低噪声低功耗传感器读出芯片的研究与设计
发布时间：2020-11-02 07:25
传感器读出芯片用来将传感器输出的微弱模拟信号转换为数字信号,被广泛应用于工业控制、仪器仪表、微处理器辅助接口等领域。本论文研究并设计了一款适用于超低频信号测量的低噪声低功耗传感器读出芯片,包括低噪声仪表放大器和模数转换器(ADC)两部分,设计重点难点在于对低频噪声的处理。本论文从传感器读出芯片的原理、架构、噪声和电路几个方面出发,对低噪声传感器读出芯片进行了深入研究。论文的主要工作概括如下:(1)基于双采样技术,提出了一种新的将仪表放大器嵌入到Σ-Δ调制器的开关电容积分器中的电路设计方案,降低了前端仪表放大器低频1/f噪声的同时,简化了电路结构,仪表放大器的输出端无需外接片外电容,减少了芯片的引脚个数和应用成本。(2)对传感器读出芯片中Σ-ΔADC的系统设计进行了研究,总结性地给出了低频窄带Σ-Δ调制器的系统设计流程,包括调制器系统架构的选取、噪声传递函数的设计和环路系数优化方法。采用该流程,能够得到功耗、噪声优化的低频窄带Σ-ΔADC系统。(3)深入分析了CMOS电路的噪声,对仪表放大器的窄带噪声进行了优化设计,并且采用相关双采样技术,降低了Σ-Δ调制器中第一级积分器的1/f噪声。(4)对Σ-ΔADC中的数字抽取滤波器进行了研究设计,使用verilog-HDL描述、自动综合、布局布线生成,可实现10/80Hz两种数据速率的切换,数据速率为10Hz时,能实现对50Hz和60Hz工频噪声的抑制。(5)采用UMC 0.11μm CMOS工艺进行电路设计,将芯片的电源电压从目前商用产品的2.7~5.5V拓宽至1.7~5.5V,扩大了芯片的应用场合,并降低了芯片的功耗。同时,完成了整体芯片的电路及版图设计,并提取寄生参数进行了后仿真验证。采用UMC 0.11μm 2P6M CMOS工艺进行了电路及版图设计,包含IO Pad的芯片总面积为1.6×1.4mm~2。芯片供电电压1.7~5.5V,内含LDO电路,除LDO外的其它电路工作在LDO提供的1.5V电压下,整个芯片消耗的电流为2.3mA,功耗小于3.8mW。后仿真结果表明,芯片输入端等效噪声为12nV/Hz~(1/2),在10Hz数据速率下,有效位数达到了18.7-bits,满足了预定的设计目标。
【学位单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212;TN402
【部分图文】：
图 2.1 传感器读出芯片的典型应用场景出信号频率较低，一般在直流到几 KHz 之间，且输出电至 μV 量级，例如常见的热敏电阻桥传感器、霍尔传感器的 ADC 不能直接处理如此微弱的信号，在这之前，需要号经低噪声放大器放大到 ADC 的满量程范围内再进行模大器被称为仪表放大器，其特点为具有非常低的输入噪性能指标随温度等环境因素漂移很小，尤其适用于仪器，并因此得名。单片集成了仪表放大器和 ADC 的芯片即.2 给出了传感器读出芯片的内部框架图。
图 2.1 传感器读出芯片的典型应用场景信号频率较低，一般在直流到几 KHz 之间，且输出 μV 量级，例如常见的热敏电阻桥传感器、霍尔传感 ADC 不能直接处理如此微弱的信号，在这之前，需经低噪声放大器放大到 ADC 的满量程范围内再进行大器被称为仪表放大器，其特点为具有非常低的输入性能指标随温度等环境因素漂移很小，尤其适用于仪并因此得名。单片集成了仪表放大器和 ADC 的芯片 给出了传感器读出芯片的内部框架图。
第一级电路也需要仔细匹配，需要在版图设计，三运放仪表放大器采用了两级高增益运算放大输入阻抗和较好的线性度，缺点为功耗较高。同增益为 1，输入端共模信号变化会直接传递到第一还要叠加上放大后的差模信号，为了不使第二级共模输入范围通常很小。此外，受限于第二级反 很难做高。三运放仪表放大器的输出是相对于参考电压 Vref的用场合，三运放仪表放大器的第二级可以更改为级去掉，仅保留第一级，也就构成了“两运放”电路，其 CMRR 不再受第二级反馈电阻匹配精度构高输入阻抗和高线性度的优点，并且由于去掉降低。馈型仪表放大器
【参考文献】
本文编号：2866743
【学位单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212;TN402
【部分图文】：
图 2.1 传感器读出芯片的典型应用场景出信号频率较低，一般在直流到几 KHz 之间，且输出电至 μV 量级，例如常见的热敏电阻桥传感器、霍尔传感器的 ADC 不能直接处理如此微弱的信号，在这之前，需要号经低噪声放大器放大到 ADC 的满量程范围内再进行模大器被称为仪表放大器，其特点为具有非常低的输入噪性能指标随温度等环境因素漂移很小，尤其适用于仪器，并因此得名。单片集成了仪表放大器和 ADC 的芯片即.2 给出了传感器读出芯片的内部框架图。
图 2.1 传感器读出芯片的典型应用场景信号频率较低，一般在直流到几 KHz 之间，且输出 μV 量级，例如常见的热敏电阻桥传感器、霍尔传感 ADC 不能直接处理如此微弱的信号，在这之前，需经低噪声放大器放大到 ADC 的满量程范围内再进行大器被称为仪表放大器，其特点为具有非常低的输入性能指标随温度等环境因素漂移很小，尤其适用于仪并因此得名。单片集成了仪表放大器和 ADC 的芯片 给出了传感器读出芯片的内部框架图。
第一级电路也需要仔细匹配，需要在版图设计，三运放仪表放大器采用了两级高增益运算放大输入阻抗和较好的线性度，缺点为功耗较高。同增益为 1，输入端共模信号变化会直接传递到第一还要叠加上放大后的差模信号，为了不使第二级共模输入范围通常很小。此外，受限于第二级反 很难做高。三运放仪表放大器的输出是相对于参考电压 Vref的用场合，三运放仪表放大器的第二级可以更改为级去掉，仅保留第一级，也就构成了“两运放”电路，其 CMRR 不再受第二级反馈电阻匹配精度构高输入阻抗和高线性度的优点，并且由于去掉降低。馈型仪表放大器
【参考文献】
相关硕士学位论文 前8条
1 李欣序;基于CMOS工艺的高性能仪表放大器设计[D];吉林大学;2017年
2 苏宁宁;霍尔传感器读出电路的低噪声运算放大器设计[D];北方工业大学;2017年
3 王宝续;应用于图像传感器的双斜坡模数转换器的设计[D];吉林大学;2014年
4 黄婷;应用于生物传感器的低功耗增量式ADC的研究与设计[D];中国科学技术大学;2014年
5 范锐;用于植入式神经信号记录的低噪声低功耗高精度仪表放大器的研究与设计[D];浙江大学;2012年
6 刘召辉;低噪声专用仪表放大器的设计[D];浙江大学;2008年
7 章建钦;24位∑-△A/D转换器中抽取滤波器的设计和实现[D];厦门大学;2008年
8 蔡友;Sigma-Delta ADC中抽取滤波器的研究与实现[D];浙江大学;2007年
本文编号：2866743
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