五阶高Q值高稳定数字加速度计接口电路设计

发布时间：2017-09-24 00:19

  本文关键词：五阶高Q值高稳定数字加速度计接口电路设计

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【摘要】：噪声在μg级别的高分辨率加速度计有着广泛的应用,包括惯性导航,空间微重力测量,倾斜控制,平台稳定,地震监测等方面。电容式加速度计因其高灵敏度,低温度系数,低功耗,结构简单等优势,所以,适合于低噪声加速度系统设计。在接口电路方面,微机械ΣΔ数字接口电路由于其结构简单、受模拟电路部分精度的影响小、输出数字信号等优点得到关注。本文设计一款五阶高Q值高稳定的数字式加速度计接口电路。系统其等效输入噪声近似为0.4μg/√Hz。高Q值敏感结构导致二阶机械结构处于欠阻尼状态,增加表头的反应延迟。另外,根据相关文章,高阶ΣΔ电路在降低量化噪声的同时,降低了环路的稳定性。因此本文的设计难点在于系统的稳定性设计。为了解决此问题,本文主要从两方面入手,一是在环路中增加相位补偿模块。另一方面,系统采用多反馈式结构并采用扫描参数的方法获取稳定的环路参数。在理论分析的基础上,采用Q值为38.9的敏感结构结合三个开关电容积分器构成五阶的微机械ΣΔ式数字接口环路。利用Simulink建立系统模型完成行为级仿真,输出信号的噪声接近-140dB左右,信噪比为119.1dB,有效位数为19.49bits。以行为级仿真的结果为指导,采用0.5μmCMOS工艺完成相关模块的晶体管级电路设计,包括前端电荷检测放大器、相位补偿模块、积分器、量化器、系统时序控制电路和开关等,以及系统整体设计。对加速度计系统的晶体管级瞬态仿真结果处理得到的输出信号噪声接近-140dB,谐波为-124.6dB,信噪比为105.8dB,有效位数为17bits。版图后仿的结果为输出信号噪声小于-120dB,谐波为-117.1dB,信噪比为101.4dB,有效位数为17bits。
【关键词】：MEMS加速度计 ΣΔ 高Q值 稳定性 低噪声
【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】：2015
【分类号】：TH824.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题背景与意义8-9
• 1.2 微机械加速度系统国内外研究现状9-15
• 1.2.1 国内外加速度计研究现状9-11
• 1.2.2 国内外加速度计接口电路研究现状11-15
• 1.3 主要研究内容15-16
• 第2章 数字式加速度计工作原理16-24
• 2.1 引言16
• 2.2 电容式加速度计工作原理16-19
• 2.3 前端检测电路原理19-20
• 2.4 闭环力反馈原理20-22
• 2.5 数字式接口电路原理22-23
• 2.6 本章小结23-24
• 第3章 数字式加速度计系统级分析及设计24-45
• 3.1 引言24
• 3.2 敏感结构传递函数离散化24-26
• 3.3 数字加速度系统噪声分析26-31
• 3.4 数字加速度系统稳定性分析31-37
• 3.5 高稳定的加速度计系统级设计37-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第4章 数字式加速度计系统晶体管级设计45-64
• 4.1 引言45
• 4.2 机械结构等效电学模型45-46
• 4.3 数字式接口电路设计46-60
• 4.3.1 系统框图及时序分析46-47
• 4.3.2 开关设计47-49
• 4.3.3 前级电荷放大器设计49-52
• 4.3.4 相位补偿器设计52-53
• 4.3.5 积分器设计53-56
• 4.3.6 量化器设计56-57
• 4.3.7 时序控制电路设计57-60
• 4.4 数字式加速度计系统晶体管级仿真60-62
• 4.5 版图设计及后仿62-63
• 4.6 本章小结63-64
• 结论64-66
• 参考文献66-71
• 致谢71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 刘云涛;刘晓为;陈伟平;吴群;;Design and noise analysis of a sigma-delta capacitive micromachined accelerometer[J];半导体学报;2010年05期

2 张睿;;微机械加速度计的应用和发展趋势[J];东莞理工学院学报;2007年01期

3 李圣怡,刘宗林,吴学忠;微加速度计研究的进展[J];国防科技大学学报;2004年06期

4 曹新平,张大成,黄如,张兴,王阳元;一种大厚度的三轴差分电容式硅微加速度计[J];仪器仪表学报;2002年06期

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本文编号：908290