低谐波失真多位ΣΔ加速度计接口电路设计

发布时间：2017-09-03 20:18

  本文关键词：低谐波失真多位ΣΔ加速度计接口电路设计

  更多相关文章： 电容式加速度计 ΣΔ调制器 低谐波失真 多位量化

【摘要】：目前开关电容式微机械加速度计在国内外具有很高的研究价值,具有众多优点的电容式加速度计在军事和民用领域有很好的应用前景。加速度计采用ΣΔ调制器模块可以直接得到数字输出信号,由于谐波失真对系统信噪比影响很大,低谐波失真的加速度计能提高系统精度,多位量化技术能降低量化误差,减小量化噪声,所以本文从降低谐波失真和采用多位量化技术两方面出发,对ΣΔ电容式加速度计的进行设计。本文在调研了加速度计国内外发展趋势后,对加速度计系统及其各模块的工作原理进行了分析。然后以机械噪声和接口电路噪声为加速度计系统主要噪声对电路噪声进行定量分析,并定量分析了电路中导致系统产生谐波失真的非线性来源。加速度计表头选择真空封装,明显改善机械噪声。接口电路噪声受开关电阻、运放和参考电压源影响较大,为减小运放噪声可以在设计运放时增加输入管跨导;在前级检测电路中加入CDS技术能对电路的1/f噪声和失调进行降低。对于系统非线性,优化系统参数提高环路增益能有效降低非线性。本文设计的加速度计结构采用具有局部负反馈的前馈结构,提高了低频增益和线性度,系统中加入前置相位补偿器弥补由高品质因子的敏感结构和高阶系统引起的较大相移,保证系统稳定。用MATLAB对敏感结构与调制器构成的四阶加速度系统进行了建模,对多位量化、单位量化和考虑失配等情况进行仿真,通过功率谱密度有系统基底噪声约为-155dB,信噪比为128.9dB,有效位数为21.11bits。通过系统级建模优化得到各参数后,在0.35μm CMOS工艺下,对各电路进行晶体管级设计,考虑到多位DAC中存在失配问题,利用Modelsim工具进行了数据加权平均技术算法的设计。最后在Cadence SpectreVerilog环境下进行系统整体的数模仿真。系统输出信噪比为104.3dB,有效位数为17bits,输出信号噪声小于-135dBV/Hz1/2,噪声密度约为178ng/Hz1/2,谐波失真小于-110dB。最后对模拟电路进行版图绘制,将模拟电路版图和DWA模块的数字版图合并成整体版图并实现了后仿,系统输出信噪比为102.6dB,有效位数为16bits,谐波失真小于-110dB。
【关键词】：电容式加速度计 ΣΔ调制器 低谐波失真 多位量化
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN722.75
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 课题背景与意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-18
• 1.2.1 国内外加速度计研究现状10-15
• 1.2.2 国内外接口电路研究现状外15-18
• 1.3 主要研究内容18-20
• 第2章 ΣΔ 电容式加速度计工作原理20-29
• 2.1 引言20
• 2.2 敏感结构数学模型20-21
• 2.3 前端信号检测原理21-23
• 2.4 ΣΔ 电容式加速度计工作原理23-24
• 2.5 ΣΔ 调制器原理24-28
• 2.5.1 过采样技术24-25
• 2.5.2 噪声整形原理25-26
• 2.5.3 多位量化技术26
• 2.5.4 数据加权平均技术26-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第3章 加速度计系统级分析及建模29-45
• 3.1 引言29
• 3.2 加速度计系统工作原理29
• 3.3 敏感结构离散化分析29-32
• 3.4 系统噪声分析32-36
• 3.5 系统非线性分析36-39
• 3.6 加速度计系统级设计39-44
• 3.7 本章小结44-45
• 第4章 ΣΔ 微加速度计接口ASIC设计45-63
• 4.1 引言45
• 4.2 机械结构电学模型45-46
• 4.3 接口电路设计46-58
• 4.3.1 前级电荷敏感电路设计46-48
• 4.3.2 CMOS开关设计48
• 4.3.3 相位补偿器设计48-50
• 4.3.4 运算放大器设计50-53
• 4.3.5 调制器设计53-54
• 4.3.6 DWA模块设计54-55
• 4.3.7 比较器设计55-56
• 4.3.8 时钟控制电路设计56-58
• 4.4 加速度计系统仿真58-59
• 4.5 版图设计59-62
• 4.5.1 布局布线设计60
• 4.5.2 匹配性设计60
• 4.5.3 可靠性设计60-61
• 4.5.4 整体版图61-62
• 4.6 本章小结62-63
• 结论63-64
• 参考文献64-70
• 致谢70

【相似文献】

中国期刊全文数据库 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

中国重要会议论文全文数据库 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

中国重要报纸全文数据库 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

中国博士学位论文全文数据库 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

中国硕士学位论文全文数据库 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：787111