高精度全差分电容式微加速度计接口电路噪声分析与设计

发布时间：2020-05-05 13:38

【摘要】：电容式加速度传感器可以将微弱的加速度信号转化成能够检测的电信号,高精度加速度传感器被广泛应用在地震检测,汽车安全,航空航天,自动化工业等领域中。加速度传感器接口电路的研发是加速度传感器研究的重要组成部分,具有实现加速度传感器的实用化的重要意义。针对当前电容式微加速度计相关理论研究和接口电路设计中存在的不足,论文主要完成以下几个工作:电容式微加速度计噪声分析与电路优化,提出针对性的降噪措施;接口电路的系统构架和模块设计,并对性能和参数进行改善;接口电路的版图设计和加速度计系统的综合测试。本文对电容式微加速度计的噪声特性进行了详细分析,提出了各种噪声的避免和减小方法。通过电容补偿阵列对传感器敏感结构失调和非线性进行校准,采用开关电容电路消除寄生电容影响,使用相关双取样技术消除电路中的低频噪声和失调电压,同时提出减少运算放大器热噪声和闪烁噪声的办法,并为电路的设计优化提供针对性的指导。根据相关研究中存在问题,提出了本文设计的高精度全差分电容式微加速度计接口电路的全新结构,主要包括电容电压转换器,可编程增益放大器,全差分Sallen-Key低通滤波器。在分析了传统电容电压转换器局限性的基础上,提出了改进方案,整体转换电路仍然采用具单端连接的输出的方式,通过分时复用实现全差分结构。可编程增益放大器可使接口电路适用于不同的传感器敏感结构,实现多量程检测,通过时钟控制实现全差分结构,并完成离散信号到连续信号的转变。全差分Sallen-Key低通滤波器运用全差动差分放大器实现全差分滤波,新的结构可节约50%以上的功耗,并实现截止频率可调,从而能够对不同频率的加速度进行检测。整体电路均采用全差分结构,有效的抑制了零点漂移和谐波失真,减小了开关电荷注入和衬底噪声产生的共模干扰,主要信号通路均通过相关双采样技术消除低频噪声和失调。本文设计的接口电路采用0.18μm CMOS工艺流片,芯片面积3mm×1.3mm,并与传感器敏感结构进行综合测试。测试结果表明,整体微加速度系统量程范围为±2~±200g,电源电压3.3V,系统总功耗9.9mW,非线性度小于0.2%,带宽大于300Hz,工作温度范围为-55~125℃,具有精度高、灵敏度高、零点失调低、噪声低等优质性能。本文设计的高精度全差分电容式加速度计接口电路具有重要的研究意义和广阔的应用前景。
【图文】：

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第 1 章绪论硅工艺，单悬臂梁+质量块结构，并在 80 年代初形成了产品，从此究迅速发展起来[26]。现阶段加速度传感器采用最多的是电容式结构，1 年研制成功，该加速度计采用扭转差分电容结构，利用表面微机械测电路制作，应用于心脏起搏器中，之后电容式加速度传感器蓬勃发市场份额[27]。1993 年 AD 公司率先将加速度传感器用于汽车的安全气，随后加速度传感器被广泛的运用于各种武器系统和自动化工业当中术的不断发展和加速度传感器的深入研究，许多传感器结构被提出加速度计接口检测芯片，电路结构有单端结构和差分结构，输出形式输出，且也都达到了相应的精度，满足大多数传感器的检测需求[29][3，卡内基梅隆大学的 Jiangfeng Wu 设计了一种低噪声低偏移电容式加如图 1.1 所示。在全差分检测结构中，，系统噪声 50μg/Hz1/2，电路直度 130mV/g，功耗 30mW[31]。

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如图 1.1 所示。在全差分检测结构中，系统噪声 50μg/Hz1/2，电路直流敏度 130mV/g，功耗 30mW[31]。图 1.1 卡内基梅隆大学的 Jiangfeng Wu 设计的接口电路年，密歇根大学提出了 sigma-delta 结构的闭环微重力加速度计，接口。该电路采用离散时间处理方式，具有较高的精度，5V 电压供电，灵噪声为 10.8μg/Hz1/2[32]。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TH824.4

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