QT301電容至模擬轉(zhuǎn)換器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電容檢測技術(shù)在眾多應(yīng)用場景中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。今天要介紹的QT301電容至模擬轉(zhuǎn)換器（CAC），憑借其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用范圍，成為電子工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。

文件下載：QT301-D.pdf

一、QT301概述

QT301是一款數(shù)字突發(fā)模式電荷轉(zhuǎn)移（QT）電容至模擬轉(zhuǎn)換器，具備PWM輸出，分辨率為8位。它專為液位傳感和距離測量等應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其獨(dú)特的內(nèi)部EEPROM可存儲(chǔ)兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，為精確測量提供了基礎(chǔ)。

1.1 基本操作

• 信號(hào)采集與PWM計(jì)算：傳感器從電極獲取信號(hào)，依據(jù)兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算PWM結(jié)果?？赏ㄟ^兩個(gè)校準(zhǔn)輸入進(jìn)行校準(zhǔn)，信號(hào)采集方式靈活，既可以連續(xù)采集，也能與外部信號(hào)同步。PWM的響應(yīng)時(shí)間主要取決于采集突發(fā)間隔。
• 內(nèi)部EEPROM的作用：存儲(chǔ)校準(zhǔn)點(diǎn)，確保斷電重啟后無需重新獲取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，方便工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。

1.2 基本電路

	引腳	名稱	功能
1	SYNC	同步輸入
2	CAL_DN	下限校準(zhǔn)輸入
3	SNS1	傳感1線（連接電極）
4	VSS	負(fù)電源（接地）
5	SNS2	傳感2線
6	PWM	PWM輸出
7	CAL_UP	上限校準(zhǔn)輸入
8	VDD	正電源

在基本電路中，C1建議為100nF，R1、R2和R3建議為10K。若不使用同步功能，R1可連接到VDD或VSS。采樣電容Cs推薦范圍為1nF至500nF，具體取值取決于所需靈敏度，使用NPO或PPS電容效果更佳。Rs的計(jì)算公式為[R s

二、信號(hào)采集

2.1 上電延遲

QT301有200ms的上電延遲，在此期間不采集信號(hào)或生成PWM結(jié)果，同時(shí)忽略校準(zhǔn)輸入，有效防止了啟動(dòng)時(shí)Vdd上的信號(hào)噪聲導(dǎo)致的錯(cuò)誤校準(zhǔn)。

2.2 突發(fā)特性

• 減少RF排放和EMI干擾：采用電荷轉(zhuǎn)移周期突發(fā)模式，顯著降低了RF排放，減少了對(duì)EMI的敏感度。
• 頻譜擴(kuò)展調(diào)制：突發(fā)在230kHz至305kHz頻段內(nèi)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展調(diào)制，有效抑制了外部噪聲源的干擾。

2.3 Cs / Cx依賴關(guān)系

信號(hào)值直接取決于Cs和Cx，Cs為固定采樣電容，Cx為未知電容。這兩個(gè)值對(duì)設(shè)備的靈敏度、分辨率和響應(yīng)時(shí)間有重要影響，同時(shí)電極的尺寸、形狀、成分，電極上的電介質(zhì)覆蓋層的成分和厚度，被感測物體的成分和外觀，以及電極與被感測物體之間的相互耦合程度，也會(huì)影響靈敏度和分辨率。

2.4 突發(fā)長度

突發(fā)長度計(jì)算公式為[B L=frac{k}{ln left(frac{C s}{C s+C x}right)}]，其中‘k’為常數(shù)，典型值為 -0.51（不同設(shè)備可能略有差異）。響應(yīng)呈對(duì)數(shù)曲線，Cs每增加一倍，信號(hào)電平及差分靈敏度提高一倍；Cx增加一倍，信號(hào)電平和差分靈敏度降低一半。

2.5 同步輸入

突發(fā)可以與外部噪聲源（如市電頻率）同步，以抑制此類源耦合的干擾影響。同步信號(hào)在上升沿觸發(fā)突發(fā)，有100ms的同步超時(shí)時(shí)間。若同步脈沖停止超過100ms，設(shè)備將恢復(fù)默認(rèn)采集速率。

三、PWM輸出

PWM輸出為100KHz ±7%的方波，可通過簡單的RC電路進(jìn)行濾波，或直接輸入到能夠以足夠分辨率測量其占空比的定時(shí)器電路中。使用RC電路時(shí)，電阻應(yīng)至少為10K歐姆，以減少引腳負(fù)載誤差。PWM占空比定義為[D{P W M}=frac{T{P W M _h i g h}}{T{P W M{-} Period }}]，為緩沖輸出電壓，可在濾波器輸出端添加電壓跟隨電路。

四、校準(zhǔn)

4.1 校準(zhǔn)引腳

• CAL_DN：用于電極處于最低Cx水平時(shí)的信號(hào)校準(zhǔn)，例如液位探頭中液體處于最低位時(shí)。
• CAL_UP：用于電極處于最大可用Cx水平時(shí)的信號(hào)校準(zhǔn)，例如液位探頭中液體處于最高位時(shí)。

4.2 校準(zhǔn)過程

校準(zhǔn)引腳用于觸發(fā)上限（最大Cx）或下限（最小Cx）電容端點(diǎn)的校準(zhǔn)過程。需通過下拉電阻將引腳拉低以防止損壞。校準(zhǔn)端點(diǎn)時(shí)，使用MOSFET或微控制器的開源輸出將相應(yīng)CAL引腳拉高至少2.5ms（建議3ms），然后釋放引腳使其浮空。QT301會(huì)在2.5ms后繼續(xù)保持引腳高電平，校準(zhǔn)完成后釋放引腳使其浮空。校準(zhǔn)需要15個(gè)采集突發(fā)樣本完成，新的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部EEPROM中。

五、電路設(shè)計(jì)指南

5.1 采樣電容

電荷采樣電容Cs可選用塑料薄膜或中低K陶瓷電容，范圍為1nF至500nF，具體取決于所需靈敏度。較大的Cs值需要更高的穩(wěn)定性以確?？煽總鞲校扑]使用塑料薄膜（特別是PPS薄膜）和NP0/C0G陶瓷電容，X7R陶瓷電容也可使用，但溫度穩(wěn)定性較差。

5.2 電源和PCB布局

QT301使用電源作為參考電壓，VDD的變化會(huì)影響PWM電平。設(shè)計(jì)電源時(shí)需確保其無尖峰、凹陷和浪涌，可使用常規(guī)的78L05型穩(wěn)壓器或3V至5V的三端LDO器件進(jìn)行本地穩(wěn)壓。VDD和VSS之間需使用0.1μF或更大的旁路電容，并靠近器件引腳放置。PCB應(yīng)在IC下方和周圍設(shè)置銅澆鑄層，但SNS引腳或線路下方不宜大面積設(shè)置。

5.3 ESD保護(hù)

當(dāng)電極置于電介質(zhì)面板后面時(shí)，IC可免受直接靜電放電影響，但仍可能通過感應(yīng)或極端情況下的電介質(zhì)擊穿引入瞬態(tài)電流。設(shè)備的SNS引腳有二極管保護(hù)，可吸收大部分感應(yīng)放電（高達(dá)20mA）。在極端情況下，可在電極串聯(lián)電阻輔助ESD消散，但需注意電阻值和電容值的選擇，避免影響靈敏度。不建議在傳感引線上直接放置半導(dǎo)體瞬態(tài)保護(hù)器件或MOV，以免引入非線性寄生電容影響傳感結(jié)果。

5.4 RF抗擾性

為提高電路對(duì)強(qiáng)RF干擾的抵抗力，需遵循以下設(shè)計(jì)規(guī)則：

1. 使用SMT組件以減少引腳長度。
2. 將電極連接到SNS1，而非SNS2。
3. 在電路下方和周圍以及傳感線路旁設(shè)置盡可能連續(xù)的接地平面，減少總Cx。
4. 接地平面和走線應(yīng)僅連接到IC的VSS引腳附近的公共點(diǎn)。
5. 傳感走線應(yīng)遠(yuǎn)離其他電路的走線或電線。
6. 傳感電極應(yīng)遠(yuǎn)離未直接連接到傳感器自身電路接地的其他電路和接地。
7. 將Cs采樣電容和所有串聯(lián)電阻組件靠近IC放置。
8. 在VSS/VDD電源引腳附近使用至少0.1μF的陶瓷旁路電容。
9. 在傳感線路中使用盡可能大的串聯(lián)電阻，同時(shí)不顯著降低靈敏度。
10. 將輸入電源旁路到機(jī)箱接地和電路接地，以減少線路注入的噪聲影響，必要時(shí)可在電源線上使用鐵氧體磁珠。

六、電氣規(guī)格

6.1 絕對(duì)最大規(guī)格

6.2 推薦工作條件

6.3 一般規(guī)格

6.4 交流規(guī)格

6.5 直流規(guī)格

七、應(yīng)用場景

QT301適用于多種應(yīng)用，如液位傳感器、濕度檢測、接近傳感器、位置傳感、換能器驅(qū)動(dòng)和材料傳感器等。其高精度的電容檢測能力和靈活的校準(zhǔn)方式，為這些應(yīng)用提供了可靠的解決方案。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，你是否遇到過類似電容檢測電路的挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。