QT301电容至模拟转换器：设计与应用指南

在电子设计领域，电容检测技术在众多应用场景中发挥着关键作用。今天要介绍的QT301电容至模拟转换器（CAC），凭借其独特的技术特点和广泛的应用范围，成为电子工程师们关注的焦点。

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一、QT301概述

QT301是一款数字突发模式电荷转移（QT）电容至模拟转换器，具备PWM输出，分辨率为8位。它专为液位传感和距离测量等应用而设计，其独特的内部EEPROM可存储两个校准点，为精确测量提供了基础。

1.1 基本操作

• 信号采集与PWM计算：传感器从电极获取信号，依据两个校准点计算PWM结果。可通过两个校准输入进行校准，信号采集方式灵活，既可以连续采集，也能与外部信号同步。PWM的响应时间主要取决于采集突发间隔。
• 内部EEPROM的作用：存储校准点，确保断电重启后无需重新获取校准数据，方便工程师进行设计和调试。

1.2 基本电路

	引脚	名称	功能
1	SYNC	同步输入
2	CAL_DN	下限校准输入
3	SNS1	传感1线（连接电极）
4	VSS	负电源（接地）
5	SNS2	传感2线
6	PWM	PWM输出
7	CAL_UP	上限校准输入
8	VDD	正电源

在基本电路中，C1建议为100nF，R1、R2和R3建议为10K。若不使用同步功能，R1可连接到VDD或VSS。采样电容Cs推荐范围为1nF至500nF，具体取值取决于所需灵敏度，使用NPO或PPS电容效果更佳。Rs的计算公式为[R s

二、信号采集

2.1 上电延迟

QT301有200ms的上电延迟，在此期间不采集信号或生成PWM结果，同时忽略校准输入，有效防止了启动时Vdd上的信号噪声导致的错误校准。

2.2 突发特性

• 减少RF排放和EMI干扰：采用电荷转移周期突发模式，显著降低了RF排放，减少了对EMI的敏感度。
• 频谱扩展调制：突发在230kHz至305kHz频段内进行频谱扩展调制，有效抑制了外部噪声源的干扰。

2.3 Cs / Cx依赖关系

信号值直接取决于Cs和Cx，Cs为固定采样电容，Cx为未知电容。这两个值对设备的灵敏度、分辨率和响应时间有重要影响，同时电极的尺寸、形状、成分，电极上的电介质覆盖层的成分和厚度，被感测物体的成分和外观，以及电极与被感测物体之间的相互耦合程度，也会影响灵敏度和分辨率。

2.4 突发长度

突发长度计算公式为[B L=frac{k}{ln left(frac{C s}{C s+C x}right)}]，其中‘k’为常数，典型值为 -0.51（不同设备可能略有差异）。响应呈对数曲线，Cs每增加一倍，信号电平及差分灵敏度提高一倍；Cx增加一倍，信号电平和差分灵敏度降低一半。

2.5 同步输入

突发可以与外部噪声源（如市电频率）同步，以抑制此类源耦合的干扰影响。同步信号在上升沿触发突发，有100ms的同步超时时间。若同步脉冲停止超过100ms，设备将恢复默认采集速率。

三、PWM输出

PWM输出为100KHz ±7%的方波，可通过简单的RC电路进行滤波，或直接输入到能够以足够分辨率测量其占空比的定时器电路中。使用RC电路时，电阻应至少为10K欧姆，以减少引脚负载误差。PWM占空比定义为[D{P W M}=frac{T{P W M _h i g h}}{T{P W M{-} Period }}]，为缓冲输出电压，可在滤波器输出端添加电压跟随电路。

四、校准

4.1 校准引脚

• CAL_DN：用于电极处于最低Cx水平时的信号校准，例如液位探头中液体处于最低位时。
• CAL_UP：用于电极处于最大可用Cx水平时的信号校准，例如液位探头中液体处于最高位时。

4.2 校准过程

校准引脚用于触发上限（最大Cx）或下限（最小Cx）电容端点的校准过程。需通过下拉电阻将引脚拉低以防止损坏。校准端点时，使用MOSFET或微控制器的开源输出将相应CAL引脚拉高至少2.5ms（建议3ms），然后释放引脚使其浮空。QT301会在2.5ms后继续保持引脚高电平，校准完成后释放引脚使其浮空。校准需要15个采集突发样本完成，新的校准数据存储在内部EEPROM中。

五、电路设计指南

5.1 采样电容

电荷采样电容Cs可选用塑料薄膜或中低K陶瓷电容，范围为1nF至500nF，具体取决于所需灵敏度。较大的Cs值需要更高的稳定性以确保可靠传感，推荐使用塑料薄膜（特别是PPS薄膜）和NP0/C0G陶瓷电容，X7R陶瓷电容也可使用，但温度稳定性较差。

5.2 电源和PCB布局

QT301使用电源作为参考电压，VDD的变化会影响PWM电平。设计电源时需确保其无尖峰、凹陷和浪涌，可使用常规的78L05型稳压器或3V至5V的三端LDO器件进行本地稳压。VDD和VSS之间需使用0.1µF或更大的旁路电容，并靠近器件引脚放置。PCB应在IC下方和周围设置铜浇铸层，但SNS引脚或线路下方不宜大面积设置。

5.3 ESD保护

当电极置于电介质面板后面时，IC可免受直接静电放电影响，但仍可能通过感应或极端情况下的电介质击穿引入瞬态电流。设备的SNS引脚有二极管保护，可吸收大部分感应放电（高达20mA）。在极端情况下，可在电极串联电阻辅助ESD消散，但需注意电阻值和电容值的选择，避免影响灵敏度。不建议在传感引线上直接放置半导体瞬态保护器件或MOV，以免引入非线性寄生电容影响传感结果。

5.4 RF抗扰性

为提高电路对强RF干扰的抵抗力，需遵循以下设计规则：

1. 使用SMT组件以减少引脚长度。
2. 将电极连接到SNS1，而非SNS2。
3. 在电路下方和周围以及传感线路旁设置尽可能连续的接地平面，减少总Cx。
4. 接地平面和走线应仅连接到IC的VSS引脚附近的公共点。
5. 传感走线应远离其他电路的走线或电线。
6. 传感电极应远离未直接连接到传感器自身电路接地的其他电路和接地。
7. 将Cs采样电容和所有串联电阻组件靠近IC放置。
8. 在VSS/VDD电源引脚附近使用至少0.1µF的陶瓷旁路电容。
9. 在传感线路中使用尽可能大的串联电阻，同时不显著降低灵敏度。
10. 将输入电源旁路到机箱接地和电路接地，以减少线路注入的噪声影响，必要时可在电源线上使用铁氧体磁珠。

六、电气规格

6.1 绝对最大规格

参数	规格
工作温度	由后缀指定
存储温度	-65°C至 +125°C
Vdd	-0.5至 +6V
最大连续引脚电流（任何控制或驱动引脚）	+40mA
任何引脚接地短路持续时间	无限
任何引脚施加的电压	-1V至 (VDD + 0.5)V

6.2 推荐工作条件

参数	规格
Vdd	+3至 5V
短期电源纹波 + 噪声	±5mV
长期电源稳定性	±100mV
Cs值	1至 500pF
Cx值	0至 500pF

6.3 一般规格

参数	描述	最小值	典型值	最大值	单位	备注
Ewc	EEPROM写入周期	100,000
TPU	上电时间		200		ms
Csns	传感器引脚内部电容		11		pF
K	突发长度系数		-0.51

6.4 交流规格

参数	描述	最小值	典型值	最大值	单位	备注
TPC	电荷/转移时间	1	1.25	1.5	µs	电压和温度范围内 ±10%
Fc	突发中心频率		265		kHz
Fp	突发频率调制		±7		%
TBD	突发长度		16		ms
TBS	突发间隔	TBD + 2.5		TBD + 100	ms
FPWM	PWM频率		100		kHz
TCPD	校准脉冲持续时间	2.5			ms
TCD	校准持续时间		15 x TBS		ms

6.5 直流规格

参数	描述	最小值	典型值	最大值	单位	备注
IDO	电源电流		5		mA	@5V
IDO	电源电流		2.9		mA	@3.3V
VIL	输入低电压			0.3 VDD	V	VDD = 3至 5.5V
VIH	输入高电压	0.6 VDD			V	VDD = 3至 5.5V
VOL	低输出电压			0.5	V	10L = 6mA
VOH	高输出电压	VDD - 0.7			V	10H = -1.5mA
AR	采集分辨率		11		bits
S	每比特分辨率		8		fF

七、应用场景

QT301适用于多种应用，如液位传感器、湿度检测、接近传感器、位置传感、换能器驱动和材料传感器等。其高精度的电容检测能力和灵活的校准方式，为这些应用提供了可靠的解决方案。

在实际设计中，你是否遇到过类似电容检测电路的挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。