【摘要】：隨著集成電路的快速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)的興起,微型傳感器被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域。其中磁傳感器能夠?qū)⑽⑷醯拇判盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),從而間接地檢測(cè)出與磁場(chǎng)相關(guān)的物理量信息。三軸磁強(qiáng)計(jì)是一種矢量型磁敏傳感器,其可以測(cè)量x軸,y軸和z軸三個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、海洋、醫(yī)療以及航空航天等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,故針對(duì)三軸磁強(qiáng)計(jì)接口電路的研究具有重要意義。相對(duì)于其它類型磁傳感器,隧穿式磁阻(Tunnel Magnetoresistance,TMR)傳感器同時(shí)具有高靈敏度以及寬動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。但TMR磁強(qiáng)計(jì)表頭輸出為低頻微弱的電壓信號(hào),所以需要設(shè)計(jì)一款專用的低噪聲模擬前端檢測(cè)電路。本文的模擬前端檢測(cè)電路主要由低噪聲儀表放大器和Sigma-Delta調(diào)制器兩部分構(gòu)成。通過對(duì)常用儀表放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析,并結(jié)合三軸TMR磁強(qiáng)計(jì)模擬前端檢測(cè)電路的低噪聲、高輸入阻抗以及高CMRR等特性,本文采用電流反饋型儀表放大器(Current-Feedback Instrumentation Amplifier,CFIA)結(jié)構(gòu);同時(shí)采用斬波穩(wěn)定技術(shù)來降低儀表放大器的低頻噪聲和失調(diào),利用紋波抑制環(huán)路來減小由斬波而引起的運(yùn)放輸出端的高頻紋波。由于該環(huán)路的使用會(huì)導(dǎo)致放大器的傳遞函數(shù)在斬波頻率處引入一個(gè)notch,本文通過采用多路徑結(jié)構(gòu)來掩蓋這個(gè)缺口,同時(shí)展寬頻帶。當(dāng)電源電壓為5V,斬波頻率為80KHz時(shí),CFIA的后仿真結(jié)果:等效輸入噪聲為16.39n V/sqrt(Hz),1/f噪聲轉(zhuǎn)角頻率為36.97m Hz,閉環(huán)增益為40d B,GBW為10.82MHz(負(fù)載電容30p F),PM為74.82deg,總電流約為1.5m A。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出,同時(shí)保證模擬檢測(cè)電路整體的低噪聲和較高信噪失真比等性能,本文采用三階全前饋一位量化Sigma-Delta調(diào)制器,并對(duì)其第一級(jí)積分器的運(yùn)放進(jìn)行斬波,以消除低頻1/f噪聲的影響。當(dāng)電源電壓為5V,采樣頻率為1MHz時(shí),調(diào)制器的后仿真結(jié)果:信號(hào)帶寬為1KHz,輸入信號(hào)頻率為100Hz,幅度為-8d BFs(1V)時(shí),其1Hz動(dòng)態(tài)范圍大于130d B,信噪失真比SNDR達(dá)110d B,對(duì)應(yīng)的有效位數(shù)ENOB為18位,總電流約為3.5m A。最后對(duì)模擬前端檢測(cè)電路整體進(jìn)行版圖繪制和后仿真:輸入信號(hào)頻率為100Hz,幅度為10m V,經(jīng)CFIA放大100倍后,最終調(diào)制器輸出PSD的信噪失真比為106d B。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM936;TP212
【圖文】：

a) 芯片圖 b) 噪聲 PSD 測(cè)試結(jié)果圖 1-1 芯片圖和輸出噪聲 PSD 測(cè)試結(jié)果[8]b）低功耗儀表放大器設(shè)計(jì) 2012 年，Delft 科技大學(xué)的電子儀器實(shí)驗(yàn)室Qinwen Fan, Johan H. Huijsing 等人采用 0.7um 工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款電容耦合斬波運(yùn)放。其核心面積為 1.2mm2，總功耗僅為 50uW，失調(diào)電壓為 3uV，噪聲譜密度為 42nV/sqrt(Hz)[10]。芯片顯微圖及 PSD 結(jié)果如圖 1-2 所示。在此方面有較深研究的還有意大利[19]、印度[20]等。

a) 芯片圖 b) 噪聲 PSD 測(cè)試結(jié)果圖 1-1 芯片圖和輸出噪聲 PSD 測(cè)試結(jié)果[8]b）低功耗儀表放大器設(shè)計(jì) 2012 年，Delft 科技大學(xué)的電子儀器實(shí)驗(yàn)inwen Fan, Johan H. Huijsing 等人采用 0.7um 工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款電容耦合運(yùn)放。其核心面積為 1.2mm2，總功耗僅為 50uW，失調(diào)電壓為 3uV，噪聲譜為 42nV/sqrt(Hz)[10]。芯片顯微圖及 PSD 結(jié)果如圖 1-2 所示。在此方面有較深的還有意大利[19]、印度[20]等。

a) 芯片圖 b) 等效輸入噪聲圖 1-3 芯片顯微圖和等效輸入噪聲[21]（2）Sigma-Delta 調(diào)制器國(guó)外現(xiàn)狀研究在 Sigma-Delta 調(diào)制器方面，國(guó)外研究主要集中在高精度低失真、低壓低功耗以及高速度方向。其主要采用單環(huán)全前饋結(jié)構(gòu)和級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，同時(shí)量化器常采用多位量化，以提高調(diào)制器的精度和動(dòng)態(tài)范圍。a）高精度調(diào)制器設(shè)計(jì) 2008 年德州大學(xué)的 YuQing Yang，Terry Sculley 等人設(shè)計(jì)了一款高精度 Σ-Δ ADC，其選用單環(huán)五階多位量化結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用前饋結(jié)構(gòu)來減小積分器的輸出擺幅和系統(tǒng)的諧波失真。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和 PSD 結(jié)果如下圖 1-所示。此芯片總面積為 14.8mm2，動(dòng)態(tài)范圍 124dB，信號(hào)帶寬為 20kHz 時(shí)的總諧波失真為-111dB，總功耗低于 330mW[23]。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 孫笠森;岳鳳英;李永紅;王恩懷;;基于磁阻傳感器的數(shù)字式磁強(qiáng)計(jì)的設(shè)計(jì)[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2014年01期

2 范軍;黑勇;;一種高性能多位量化Σ-Δ調(diào)制器的設(shè)計(jì)[J];微電子學(xué);2012年03期

3 石立春;楊銀堂;李迪;吳笑峰;丁瑞雪;梁宏軍;;高精度音頻多位sigma-delta調(diào)制器設(shè)計(jì)[J];中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 曹桂平;高精度Sigma-Delta調(diào)制器研究及ASIC實(shí)現(xiàn)[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前7條

1 張小軍;基于隧道磁電阻的磁圖像傳感器磁頭模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D];中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院工程管理與信息技術(shù)學(xué)院);2017年

2 趙進(jìn)才;TMR磁強(qiáng)計(jì)中斬波儀表放大器設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

3 李恒;TMR磁傳感器低噪聲模擬前端檢測(cè)電路設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

4 閆冬;數(shù)字陀螺Sigma-Delta調(diào)制器的設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

5 劉達(dá);TMR傳感器中高精度多位量化Sigma-Delta調(diào)制器的設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

6 柯可人;高性能、低功耗模擬前端芯片的研究與設(shè)計(jì)[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

7 孫鵬;用于植入式生物醫(yī)療系統(tǒng)的高性能儀表放大器的研究與設(shè)計(jì)[D];浙江大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2770591