2, der Kapazität CS des Sensorkondensators 3-1, der Kapazität CR des Referenzkondensators 3-2 und der Kapazität CF des Rückkopplungskondensators 42 ab, nicht jedoch von der Offset- Spannung Voffset des Rückkopplungsverstärkers 41 und der Offset-Spannung Vd der Ladung des Rückkopplungs-Steuerschalters 43.
In Fig. 6, in der eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, ist zwischen die geschaltete Kondensatorschaltung 4 und die Abtast- und Halteschatungen 7-1 und 7-2 ein Verstärker 9 geschaltet. Der Verstärker 9 verstärkt die Ausgangsspannung Vs der geschalteten Kondensatorschaltung 4 bezüglich der Referenzspannung VR. Auch in der zweiten Ausführungsform können die Offset-Spannung Voffset des Rückkopplungsverstärkers 41 und die Offset- Spannung Vd der Ladung des Rückkopplungs-Steuerschalters 43 entfernt werden.
In Fig. 7, in der eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, ist zwischen die geschaltete Kondensatorschaltung 4 und die Abtast- und Halteschaltungen 7-1 und 7-2 eine Hochpass-Schaltung 10 (HPF) geschaltet. Die Hochpass-Schaltung 10 leitet eine Hochfrequenzkomponente der Ausgangsspannung Vs der geschalteten Kondensatorschaltung 4 hindurch, um dadurch eine Niederfrequenzstlrung zu entfernen. Auch in der dritten Ausführungsform können die Offset-Spannung Voffset des Rückkopplungsverstärkers 41 und die Offset-Spannung Vd der Ladung des Rückkopplungs-Steuerschalters 43 entfernt werden.
Fig. 8, in der eine vierte Ausführungsform dargestellt ist, ist eine Kombination der zweiten mit der dritten Ausführungsform Auch in der vierten Ausführungsform können die Offset-Spannung Voffset des Rückkopplungsverstärkers 41 und die Offset-Spannung Vd der Ladung des Rückkopplungs-Steuerschalters 43 entfernt werden.
In der dritten und vierten Ausführungsform können eine Tiefpass-Schaltung oder eine Bandpass-Schaltung anstelle der Hoch pass-Schaltung 10 verwendet werden. In diesem Fall entfernt die Tiefpass-Schaltung eine Hochfrequenzstörung und die Bandpass-Schaltung entfernt einen Hochfrequenz- und eine Tieffrequenzstörung.
Auch können in den oben beschriebenen Ausführungsformen sowohl die Kapazität des Sensorkondensators als auch die Kapazität des Referenzkondensators entsprechend der Druck- oder Beschleunigungsänderung verändert werden.
Wie im Vorausgegangenen erklärt wurde, können gemäß der vorliegenden Erfindung die Offset-Spannung des Rückkopplungsverstärkers und die Offset- Spannung der Ladung des Rückkopplungs-Steuerschalters entfernt werden, und es kann daher ein zuverlässiges kapazitives Sensorsystem erhalten werden.

Claims

1. Kapazitives Sensorsystem mit:

einer ersten Einrichtung zum Erzeugen eines ersten Treibersignals (S2);

einer zweiten Einrichtung zum Erzeugen eines zweiten Treibersignals (S3), dessen Phase entgegengesetzt zur Phase des ersten Treibersignals verläuft;

einem Sensorkondensator (3-1), der mit der ersten Einrichtung verbunden ist, zum Empfangen des ersten Treibersignals;

einem Referenzkondensator (3-2), der mit der zweiten Einrichtung verbunden ist, zum Empfangen des zweiten Treibersignals;

einer geschalteten Kondensatorschaltung (4), die mit dem Sensorkondensator und dem Referenzkondensator verbunden ist, zum Erzeugen eines Signals, das einer Differenz in der Kapazität zwischen dem Sensorkondensator und dem Referenzkondensator entspricht;

einer ersten Abtast- und Halteschaltung (7-1), die mit der geschalteten Kondensatorschaltung verbunden ist, zum Abtasten und Halten eines Ausgangssignals der geschalteten Kondensatorschaltung in Reaktion auf ein erstes Signal (S4), wobei das Sensorsystem gekennzeichnet ist durch:

eine zweite Abtast- und Halteschaltung (7-2), die mit der geschalteten Kondensatorschaltung verbunden ist, zum Abtasten und Halten des Ausgangssignals der geschalteten Kondensatorschaltung in Reaktion auf ein zweites Signal (S5); und

einen Differenzverstärker (8), der mit der ersten und der zweiten Abtast- und Halteschaltung verbunden ist, zum Erzeugen eines Ausgangssignals in Reaktion auf eine Differenz zwischen den Ausgangssignalen der ersten und der zweiten Abtast- und Halteschaltung; wobei das erste und das zweite Signal (S4, S5) zum Abtasten und Halten der Ausgangssignale der geschalteten Kondensatorschaltung (4) in den Phasen unterschiedlich zu dem ersten und dem zweiten Treibersignal (S2, S3) sind.

2. System nach Anspruch 1, wobei die geschaltetete Kondensatorschaltung folgendes umfaßt:

einen Rückkopplungsverstärker (41) mit einem ersten Eingang, der mit dem Sensorkondensator und dem Referenzkondensator verbunden ist, einem zweiten Eingang zum Empfangen einer Referenzspannung, sowie einem Ausgang;

einen Rückkopplungskondensator (42), der zwischen den ersten Eingang und den Ausgang des Rückkopplungsverstärkers geschaltet ist; und

einen Rückkopplungs-Steuerschalter (43), der zwischen den ersten Eingang und den Ausgang des Rückkopplungsverstärkers geschaltet ist,

wobei der Rückkopplungs-Steuerschalter eine gewisse Zeitdauer eingeschaltet wird, nachdem eine Operation der ersten oder der zweiten Abtast- und Halteschaltungen beendet ist, vor einem Übergang des ersten und des zweiten Treibersignals.

3. System nach Anspruch 1, das des weiteren einen Verstärker (9) aufweist, der zwischen die geschaltete Kondensatorschatung und die erste und zweite Abtast- und Halteschaltung geschaltet ist, zum Verstärken eines Ausgangssignals der geschalteten Kondensatorschaltung.

4. System nach Anspruch 3, das des weiteren eine Schaltung (10) umfaßt, die zwischen den Verstärker und die erste und zweite Abtast- und Halteschaltung geschaltet ist, zum Entfernen einer Frequenzkomponente von einm Ausgangssignal des Verstärkers.

5. System nach Anspruch 4, wobei die Schaltung (10) mindestens eine der folgenden Schaltungen umfaßt: eine Hochpaß-Schaltung, eine Tiefpaß-Schaltung oder eine Bandpaß-Schaltung.

6. System nach Anspruch 1, das des weiteren eine Schaltung (10) umfaßt, die zwischen die geschaltete Kondensatorschaltung und die erste und zweite Abtast- und Halteschaltungen geschaltet ist, zum Entfernen einer Frequenzkomponente eines Ausgangssignals der geschalteten Kondensatorschaltung.

7. System NaOH Anspruch 6, wobei die Schaltung (10) mindestens eines der folgenden Filter umfaßt: ein Hochpaßfilter, ein Tiefpaßfilter oder ein Bandpaß filter.

8. Kapazitives Sensorsystem nach Anspruch 1, das des weiteren umfaßt: eine Treiberschaltung (6), die mit dem Sensorkondensator, dem Referenzkondensator, der geschalteten Kondensatorschaltung sowie der ersten und der zweiten Abtast- und Halteschaltung verbunden ist, zum Erzeugen eines ersten Treibersignals (S2) mit einer definierten Zeitdauer (16T) und zum Anlegen des ersten Treibersignals an den Sensorkondensator, zum Erzeugen eines zweiten Triebersignals (S3), das in der Phase dem ersten Treibersignal entgegengesetzt ist, und zum Anlegen des zweiten Treibersignals an den Referenzkondensator, zum Erzeugen eines Rücksetzsignals eine definierte Zeitdauer (3T) lang vor einem Übergang des ersten und des zweiten Treibersignals und zum Anlegen des Rücksetzsignals an die geschaltete Kondensatorschaltung, um dadurch die geschaltete Kondensatorschaltung zu deaktivieren, zum Erzeugen eines ersten Abtast- und Haltesignals eine definierte Zeitdauer (2T) lang nach einer Vorderflanke des ersten Treibersignals und vor der Erzeugung des Rücksetzsignals und zum Anlegen des ersten Abtast- und Haltesignals an die erste Abtast- und Halteschaltung, um dadurch die erste Abtast- und Halteschaltung zu aktivieren, und zum Erzeugen eines zweiten Abtast- und Haltesignals eine definierte Zeitdauer (2T) lang nach einer Vorderflanke des zweiten Treibersignals und vor der Erzeugung des Rücksetzsignals sowie zum Anlegen des zweiten Abtast- und Haltesignals an die zweite Abtast- und Halteschaltung, um dadurch die zweite Abtast- und Halteschaltung zu aktivieren.

9. System nach Anspruch 8, wobei die Treiberschaltung umfaßt:

einen Taktsignalgenerator (61) zum Erzeugen eines Taktsignals mit einer definierten Periode (T);

einen Frequenzteiler (62), der mit dem Taktsignalgenerator verbunden ist, zum Erzeugung eines frequenzgeteilten Signals mit einer definierten Periode

ein Schieberegister (63), das mit dem Taktsignalgenerator und dem Frequenzteiler verbunden ist, zum Verschieben des frequenzgeteilten Signals durch das Taktsignal, um eine Vielzahl von Signalen zu erzeugen; und

eine Logikschaltung (64-70), die mit dem Schieberegister verbunden ist, zum Erzeugen des ersten und des zweiten Treibersignals, des Rücksetzsignals und des ersten und des zweiten Abtast- und Haltesignals.

10. System nach Anspruch 8, wobei die geschaltete Kondensatorschaltung umfaßt:

einen Rückkopplungsverstärker (41) mit einem ersten Eingang, der mit dem Sensorkondensator und dem Referenzkondensator verbunden ist, einem zweiten Eingang zum Empfangen einer Referenzspannung sowie einem Ausgang;

wobei der Rückkopplungs-Steuerschalter durch das Rücksetzsignal eingeschaltet wird.

11. System nach Anspruch 8, das des weiteren einen Verstärker (9) umfaßt, der zwischen die geschaltete Kondensatorschaltung und die erste und die zweite Abtast- und Halteschaltung geschaltet ist, zum Verstärken eines Ausgangssignals der geschaltete Kondensatorschaltung.

12. System nach Anspruch 11, das des weiteren eine Schaltung (10) umfaßt, die zwischen den Verstärker und die erste und die zweite Abtast- und Halteschaltung geschaltet ist, zum Entfernen einer Frequenzkomponente von einem Ausgangssignal des Verstärkers.

13. System nach Anspruch 12, wobei die Schaltung (10) mindestens eine der folgenden Schaltungen umfaßt: eine Hochpaß-Schaltung, eine Tiefpaß Schaltung oder eine Bandpaß-Schaltung.

14. System nach Anspruch 8, die des weiteren eine Schaltung (10) umfaßt, die zwischen die geschaltete Kondensatorschaltung und die erste und die zweite Abtast- und Halteschaltung geschaltet ist, zum Entfernen einer Frequenzkomponente von einem Ausgangssignal der geschalteten Kondensatorschaltung.

15. System nach Anspruch 14, wobei die Schaltung (10) mindestens eine der folgenden Schaltungen umfaßt: eine Hochpaß-Schaltung, eine Tiefpaß- Schaltung oder eine Bandpaß-Schaltung.