A CMOS Switched-Capacitor Interface Circuit for MEMS Capacitive Sensors

MEMS 용량형 센서를 위한 CMOS 스위치드-커패시터 인터페이스 회로

This paper presents a CMOS switched-capacitor interface circuit for MEMS capacitive sensors. It consist of a capacitance to voltage converter(CVC), a second-order ${\Sigma}{\Delta}$ modulator, and a comparator. A bias circuit is also designed to supply constant bias voltages and currents. This circuit employes the correlated-double-sampling(CDS) and chopper-stabilization(CHS) techniques to reduce low-frequency noise and offset. The designed CVC has a sensitivity of 20.53mV/fF and linearity errors less than 0.036%. The duty cycle of the designed ${\Sigma}{\Delta}$ modulator output increases about 5% as the input voltage amplitude increases by 100mV. The designed interface circuit shows linearity errors less than 0.13%, and the current consumption is 0.73mA. The proposed circuit is designed in a 0.35um CMOS process with a supply voltage of 3.3V. The size of the designed chip including PADs is $1117um{\times}983um$.

본 논문에서는 MEMS 용량형 센서를 위한 CMOS 스위치드-커패시터 인터페이스 회로를 설계하였다. 설계된 회로는 커패시턴스-전압 변환기(CVC), 2차 스위치드 커패시터 ${\Sigma}{\Delta}$ 변조기 및 비교기로 구성되어있다. 또한 일정한 바이어스를 공급해주는 바이어스 회로를 추가하였다. 전체적인 회로의 저주파 잡음과 오프셋을 감소시키기 위하여 Correlated-Double-Sampling(CDS) 기법과 Chopper-Stabilization(CHS) 기법을 적용하였다. 설계 결과 CVC는 20.53mV/fF의 민감도와 0.036%의 비선형성특성을 보였으며, ${\Sigma}{\Delta}$ 변조기는 입력전압 진폭이 100mV가 증가할 때, 출력의 듀티 싸이클은 약 5%씩 증가하였다. 전체회로의 선형성 에러는 0.23% 이하이며, 전류소모는 0.73mA이다. 제안된 회로는 0.35um CMOS 공정을 이용하여 설계되었으며, 입력전압은 3.3V이다. 설계된 칩의 크기는 패드를 포함하여 $1117um{\times}983um$ 이다.