Cấu trúc lock-in lựa chọn phù hợp với mạch đầu ra cảm biến nhưng để thực hiện trên ASIC cần phải x m xét kỹ.
Một bộ khuếch đại điện tích được sử dụng điện trở, điện dung phản hồi không làm thay đổi pha mà chỉ đơn giản hóa tín hiệu ra. Tụ điện có thể được thiết kế chính xác hơn điện trở trong công nghệ CM S. Tuy nhiên, để sử dụng một bộ khuếch điện tích, đường DC (Rf) phải được đặt song song với tụ điện phản hồi, để tránh sự bão hòa của đầu ra do sự tích tụ của điện tích tại nút đầu vào của bộ khuếch đại. Trong các thiết thực nghiệm được thực hiện với điện trở có trở kháng đặc trưng từ 10 ~ 100 MΩ. Một điện trở với giá trị trở kháng lớn như vậy là rất khó khăn để tích hợp vào một con chip kích thước nhỏ.
Một bộ chopper (Hình 4.4) được chọn để thay thế bộ khuếch đại lock-in. Để giải điều chế tín hiệu đầu ra từ bộ khuếch đại điện tích, có thể sử dụng một bộ trộn hoặc một bộ chopper. Một bộ chopper bao gồm bốn transistor bán dẫn như một bộ chuyển mạch. Bằng cách định kỳ chuyển đổi một cặp tín hiệu khác biệt ở tần số của tín hiệu kích thích (fdriver), các tín hiệu cuối cùng được giải điều chế với một xung vuông. Cấu trúc của một bộ chopp r đơn giản hơn nhiều so với một bộ trộn và nó dễ dàng được thực hiện với công nghệ CM S. Hơn nữa, một bộ chopper được giới thiệu là ít nhiễn 1/f, do đó nó trở thành một giải pháp rất phù hợp với việc giải điều chế các tín hiệu. Tuy nhiên, khi các bóng bán dẫn transistor tắt, điện tử trong khu vực kênh sẽ được đưa tới đầu ra gây ra nhiễu. Một bộ lọc thông thấp LPF cần phải được sử dụng sau bộ chopp r để hoàn thành việc giải điều chế bằng cách lọc ra các thành phần can thiệp nằm ở tần số gấp đôi của tín hiệu kích thích. LPF có thể dễ dàng thực hiện trong CMOS. Ví dụ như sử dụng mạch lọc RC. Tuy nhiên để đơn giản hóa việc thiết kế và
linh hoạt hơn trong việc phân tích các tín hiệu đầu ra cho nghiên cứu thì không tích hợp mạch lọc vào mạch tích hợp trong nghiên cứu này [13].
Hình 4.4 - Sơ đồ một c u trúc bộ chopper (ở đây Φ là tín hiệu đồng bộ (Vsync) cho giải
điều chế)[13]
Hình 4.5 cho thấy sơ đồ cấu trúc mạch đo lường. Tín hiệu Vinput đại diện cho sự thay đổi của điện dung cảm biến do sự chuyển động khum. Cs và Cr lần lượt là tụ điện cảm biến và tụ điện tham chiếu với cấu trúc hình học tương tự. Sử dụng một cặp tín hiệu kích thích ngược pha (Vin và Vin-). Cp là điện dung ký sinh tại nút giữa cảm biến và chíp đầu ra, do các kết nối đầu ra của cảm biến, sự kết nối trên bảng mạch và kết nối vào của ASIC. Tín hiệu đi vào bộ khuếch đại điện tích với tụ điện phản hồi Cf và Rf đại diện cho thành phần DC. Sau đó tín hiệu được giải điều chế bởi một bộ chopper, tín hiệu qua đệm đầu ra và chuyển sang bộ lọc thông thấp.
Hình 4.5 - Sơ đồ mạch đ lường cùng với các tín hiệu ở các nút chính [13]
Giả sử các tín hiệu kích thích cho vòi phun cảm biến và vòi phun tham chiếu tương ứng như sau:
Vin Acos( )t and Vin Acos( t ) (4.2) Đầu ra của bộ khuếch đại điện tích sẽ là:
cos( ) s r Charge f C C V A t C (4.3)
Ở đây Cs - Cr là sự thay đổi tuyệt đối của điện dung cảm biến do sự chuyển động mặt khum chất lỏng, sự thay đổi điện môi ở kênh dẫn chứa cảm biến, có thể đo được bằng cách th o dõi đường bao của đầu ra này. Để giải điều chế tín hiệu này, quá trình chopper được sử dụng để nhân tín hiệu với một xung vuông. Tín hiệu sau khi qua khối chopper sẽ như sau:
4 2 2
cos( ) s r cos( ) s r s r cos(2 )
Chopper f f f C C C C C C V A t t A A t C C C