Cấu trúc lock-in được sử dụng để đo những tín hiệu AC rất nhỏ có thể xuống tới vài nV. Bộ khuếch đại lock-in sử dụng một kỹ thuật gọi là "kỹ thuật dò nhạy pha" được dùng để chọn ra một tín hiệu có pha và tần số xác định, trong khi các tín hiệu tiếng ồn ở tần số bất kỳ khác bị loại bỏ. Bằng cách này, ngay cả tín hiệu có thể nhỏ hơn nhiều so với nhiễu vẫn có thể được phát hiện ở một tần số được xác định. Cấu trúc sơ đồ cấu trúc này được minh họa trong hình 4.2a, phổ tín hiệu và nhiễu tồn tại các điểm khác nhau của hệ thống được đưa ra trong hình 4.2b.
Một hệ thống lock-in đơn giản bao gồm một khối vòng khóa pha PLL, một bộ tiền khuếch đại, một bộ trộn và một mạch lọc thông thấp. Cấu trúc lock-in cho cảm biến được kích thích bởi một tín hiệu AC ở một tần số cố định fdriver.
a) C u trúc khuếch đại lock-in
b) Phổ tín hiệu và nhiễu trong hệ thống
Hình 4.2 - Sơ đồ của hệ thống khuếch đại lock-in [13]
Tín hiệu kích thích này bị điều chế biên độ bởi sự thay đổi yếu tố điện môi của cảm biến làm cho tín hiệu đầu ra thay đổi.Thay đổi này của tín hiệu cảm biến, ban đầu được đặt tại băng cơ sở được đưa lên tần số của tín hiệu kích thích. Đồng thời tín hiệu fdriver cũng được đưa vào làm tín hiệu tham chiếu cho bộ khuếch đại lock-in tạo ra một tín hiệu tham chiếu nội bộ để điều khiển các khối điều chế, khối trộn. Sau khi giải điều chế, tín hiệu cảm biến được chuyển trở lại băng cơ sở ban đầu của nó và biên độ đầu ra được đo như một điện áp Vout. Mặt khác nhiễu 1/f từ các bộ khuếch đại được giải điều chế lên fdriver và có thể dễ dàng được lọc ra bởi dải lọc của LPF. Mức nhiễu cuối cùng tại đầu ra của bộ khuếch đại lock-in, được xác định bởi sàn nhiễu nhiệt của hệ thống và băng thông của LPF, sau đó thường được chọn th o băng thông quan tâm của các tín hiệu cảm biến [13].
Hình 4.3 – Hệ thống khuếch đại lock-in đầu ra cho cảm biến tụ
Để phát hiện một sự thay đổi của điện dung cảm biến, bên cạnh việc khử nhiễu, cần giảm ảnh hưởng của các thành phần ký sinh. Đối với cảm biến điện dung mức pF đến fF, các trở kháng của thiết bị thay đổi trong khoảng 107- 109 Ω với một tần số điều chế điển hình giữa 100 kHz và 1 MHz, trong khi điện dung ký sinh Cp1 và Cp2 ví dụ ở mức pF, do đó có điện trở thấp hơn nhiều. Khi đó các tụ điện ký sinh như một điện trở có trở kháng thấp nối đất có thể gây ra sự suy giảm đáng kể của tín hiệu. Để tránh điều này, một bộ đệm (giống như một bộ khuếch đại điện tích) được đặt vào giữa cảm biến và bộ khuếch đại lock-in (Hình 4.3) [13].
Mạch đầu ra của cảm biến phải đảm bảo phát hiện ra sự thay đổi điện dung của cảm biến với độ chính xác cần thiết. Trước những yêu cầu đó, mạch đầu ra bao gồm một một bộ khuếch đại điện tích kết hợp với bộ khuếch đại lock-in được lựa chọn. Bộ khếch đại điện tích có nhiệm vụ biến đổi sự thay đổi của điện dung thành sự thay đổi của điện áp đầu ra. Bộ khếch đại lock-in đảm bảo cho tín hiệu đầu ra được loại bỏ phần lớn nhiễu. Một yêu cầu nữa về băng thông đáp ứng của cảm biến phụ thuộc nhiều vào băng thông của hệ thống điện tử đầu ra cần được quan tâm.
Tuy nhiên, để sử dụng được trong môi trường thực tế như máy in phun. Đặc biệt là khi một loạt các đầu phun phải được th o dõi cùng một lúc, mà mỗi vòi phun có một cảm biến, mỗi cảm biến có một đầu ra như vậy, hệ thống sẽ cực kỳ phức tạp về kết nối điện tử, không gian và chi phí. Thành phần ký sinh tác động đên độ chính xác của cảm biến tăng lên khó kiểm soát. Để đảm bảo độ chính xác cần những thiết lập phức tạp và tiêu tốn năng lượng hơn. Điều này không cho phép đối với những hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, nhỏ gọn và tiếp kiệm năng lượng.
Gải pháp đưa ra để có thể thu nhỏ hệ thống đầu ra bằng cách tích hợp trong một mạch tích hợp (ASIC) và sau đó bộ cảm biến sẽ được lắp ráp cùng trên một bảng mạch như một hệ thống cảm biến đầy đủ.
Việc tích hợp mạch đầu ra cho cảm biến trên một chíp còn một số nguyên nhân sau:
Cảm biến đo lường kiểu tụ nhạy cảm với các thành phần ký sinh, đặc biệt là các điện dung ký sinh (Cp) giữa cảm biến và các bộ khuếch đại; điện dung ký sinh tạo ra
bởi các kết nối. Chức năng chính của các bộ khuếch đại điện tích là để loại bỏ ảnh hưởng của điện dung ký sinh Cp, cũng như cung cấp năng lượng tín hiệu đủ lớn cho khuếch đại lock-in. Hơn nữa, điện trở và tụ điện của bộ khuếch điện tích là các thành phần rời rạc ngoài chip, thành phần ký sinh làm cho độ chính xác của bộ khuếch đại điện tích thay đổi so với các giá trị thiết kế của nó và làm giảm hiệu suất. Để giải quyết những vấn đề trên, điều quan trọng là tích hợp các giai đoạn đưa dữ liệu ra vào một chip duy nhất để làm giảm giá trị của các thành phần ký sinh ngoài chip. Điều này sẽ dẫn đến độ chính xác của các thông số thiết kế, độ chính xác trong đo lường tốt hơn và tiêu thụ điện năng ít hơn.
Mặt khác, khi chiến lược đo lường được áp dụng cho một loạt các vòi phun, các nguồn tín hiệu có thể được chia sẻ bởi toàn bộ hệ thống. Trong khi, phần mạch điện tử dữ liệu ra được áp dụng riêng cho mỗi vòi phun. Do đó, việc thu nhỏ mạch đầu ra là một yêu cầu quan trọng.
Xu hướng phát triển hiện nay là toàn bộ cảm biến được tích hợp vào một thiết kế SOC hoặc thu nhỏ hệ thống bằng cách sử dụng cấu trúc đầu ra, một bộ khuếch đại trên chip cùng với một đơn vị giải điều chế cho lock-in đọc số liệu là cần thiết.