基于sigma-delta调制的电容传感器的研究与设计
发布时间：2021-12-11 11:33
电容传感器广泛应用于温湿度、压力、位置、成分等测量中,涉及的领域包括生物医学、汽车电子等。电容传感器包括前端感应元件和电容读取电路,由于感应元件不消耗静态功耗,电容传感器的主要功耗来源于读取电路。并且随着电容传感器的发展应用,电容传感器待测电容值可能为pF量级甚至是更小的量级,因此对电容读取电路的研究具有重要的意义。本文设计了一款基于sigma-delta调制的电容数字转换器（CDC）。本设计CDC系统框架包含感应电容Cx和sigma-delta调制器,其中感应电容Cx直接作为sigma-delta调制器第一级采样电容,实现电容-数字转化。本设计的sigma-delta调制器是CDC的核心模块,采用3阶CIFF拓扑结构。首先利用Matlab软件搭建系统级理想模型,通过公式迭代、仿真并综合考虑各级积分器输出摆幅,合理确定各级增益系数。行为级仿真充分考虑了 kT/C热噪声、运放有限直流增益等非理想因素,为MOS管级电路实现奠定基础。管级电路实现方面,为了弥补本设计较小参考电容0.4pF,补偿电容Coff与感应电容Cx采用反相的激励进行驱动,使得CDC输入电容为Cx-Coff,即“zoom-...
【文章来源】：福州大学福建省 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－丨平行板电容图??
２．?１．１电容感应元件模型??在不同的应用场合中，电容感应元件的特性存在很大的不同。为了更好??的理解电容感应元件，需要一个电气模型。图２－２所示为电容感应元件模型【２８】，??除了电容本身，还包括了一个寄生并联电阻Ｒｘ和电容两端的寄生电容Ｃｐｌ、??Ｃｐ２。由于电容本身并不消耗静态功耗，因而电容传感器非常适用于能耗受限??的低功耗应用中。对于电容传感器系统的能量效率来说，寄生电容尤其重要，??因为它们倾向于增加能量消耗。通过将前端传感器和读取电路集成到单个芯??片上或单个封装中，是提高能源效率的重要途径。但是对于感应电容和读取??电路并不集成在同一芯片时，即感应电容置于片外的情况，寄生电容Ｃｐｌ、Ｃｐ??很大程度是由于电容与片内读取电路接触端口引线的寄生电容引起的【２９］，而??且〇＾和Ｃｐ２可能存在不对称的情况。所以，在读取电路的设计时应加以考虑。??Ｒｘ???Ｗ???Ｃｘ???ＩＩ?＾??Ｃｐ２?二二?－－?Ｃｐｌ??－＝ｒ?ｔ??图２－２电容感应元件模型??在许多情况下
量化是对采样信号进行量化处理，将模拟输入信号的幅值进行离散化的??过程量化时输入信号与输出量化值存在差值，这个差值称为量化误差或??量化噪声【３４］。图２－３所示为理想的无限精度的量化曲线和量化噪声图，Ａ为量??化步长。??Ｙ?〇ｕ??Ｘ??；！?！?！??！?，?（ａ）［?Ｊ??；｜ｃｎ（ｎ）ｔ?；?｜??Ｉ?］?＋Ａ／２?ｊ??＜ｂ）??图２－３?（ａ）理想量化曲线（ｂ）量化噪声??则量化噪声ｅ（ｎ）表示为：??ｅ（ｎ）?＝Ｙ〇？ｒ＾ｉ？?公式（２－６）??由图（ｂ）可以看出，噪声在（－Ａ／２，Ａ／２）的范围内变化。当输入信号信号落在??量化中心时，量化噪声为０；当输入信号处于量化边缘时，量化噪声ｅ（ｎ）＝±Ａ／２。??通常量化噪声被假设为模拟加性白噪声ｌ３５Ｌ??ＩＩ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]集成微电容式传感器检测电路设计与研究[J]. 王阳,徐加欢,陈军宁,刘高平. 电子器件. 2013(02)
[2]一种用于差分电容检测的电荷Delta-Sigma调制器的研究[J]. 王展飞,李志宏. 传感技术学报. 2006(05)
博士论文
[1]基于CMOS工艺的集成微电容式传感器研究[D]. 王阳.安徽大学 2012
[2]高性能sigma-delta ADC的设计与研究[D]. 李迪.西安电子科技大学 2010
硕士论文
[1]全差分电容式传感的CMOS读出电路设计与实现[D]. 刘孟良.湘潭大学 2015
[2]MEMS电容传感器信号处理ASIC研究与设计[D]. 江儒龙.中国科学技术大学 2009
[3]C/V集成电容型湿度传感器接口电路设计[D]. 陈建春.哈尔滨理工大学 2009
[4]Sigma-delta电容式微加速度传感器系统研究[D]. 王瑰琦.西安电子科技大学 2009
[5]MEMS微电容传感器检测电路的研制[D]. 何立志.黑龙江大学 2008
[6]MEMS电容式传感器接口集成电路研究[D]. 程坤.东南大学 2006
本文编号：3534602
【文章来源】：福州大学福建省 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－丨平行板电容图??
２．?１．１电容感应元件模型??在不同的应用场合中，电容感应元件的特性存在很大的不同。为了更好??的理解电容感应元件，需要一个电气模型。图２－２所示为电容感应元件模型【２８】，??除了电容本身，还包括了一个寄生并联电阻Ｒｘ和电容两端的寄生电容Ｃｐｌ、??Ｃｐ２。由于电容本身并不消耗静态功耗，因而电容传感器非常适用于能耗受限??的低功耗应用中。对于电容传感器系统的能量效率来说，寄生电容尤其重要，??因为它们倾向于增加能量消耗。通过将前端传感器和读取电路集成到单个芯??片上或单个封装中，是提高能源效率的重要途径。但是对于感应电容和读取??电路并不集成在同一芯片时，即感应电容置于片外的情况，寄生电容Ｃｐｌ、Ｃｐ??很大程度是由于电容与片内读取电路接触端口引线的寄生电容引起的【２９］，而??且〇＾和Ｃｐ２可能存在不对称的情况。所以，在读取电路的设计时应加以考虑。??Ｒｘ???Ｗ???Ｃｘ???ＩＩ?＾??Ｃｐ２?二二?－－?Ｃｐｌ??－＝ｒ?ｔ??图２－２电容感应元件模型??在许多情况下
量化是对采样信号进行量化处理，将模拟输入信号的幅值进行离散化的??过程量化时输入信号与输出量化值存在差值，这个差值称为量化误差或??量化噪声【３４］。图２－３所示为理想的无限精度的量化曲线和量化噪声图，Ａ为量??化步长。??Ｙ?〇ｕ??Ｘ??；！?！?！??！?，?（ａ）［?Ｊ??；｜ｃｎ（ｎ）ｔ?；?｜??Ｉ?］?＋Ａ／２?ｊ??＜ｂ）??图２－３?（ａ）理想量化曲线（ｂ）量化噪声??则量化噪声ｅ（ｎ）表示为：??ｅ（ｎ）?＝Ｙ〇？ｒ＾ｉ？?公式（２－６）??由图（ｂ）可以看出，噪声在（－Ａ／２，Ａ／２）的范围内变化。当输入信号信号落在??量化中心时，量化噪声为０；当输入信号处于量化边缘时，量化噪声ｅ（ｎ）＝±Ａ／２。??通常量化噪声被假设为模拟加性白噪声ｌ３５Ｌ??ＩＩ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]集成微电容式传感器检测电路设计与研究[J]. 王阳,徐加欢,陈军宁,刘高平. 电子器件. 2013(02)
[2]一种用于差分电容检测的电荷Delta-Sigma调制器的研究[J]. 王展飞,李志宏. 传感技术学报. 2006(05)
博士论文
[1]基于CMOS工艺的集成微电容式传感器研究[D]. 王阳.安徽大学 2012
[2]高性能sigma-delta ADC的设计与研究[D]. 李迪.西安电子科技大学 2010
硕士论文
[1]全差分电容式传感的CMOS读出电路设计与实现[D]. 刘孟良.湘潭大学 2015
[2]MEMS电容传感器信号处理ASIC研究与设计[D]. 江儒龙.中国科学技术大学 2009
[3]C/V集成电容型湿度传感器接口电路设计[D]. 陈建春.哈尔滨理工大学 2009
[4]Sigma-delta电容式微加速度传感器系统研究[D]. 王瑰琦.西安电子科技大学 2009
[5]MEMS微电容传感器检测电路的研制[D]. 何立志.黑龙江大学 2008
[6]MEMS电容式传感器接口集成电路研究[D]. 程坤.东南大学 2006
本文编号：3534602
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