本文關鍵詞：高精度SIGMA-DELTA微加速度計接口ASIC芯片研究

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【摘要】：具有數字輸出功能的高精度Sigma-Delta(ΣΔ)微加速度計在軍事和民用領域有著廣泛的應用,采用開關電容方式實現的閉環(huán)數字微加速度計接口電路能夠和CMOS工藝兼容,且信噪比高、帶寬大、線性度好,是慣性傳感器接口電路的研究熱點之一。高精度的數字微加速度計是地震檢波器中的關鍵元件之一,開展高性能閉環(huán)數字微加速度計接口電路研究,對于提高其整體性能,提升傳感器接口電路領域的技術水平具有重要意義。目前數字微加速度計接口電路在相關理論研究和設計方面有待改進,在噪聲理論、諧波失真模型及其驗證、亞μg噪聲密度接口電路實現等方面還有待進一步的研究。本文針對高性能數字微加速度計的這些關鍵問題進行深入研究,實現高精度閉環(huán)微加速度計接口電路芯片。在開展數字微加速度計噪聲理論分析時,確定主要的電路噪聲來源,建立一種準確的噪聲模型�，F有的噪聲模型在計算運放噪聲影響時,選擇忽略尾管熱噪聲對整體噪聲的貢獻。本文通過引入影響因子將尾管熱噪聲考慮進來,提升模型的準確性。在分析運放帶寬對接口電路的噪聲影響時,綜合考慮運放建立精度和噪聲混疊效應的影響,選擇合適的運放帶寬。通過實驗測試驗證了本文的噪聲理論模型的準確性。關于ΣΔ微加速度計諧波失真的研究一直集中于行為級模型的Simulink仿真。本文引入運放的直流增益模型,基于質量塊位移到電容變化的非線性解析出前級電荷轉換關系式。結合非線性靜電力反饋關系式,建立一種準線性的閉環(huán)ΣΔ微加速度計諧波失真理論模型。設計一種開關電容自檢測電路,替代傳統(tǒng)的測試方法來驗證該諧波失真模型。該模型經過仿真和測試驗證,能夠為ΣΔ微加速度計參數設計提供理論指導。采用高品質因數(Q值)敏感結構和高階調制器的數字微加速度計在實現高精度輸出的同時存在穩(wěn)定性問題,本文從以下幾個方面來解決:(1)設計有源前置補償器電路進行深度相位補償,改善系統(tǒng)響應;(2)將調制器局部反饋因子設計成片外可調,使接口電路能夠適用于不同的機械結構,消除工藝誤差的影響;(3)通過參數優(yōu)化和增益按比例縮放技術,降低積分器輸出信號擺幅,有利于穩(wěn)定環(huán)路增益。在噪聲模型和諧波失真模型的指導下,完成閉環(huán)高精度ΣΔ微加速度計接口專用集成電路(ASIC)芯片設計,主要包含低噪聲電荷放大器、相關雙采樣和保持電路、有源前置補償器、調制器和時鐘分頻電路等。采用標準的0.5μm兩層金屬兩層多晶N阱CMOS工藝流片,采用5V電壓供電時,功耗13m W,傳感器噪聲密度小于1μg/Hz1/2,靈敏度2.5V/g,量程±0.7g。采用7V電壓供電時功耗上升到23m W,等效輸入加速度噪聲密度小于200ng/Hz1/2,帶寬300Hz,靈敏度約1.896V/g,量程±1.2g。1Hz帶寬下動態(tài)范圍高達136d B,非線性0.15%,偏置穩(wěn)定性約18μg。本文關于閉環(huán)高精度ΣΔ微加速度計接口電路的理論研究和電路設計工作能夠為高性能微加速度計的技術進步提供重要的借鑒意義,有著廣闊的市場推廣和應用價值。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH824.4;TN40

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1 劉曉e，

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