CAV424_2014rev3.0_CN

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稚耸衡
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1 基本功能特点电容式信号转换成可调的电压输出信号电压输出信号, 带有内置的温度传感器典型应用 CA424 是一个电容电压转换集成电路它用来测量一个电容传感器的电容和一个参考电容器的电容差值并把它转换成差分的直流电压信号 CA424 可以作为微处理器 ( 单片机 ) 的前级模拟信号处理也可以直接用于电容信号的处理电路湿度传感器测量物 ( 液 ) 位测量电容式压力传感器测量物体位置监测材料检测通讯地址 : 上海信箱邮编 : 电话 / 传真 : / 网址 : / E Mail:zzhiyun@126.com August 2014 ev. 3.0

2 目录特点 3 简介 3 电路方框图 3 电路参数 4 1. 电路参数 4 2. 电路参数极限值 5 测量原理 6 工作原理介绍 7 1. 振荡器 7 2. 测量和参考积分器 7 3. 信号处理 ( 低通滤波器和输出级 ) 8 应用举例 9 1. 传递函数 9 3. 电路参数的确定校准过程应用介绍 11 封装和管脚 13 封装外型 13 参考文献 13 August 2014 ev. 3.0 页数 2/13

3 特点宽的电容检测范围 :5 pf 至 40 nf 单一电容传感器或差分电容传感器的测量高的检测灵敏度比例电压输出输出放大级电压可调高的频响内置温度传感器工作电压 :5 ± 5% 宽的工作温度范围 : 40 C C 校准简单 (Excel 软件 ) 提供 SO16 贴片或裸片符合欧盟 ohs 指令简介 CA424 是一个电容信号转换电压输出的集成电路可以测量单一电容传感器或差分电容传感器的电容转换成差分电压信号输出输出电压与测量电容的关系是倒数关系输出电压是与电源电压成比例输出关系 CA424 是模拟电路, 所以有较高的频响测量的精度仅仅由信噪比决定 CA424 是一个完整的电容信号转换电压信号的集成电路只需要外接一些电阻调准输出电压的放大和零点偏置 CA424 可以作为微处理器 ( 单片机 ) 的前级模拟信号处理, 通过单片机进行数字校准 ; 也可以直接用于电容信号的处理电路一个 Excel- 软件可使电路系统的校准更加简单电路方框图图 1 : CA424 电路方框图 August 2014 ev. 3.0 页数 3/13

4 电路参数 1. 电路参数 T amb = 25 C, CC = 5, I = 20µA, I C = I CM = 2.5µA ( 除非另外注明 ) 参数符号条件最小值典型值最大值单位系统工作温度范围 T amb C 工作电压范围 CC 静态电流 I CC T amb = 25 C, G = ma 1), 2) 测量电容 2) 参考电容 3) 输出电压 T amb = C, I C = I CM = 25 µa 1.7 C M pf C pf OUT 差分电压输出 DIFF DIFF = OUT - EF 温度特性 OUT 4) 5) 最大电容信号输入频率 6) 最小响应时间振荡器 2) 振荡器电容范围 TC OUT d OUT/(dT T amb = C ±200 ppm/ C f f = 230 khz, C F1 = C F2 = 2 nf 3.5 khz t f = 230 khz, C F1 = C F2 = 2 nf 0.4 ms C pf 振荡器频率范围 f f = EF / (2 C ) khz 振荡器电压振幅振荡器电流电阻 kω 振荡器充电电流 I I = EF / µa 充电电流范围 = 125kΩ µa 参考积分器 (C ) 最小积分电压 Pin 最大积分电压 Pin 积分器电流电阻 C kω 积分器充电电流 I C I C = EF / C 2 25 µa 充电电流范围 I C = 1000kΩ µa 测量积分器 (C M) 最小积分电压 Pin 最大积分电压 Pin 积分器电流电阻 CM kω 积分器充电电流 I CM I CM = EF / CM 2 25 µa 充电电流范围 I CM = 1000 kω µa 低通滤波器内置电阻 1 和 2 01, kω 7) 低通滤波器电容 C F1, C F nf 角频率 f C 01 = 02 = 20kΩ, C F1 = C F2 = 2 nf 4 khz 低通滤波器电压输入 LP,in 失调电压 LP,ofs 管脚 15 到 13 之间, LP,in = EF -2 2 m 输出级可调增益 G 1 输出电流 I OUT Source, Sink 8) µa August 2014 ev. 3.0 页数 4/13

5 电阻负载在管脚 OUT L 40 kω 电容负载在管脚 OUT C L 100 pf 输入失调电压 OFS L = 100 MΩ -2 2 m 参考电压 EF 参考电压 EF EF = CC / 温度系数 TC EF d EF /(dt EF), T amb = C ±50 ppm/ C 电流 I EF Source, Sink 8) µa 负载电容 C EF nf 温度传感器 TEMP 输出电压 TEMP TEMP 50 MΩ 灵敏度 S S = d TEMP / dt, TEMP 50 MΩ 8 m/ C 负载电阻 TEMP 10 MΩ 非线性 NL TEMP TEMP 50 MΩ, end point meth. 0.5 % 表 1:CA424 电路参数注意 : 1) 如果要与理想状态的传递公式 (8) 和 (11) 的结果一致 (< 1%), 建议最大测量电容值 C M,max 与最小测量电容值 C M,min 之比小于 10 2) 电气参数都不含集成电路上的寄生电容 ( 典型 5 pf, 在管脚 12,14,16) 3) 输出电压最大值 OUT 大约是 0.8 CC 4) 温度系数通过满度值 Span = OUT(C M,max) - OUT(C M,min) 归一化 5) 最大电容信号输入频率 f SIG,max 是指测量电容的变化速率在低通滤波器滤波至输出级的电压下降 6 db 的时候 6) 响应时间是指输出电压在 100% 的变化中达到最终值的 99.99% 的时间 7) 低通滤波器电容 C F1 和 C F2 的选取是根据输出电压的纹波系数为 1 时较小的滤波电容会导致较大的纹波系数 8) 流入集成电路的电流均为负 2. 电路参数极限值参数符号条件最小值典型值最大值最大电源电压 CCmax 6 最大振荡器充电电流 I max 50 µa 最大测量电容积分器充电电流 I CMmax 25 µa 最大参考电容积分器充电电流 I Cmax 25 µa 储存温度 T Store C ESD 保护 ESD HBM 2 k 表 2: 电路参数极限值注意 : 1) 在管脚 12,14,16 处没有 ESD 保护单位 August 2014 ev. 3.0 页数 5/13

6 测量原理 CA424 的测量原理可以参考图 2, 图中描述了各个功能模块, 信号处理以及基本外接元器件的情况 CA424 具有 7 个功能模块 : 振荡器, 测量积分器, 参考积分器, 低通滤波器, 输出级, 温度传感器, 电源部分电源模块给它模块供电同时给出一个 2.5 的参考电压温度传感器产生一个与集成电路附近的温度相近的电压信号, 它与温度成正比为了将测量电容 C M 转换成直流电压信号,CA424 采用了差分测量原理利用二个构造对称的积分器来检测测量电容 C M 和参考电容 C 的关系二个电容 C M 和 C 通过同步的常数电流进行充放电, 充放电电流可以通过 CM 和 C 来调准充放电过程的时间常数由振荡器的频率决定振荡器频率由 C 和调准二个积分器同时产生锯齿波电压, 它们的振幅与 1/C M 和 1/C 是成正比的通过低通滤波器滤波, 二个锯齿波电压的差值转换为直流电压信号在管脚 5 处的输出电压 OUT 是与电源电压成比例变化并且与 1/C M 成线性函数关系输出电压 OUT 可以直接对地 GND 输出单端对地信号也可以对管脚 6 输出差分信号 DIFF = OUT EF 通过应用电路图 6 的 , 输出电压的零点和满度可以调准图 2: CA424 的工作原理和外部基本电路 August 2014 ev. 3.0 页数 6/13

7 工作原理介绍 1. 振荡器振荡器对外接的振荡器电容 C 充电, 然后放电, 周而复始见图 3 振荡器电流 I 由外接电阻和参考电压 EF 来确定 : EF I = (1) 振荡器电容 C 从开始的低谷电压,LOW 通过电流 I 充电达到峰值电压,HIGH, 然后开始放电, 电压又下降到低谷电压,LOW 图 3: 振荡器的电压输出这样在电容 C 上产生的三角波的频率为 f : I 2.5 f = = (2) 其中 = 2,1 和 EF = 2,5 (@ CC = 5 ). 2. 测量和参考积分器测量和参考积分器是测量过程中的重要部分通过二个积分器电路, 电容被转换成电压信号二个积分器被同样的振荡器信号触发同时对连接的电容进行恒流充电放电在半个周期内, 用电流 I CM 对测量电容 C M 和用电流 I C 对参考电容 C 进行充电 ( 图 4) 电流 I CM 和 I C 有下式给出 : EF I = 和 CM CM EF I = (3) C C CM 和 C 是测量积分器的充电电流可调电阻和参考积分器的充电电流可调电阻电容 C M 和 C 充电达到最大值 CM 和 C, 它们可由下式计算得出 : I = 2 f CM + CM M CLAMP 和 = I 2 CLAMP f (4) C + C 其中 CLAMP = 1,2, 二个积分器的放电电压被钳制在一个内置的固定电压 CLAMP = 1,2 上 August 2014 ev. 3.0 页数 7/13

8 在 1/2T 到 3/4T 周期中,C M 和 C 的放电电流是充电时的二倍 (2 I CM 和 2 I C ), 一直到 CLAMP 然后再最后的 1/4T 周期中电压保持在 CLAMP 然后重复相同的过程图 4: 二个积分器的电压输出 3. 信号处理 ( 低通滤波器和输出级 ) 将二个积分器的信号 CM 和 C 相减产生一个单一的电压信号并且加上一个参考电压 EF, 在低通滤波器输入端前的最大电压信号是 : max 1 1 EF = ( ) + = + LP in C CM EF EF f C C (5), 2 C CM M 这个电压通过二个运算放大器组成的二级 C- 低通滤波器积分和取平均值低通滤波器的电阻 01 = 02 = 20 kω 是集成在集成电路里的, 滤波电容 C F1 和 C F2 是外接电子元件, 它决定了角频率 f C : f C 1 = 2π 20kΩ Filter 其中 C Filter = C F1 或者 C F2. (6) 通常滤波电容选择是 :C F1 = C F2, f C = 10 f 此时的纹波系数是小于输出信号的 1 经过滤波后的直流电压信号由下式给出 : DC = + LP 8 8 C C C CM M ( ) + = C CM EF EF 根据图 2 电路的信号转换, 在输出端的直流电压即在管脚 5 的输出电压 OUT 由公式 (8) 给出如果应用图 6 的电路, 那么直流电压信号可以放大和零点调准在管脚 5 处的输出信号 OUT 由公式 (11) 给出 (7) August 2014 ev. 3.0 页数 8/13

9 应用举例 1. 传递函数如果应用图 2 的电路, 管脚 5 上的输出电压 OUT 对地 GND 是 : ( C ) = C OUT M + EF C C (8) 8 C CM M 其中 C M = 变化的测量电容 C = 振荡器电容 C = 参考积分器电流调准电阻 = 振荡器电压振幅 ( 固定值 = CC = 5 ) EF = 参考电压 ( EF = CC = 5 ) C = 参考电容 CM = 测量积分器电流调准电阻 = 振荡器电流调准电阻从公式 (8) 看出, 输出电压与测量电容的倒数 1/C M 是线性关系下面的二个关系式子的应用可以使 CA424 的计算公式简化便于调准 1 : CM C C = CM 和 C 0.55 M,min M, min 这里 C M,min 是测量电容的最小值 = (9) C M 通过上面式子 (9) 的代入, 式子 (8) 变成 : C OUT M =, min ( ) EF C. (10) M 这时 OUT 只同 C M,min 和 C M 有关了公式 (10) 通过图 5 来表示, 测量电容的范围是 C M = C M,max C M,min, 这里 C M,max 是测量电容的最大值当 C M = C M,min 时, 由公式 (10) 得出, 输出电压 OUT (C M,min ) = EF 图 5: 输出电压信号 OUT 与测量电容 C M 的关系 1 外接元器件的选择和测量电路的优化可以采用 AMG 公司开发的校准软件 Excel-Sheet Kali_CA424 ( 见参考文献 ) August 2014 ev. 3.0 页数 9/13

10 2. 零点和满度的调准为了输出电压信号的零点和满度可调, 增加了一个电阻网络 ( 见图 6) 表 3: 外接元器件的参数确定 ( 在 I CM = I C = 2.5 µa, I = 20 µa, C M,max < 1 nf, C = C M,min ) 图 6: 零点和满度可调的 CA424 电路对于电容传感器测量系统图 6 来说, 管脚 5 对地 GND 的输出电压 OUT 由下式给出 : OUT 3 = G 8 C 1 CM 1 M + B EF (11) 其中 G = 1+ + 和 B = 1+. (12) 其中 2, 4 和 5 是固定电阻 1 是放大系数 ( 满度 ) 可调电阻 3 是零点输出可调电阻从公式 (11) 和 (12) 可以看出, 输出电压 OUT 完全与测量电容的倒数 1/C M 成线性关系将公式 (9) 代入个 (11) 得出一个简单的传递函数表达式 : C C M C G B OUT M =, min ( ) (13) EF M 这里输出电压 OUT 只与测量的最小值 C M,min 和测量电容值 C M 有关 3. 电路参数的确定 August 2014 ev. 3.0 页数 10/13

11 对电路图图 6 的使用外接元器件的选择由下面的表中给出 ( 当测量电容最大值 C M,max < 1 nf) 对于其它的测量电容范围或参考电容 C 已经安装存在的情况下, 需要借助于校准软件 Excel-Sheets Kali_CA424 来确定参数注意 : 1) 低通滤波器电容 C F1 和 C F2 的最佳取值依赖振荡器的频率所给出的低通滤波器电容值是用来检测测量电容最小值范围 C M,min 在 5 pf 至 1000 pf, 当然这样会导致较慢的响应时间 2) 校准开始时先采用二个固定电阻 1 = 3 = 100 kω, 测出在最小电容 C M,min 和最大电容 C M,max 时的输出电压通过校准软件 Excel-Sheet Kali_CA424 计算得出的新的电阻 1 和 3, 安装到电路板上就行了 3) 参考电压电容 C EF 要品质好的瓷片电容 4) 所应用的外接元器件希望要较小的温度系数 ( 100 ppm) 电阻 CM, C, 和电容 C EF 可以有 5% 左右的偏差此外其它的一些电阻按照表 3 中给出的偏差要求选择 4. 校准过程在设计电容传感器系统时要注意, 除了探头电容外还有寄生电容, 它会影响输出信号和校准精度为了简化校准过程, 消除寄生电容的影响,AMG 公司根据图 6 开发了一个校准软件 Excel-Sheet Kali_CA424 供大家免费下载和使用 () 应用校准软件有二个进程一个是外接元器件选择, 另一个是调准过程首先根据传感器的测量电容情况用 Excel-Sheet Kali_CA424 计算出外接元器件的数值然后用计算出的外接元器件和 CA424/444 电路组成一个相应的传感器测量系统每个传感器测量系统都需要通过电阻 1 和 3 进行零点和满度的校准这里首先需要测量在电容最小值 C M,min 和最大值 C M,max 时的输出电压, 根据所测量的电压值代入校准软件 Excel-Sheet Kali_CA424, 就可以计算出最终的 1 和 3. 电阻值在调准 1 和 3 至所计算出的数值后, 所有的传感器系统偏差包括寄生电容等等都得到了校准整个传感器系统就校准完成了 5. 应用介绍如果电容探头是独立的单一的电容, 那么它就连接在管脚 14(CM) 上, 此时在管脚 16(C) 上就要连接一个参考电容, 通常该电容取值是测量电容的最小值作为参考电容值 C = C M,min 如果电容探头带有一个集成的参考电容, 可以采用差分的测量方法, 此时管脚 14(CM) 连接测量电容, 管脚 16(C) 连接参考电容以上二种情况在校准软件 Excel-Sheet Kali_CA424 中都有自己的计算方法为了产品生产上一致性, 在校准软件 Excel-Sheet Kali_CA424 计算中尽量代入传感器电容中可能的最小值 C M,min 和可能的最大值 C M,max 如果参考电容是集成在探头里的, 那么代入校准软件校准软件 Excel-Sheet Kali_CA424 中的参考电容值 C 应该是它最小时的值根据校准软件 Excel-Sheet Kali_CA424 计算出来的电阻电容值, 通常需要串联和并联来获得电阻可以用一大一小串联, 最多在小的电阻上再并联一个大电阻, 以获得比较准确的阻值电容基本上不需要并联, 它是可以有一点偏差最多并联一个 NPO 低温漂的瓷片电容就可以了 ( 见电路参数的确定 ) August 2014 ev. 3.0 页数 11/13 符号最小值典型值最大值参考电容 (NPO 电容 ) C C M,min pf 振荡器电容 (NPO 电容 ) C 4.4*C M,min pf 测量积分器电流电阻 CM 1000 kω 参考积分器电流电阻 C 1000 kω 振荡器电流电阻 125 kω 1) 低通滤波器电容 C F1, C F2 500 nf 输出级电阻 (1%) 2, 4, kω 满度调准电阻 (0.1%) 2) 1(start) 100 kω 零点调准电阻 (0.1%) 2) 3(start) 100 kω 参考电压电容 ( EF = 2.5) 3) C EF nf 单位

12 如果采用 PCB 电路板, 外接元器件到集成电路的引线要尽可能的短, 保证寄生电容尽可能的小另外对 C M 和 C 的引线要尽可能的对称寄生电容会增加测量电容, 参考电容和振荡器电容, 直接影响到测量电容的测量所以要保持寄生电容尽可能的小和稳定如果使用可弯曲的导线或电路板, 那么对 C M 和 C 应该采用尽可能短的屏蔽的导线在小电容测量的时候, 就要注意集成电路内部的寄生电容影响典型的情况是, 如果应用封装 SO-16 的集成电路, 大概有 5 pf 的寄生电容叠加在管脚 12, 14 和 16 上 CA424 的差分测量方法可以减少电磁的干扰这时可以使 C M 和 C 尽可能靠近, 导线尽可能对称在实际应用中, 传感器系统的温度系数 (TC) 通常受到 C M, C 和 C 以及外接元器件比如电阻的温度系数 TC 的影响要达到最佳的温度特性, 振荡电容 C 应该采用 NPO 电容 ( 温度系数小 ), 测量电容 C M 和参考电容 C 的温度系数尽可能相同通常在使用和调试 CA424 电路时要采用防静电措施, 比如设备和人员的接地注意不可以超过 CA424 集成电路的电气参数极限值 ( 见表 2) 注意 : 1. 如果要用示波器去测试管脚 12,14,16 处的电压, 由于测试棒会有一个附加的电容叠加上去, 会对信号直接产生影响如果要测量频率和差分信号的振幅, 可以暂时将滤波电容 C F1 去掉, 然后测量管脚 15 处的信号情况 2. 在液位仪的应用中, 如果测量的液体是导电的, 那么测量电极与导电液体必须要相互绝缘 August 2014 ev. 3.0 页数 12/13

13 封装和管脚 CA424 封装贴片 SO16(n), 封装尺寸见 /products/analogmicro.de.en.package.pdf 管脚名称 1 C 参考振荡器的电流设定 2 C 参考积分器的电流调整 3 CM 测量积分器的电流调整 4 GAIN 增益调整 5 OUT 电压输出级 6 EF 参考电压源 TEMP 温度传感器 8 N.C. 空 9 N.C. 空 10 GND IC 接地 11 CC 电源电压 12 C 振荡器的电容 13 CF2 低通滤波器 2 级的电容 14 CM 测量电容 15 CF1 低通滤波器 1 级的电容 16 C 参考电容 CA424 可以提供不同规格的封装外型 : 16 脚的 SMD 塑封贴片 SO16(n) 管芯片在 5 英寸的绷膜上 ( 已切割 ) 简介图 7: 管脚示意图 CA424 SO16 封装外型参考文献 1. 校准软件 Excel-Sheet Kali_CA424.xls ( 2. 应用文章 ( 3. 封装尺寸 ( 4. CA424 裸片尺寸和管脚 ( 询问 ) 表 4: CA424 管脚名称以上资料仅供参考 August 2014 ev. 3.0 页数 13/13

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