当前位置:主页 > 科技论文 > 电子信息论文 >

用于加速度计中的单环四阶∑△调制器设计

发布时间:2018-11-06 16:08
【摘要】:随着微电子工艺和技术的发展,高精度的模数转换器(ADC)在民用市场和军事领域的应用越来越广泛。对于加速度传感器而言,基于Sigma-Delta(ΣΔ)调制技术的数字闭环接口电路对器件失配的敏感度较低,易于和数字芯片集成,是实现高性能加速度计接口电路的有效途径之一。作为加速度计接口电路中关键模块的ΣΔ调制器是制约其性能的主要瓶颈之一。本文针对高性能加速度计接口电路的应用需求,完成高精度的ΣΔ调制器电路的研究和设计。本文首先比较了几种低通ΣΔ调制器的特点,选择了一种四阶单环的全前馈结构作为本文的设计目标。该结构能够减小积分器的输出摆幅,不仅降低了整体功耗,还有利于减小系统的谐波失真。在Matlab的Simulink环境下对该系统建立非理想行为级模型,其中包含运放非理想模型、开关非理想模型、运放热噪声模型、KT/C噪声模型等等。通过建模仿真优化确定结构参数以及运放等模块的设计参数,为后级电路设计提供基础。基于系统的量化噪声传递函数和量化器的准线性模型,利用根轨迹法对该高阶系统的稳定性进行分析。通过非理想行为级建模确定设计参数后,在Spectre下对该调制器进行模块电路的设计,包括积分器、比较器、开关电容求和电路、时钟产生电路、一位DAC电路等等。为了抑制偶次谐波失真和共模干扰,采用全差分结构进行电路设计。全差分运放的共模反馈环路采用开关电容电路实现,降低共模反馈环路对输出摆幅和运放直流增益的影响。采用斩波稳定技术来降低第一级积分器运放1/f噪声和失调对调制器输出的影响。基于标准的0.5μm CMOS工艺进行整体仿真,调制器电路在1kHz带宽内信噪比为102dB,与行为级建模仿真结果相近,系统的动态范围约为105dB。完成了版图的设计、后仿真验证以及初步的测试工作。版图的后仿真结果和电路仿真结果相接近。测试结果表明,在5V电源电压下,采样频率为250kHz时,系统功耗为20mW。其中,不带斩波技术的调制器电路信噪比为89dB,带斩波技术的调制器电路信噪比达到99dB,验证了斩波技术原理的正确性,完成了预期的设计目标。
[Abstract]:With the development of microelectronic technology, high precision ADC (ADC) is widely used in civil market and military field. For the acceleration sensor, the digital closed-loop interface circuit based on Sigma-Delta (危 螖) modulation technology is less sensitive to device mismatch and easy to integrate with digital chip. It is one of the effective ways to realize the interface circuit of high performance accelerometer. 危 螖 modulator, which is the key module of accelerometer interface circuit, is one of the main bottlenecks to its performance. In order to meet the application requirement of high performance accelerometer interface circuit, the high precision 危 螖 modulator circuit is studied and designed in this paper. In this paper, the characteristics of several low-pass 危 螖 modulators are compared, and a four-order single-ring full-feedforward structure is chosen as the design objective of this paper. The structure can reduce the output swing of the integrator, which not only reduces the overall power consumption, but also helps to reduce the harmonic distortion of the system. In the Simulink environment of Matlab, the non-ideal behavioral level model of the system is established, which includes the non-ideal model of operational amplifier, the non-ideal model of switch, the noise model of operational heat release, the model of KT/C noise and so on. The structural parameters and the design parameters of the operational amplifier module are optimized by modeling and simulation, which provides the basis for the design of the lower stage circuit. Based on the quantization noise transfer function of the system and the quasilinear model of the quantizer, the stability of the high-order system is analyzed by the root locus method. After the design parameters are determined by non-ideal behavior level modeling, the modulator is designed under Spectre, including integrator, comparator, switched-capacitor summation circuit, clock generation circuit, one-bit DAC circuit and so on. In order to suppress even harmonic distortion and common-mode interference, a fully differential circuit is designed. The common-mode feedback loop of fully differential operational amplifier is realized by switched capacitor circuit to reduce the effect of common-mode feedback loop on output swing and DC gain of operational amplifier. The chopper stabilization technique is used to reduce the effect of the 1- / f noise and misalignment of the first stage integrator on the output of the modulator. The whole simulation based on the standard 0.5 渭 m CMOS process shows that the signal-to-noise ratio of the modulator circuit is 102 dB in the 1kHz bandwidth, which is close to the simulation result of the behavioral level modeling. The dynamic range of the system is about 105 dB. Completed layout design, post-simulation verification and preliminary testing work. The post-simulation results of layout are close to those of circuit simulation. The test results show that the power consumption of the system is 20 MW when the sampling frequency is 250kHz. The signal-to-noise ratio of the modulator circuit without chopping technique is 89 dB, and the signal-to-noise ratio of the modulator circuit with chopper technology is 99dB, which verifies the correctness of chopping technology and accomplishes the expected design goal.
【学位授予单位】:齐齐哈尔大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN761

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 于治会,王阿春;关于加速度计参数的选定(1)[J];传感器世界;2000年11期

2 于治会,王阿春;关于加速度计参数的选定(下)[J];传感器世界;2000年12期

3 刘宗林,吴学忠,李圣怡;叉指式微硅加速度计的参数化设计[J];微纳电子技术;2003年Z1期

4 曾昭君,石进杰;一种抗大过载微型加速度计研究[J];微纳电子技术;2003年Z1期

5 蒋玉齐,程迎军,许薇,张鲲,李昕欣,罗乐;高量程MEMS加速度计封装工艺研究[J];传感器技术;2005年02期

6 ;3轴MEMS加速度计建立超低功耗标准[J];电子设计技术;2006年01期

7 徐夏;马游春;翟成瑞;熊继军;;三维MEMS加速度计的性能测试方法与分析[J];微计算机信息;2007年05期

8 解磊;苏伟;陈泉根;;微电容加速度计系统的设计[J];传感器与微系统;2007年11期

9 徐叶雷;方勇;;基于MEMS加速度计的车用自动呼救系统[J];传感技术学报;2009年06期

10 宋丽君;秦永元;;微机电加速度计的六位置标定(英文)[J];传感技术学报;2009年11期

相关会议论文 前10条

1 曹慧丹;沈昱明;赖际舟;;微硅加速度计标定及试验研究[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集(2)[C];2008年

2 索智群;乔东海;;力平衡模拟反馈电容加速度计的研究[A];2010’中国西部声学学术交流会论文集[C];2010年

3 刘惠兰;林恒;李莉;张春熹;;光学加速度计的技术及发展[A];惯性技术发展动能发展方向研讨会论文集[C];2004年

4 刘惠兰;林恒;李莉;张春熹;;光学加速度计的技术研究与发展[A];2004全国光学与光电子学学术研讨会、2005全国光学与光电子学学术研讨会、广西光学学会成立20周年年会论文集[C];2005年

5 钱朋安;;一体化多维加速度计研究的若干问题分析[A];中国仪器仪表学会第九届青年学术会议论文集[C];2007年

6 宋长福;严小军;韩丰田;郭晓芳;马高印;;硅微静电悬浮加速度计关键技术研究[A];微机电惯性技术的发展现状与趋势——惯性技术发展动态发展方向研讨会文集[C];2011年

7 李建飞;薛兵;张俊峰;朱小毅;王晓蕾;;应用于MEMS加速度计的小型恒温系统的实现[A];中国地震学会第14次学术大会专题[C];2012年

8 周泽兵;祝竺;;静电悬浮加速度计研究[A];中国地球物理2013——第二十六专题论文集[C];2013年

9 薛旭;李丹东;刘国文;万蔡辛;张承亮;;MEMS加速度计工程样机的研制[A];惯性技术发展动态发展方向研讨会文集——新世纪惯性技术在国民经济中的应用[C];2012年

10 张亮;陆秋海;;静电悬浮式电容差分加速度计测量原理与动特性设计[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年

相关重要报纸文章 前4条

1 包秋红;加速度计测试的加速者[N];中国航空报;2004年

2 唐新培;“黑黢侠”再显神威[N];中国航天报;2012年

3 黄忠魁 付秀娟 本报记者 徐建华;“敏感精灵”助力嫦娥探月[N];中国质量报;2014年

4 唐新培;搬走“三座山” 促成“太空吻”[N];中国航天报;2011年

相关博士学位论文 前9条

1 蒋玉齐;高量程MEMS加速度计封装研究[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2004年

2 杨杰;无陀螺捷联惯导系统加速度计构型研究与误差分析[D];哈尔滨工程大学;2011年

3 张习文;微小型加速度计的精密装配及影响性能的因素研究[D];大连理工大学;2013年

4 黄添添;气隙磁力表征型磁悬浮加速度计的关键技术研究[D];浙江大学;2015年

5 刘志平;无陀螺捷联惯导系统若干关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

6 李博;基于共振隧穿结构介观压阻效应的纳机电加速度计研究[D];中北大学;2008年

7 刘力;惯性传感器扭摆测试中地面振动和放电金丝的影响研究[D];华中科技大学;2012年

8 王世明;基于离心机的惯性仪表测试方法研究与误差分析[D];哈尔滨工业大学;2014年

9 武庆雅;旋转弹药的惯性导航与解耦控制方法研究[D];北京理工大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 王世昌;基于角速率的加速度计阵列误差系数标定方法的研究[D];中北大学;2009年

2 徐小丽;高过载条件下微型加速度计的动态分析[D];南京理工大学;2009年

3 黎渊;三轴高g加速度计的测试理论与实验研究[D];国防科学技术大学;2008年

4 鲍路路;高g值加速度计及其检测电路的设计[D];中国科学技术大学;2009年

5 高宇;捷联系统中加速度计信息处理技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

6 胡红革;硅挠性伺服加速度计设计[D];电子科技大学;2002年

7 纪君宠;钹式结构加速度计的研究与设计[D];北京大学;2008年

8 李永光;高精度加速度计标定与补偿技术研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

9 李园晴;悬丝支承加速度计温度误差建模及补偿研究[D];上海交通大学;2011年

10 王巍;高精度加速度计测量系统的分析与设计[D];哈尔滨工程大学;2011年



本文编号:2314779

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2314779.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户95557***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com