[发明专利]一种基于仪器放大器的差动电容检测电路及检测方法

说明书

技术领域：本发明涉及传感器仪表及电子测量装置的电容测量电路，尤其指一种输出信号与电容变化量成正比的电容检测电路及其检测方法。

背景技术：不同的原理和检测对象在结构上经常可以设计成差动的结构。差动的结构在提高传感器灵敏度，减少或消除非线性误差和抗干扰等方面都存在优势，已得到工程应用认可。但对于其检测电路，应用者一直在探讨更好的形式。

本发明提及的仪器放大器，十几年前还是分立件，由多个运算放大器和多个电阻等组成，优点主要有：低失调，高输入阻抗和高共模抑制等，在仪器仪表及工业过程控制领域中得到了广泛的应用。近些年随着集成电路的发展，仪器放大完成了单片集成，由于激光调阻等工艺的应用，使得其性能指标大为提高，应用电路也变得简单。

差动电容传感器检测电路，目的是为了检测两个电容或者是形成电容的相关联的参数，在工业仪表中应用，常见原理上基于Wheatstone电桥的电路：将两个电容的差的变化被转换成的电压信号输出。形式上直接应用的较多，单极性信号源激励，差分放大器检测；变化形式应用，双极性信号源激励，单端放大器检测，典型的原理分析：如1997年IEEE出版社出版的Larry K.Baxter编写的《Capacitive Sensors：Design and Applications》一书中所描述，如图1，检测电路的输出

E0=VC1-C2Cf---(1)]]>

式中，V——电源电压；

      C_f——反馈电容。

在原理上相近的专利有很多，发明者认为较有代表性的小结如下：

1980年Hitt等在美国专利4,193,063中给出差动电容传感器检测电路：Wheatstone电桥电路直接应用，单端交流激励源，传感器两个差分电容器的公共端接地，电桥输出由一个差分放大器电路整合。电路优点：检测电路具有较好共模抑制能力。

1981年Ko等在美国专利4,287,471中给出差动电容传感器检测电路：电路激励源部分由数字电路构成的振荡器组成，激励源信号经驱动后激励差分电容(传感器)，然后通过一个二极管电桥和差分放大器电路来检测电容的变化，传感器两个差分电容器的公共端接地。该电路优点：激励信号是脉冲信号易于获得，检测电路具有较好共模抑制能力。

1988及1990年Haritonidis等在PCT专利WO88/05166及美国专利4,896,098中给出差动电容传感器检测电路：交流信号源直接激励传感器差动电容器的公共极板，传感器的差动电容器与固定电容的组合电容的充放电过程由场效应晶体管耦合至差分放大器电路放大。该电路优点：结构比较简单，具有共模抑制能力。

1989年黄松明在专利CN1031428A中给出了一种差动电容的测量电路，电路采用了若干个CMOS开关和被测电容，参考电容一起组成了一个充放电桥，用一个电荷放大器测量两个电容的放电电流的幅值之差。优点：电路结构简单。同时在技术背景分析中指出：简单充电法具有电路简单的优点，但大都对杂散电容的影响比较敏感。

2002年Reddi在美国专利6,366,099,B1中给出差动电容传感器检测电路：激励源采用正负对称两路脉冲电压源，传感器两个差分电容器的公共端接地，电桥输出由一个单端放大器整合，电容变化的电荷差值转换成电压信号输出。文档中还给出了几款实施例。优点：结构较简单。