本文關(guān)鍵詞：高精度SIGMA-DELTA微加速度計(jì)接口ASIC芯片研究

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【摘要】：具有數(shù)字輸出功能的高精度Sigma-Delta(ΣΔ)微加速度計(jì)在軍事和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,采用開關(guān)電容方式實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)數(shù)字微加速度計(jì)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(diǎn)之一。高精度的數(shù)字微加速度計(jì)是地震檢波器中的關(guān)鍵元件之一,開展高性能閉環(huán)數(shù)字微加速度計(jì)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(lǐng)域的技術(shù)水平具有重要意義。目前數(shù)字微加速度計(jì)接口電路在相關(guān)理論研究和設(shè)計(jì)方面有待改進(jìn),在噪聲理論、諧波失真模型及其驗(yàn)證、亞μg噪聲密度接口電路實(shí)現(xiàn)等方面還有待進(jìn)一步的研究。本文針對高性能數(shù)字微加速度計(jì)的這些關(guān)鍵問題進(jìn)行深入研究,實(shí)現(xiàn)高精度閉環(huán)微加速度計(jì)接口電路芯片。在開展數(shù)字微加速度計(jì)噪聲理論分析時(shí),確定主要的電路噪聲來源,建立一種準(zhǔn)確的噪聲模型�，F(xiàn)有的噪聲模型在計(jì)算運(yùn)放噪聲影響時(shí),選擇忽略尾管熱噪聲對整體噪聲的貢獻(xiàn)。本文通過引入影響因子將尾管熱噪聲考慮進(jìn)來,提升模型的準(zhǔn)確性。在分析運(yùn)放帶寬對接口電路的噪聲影響時(shí),綜合考慮運(yùn)放建立精度和噪聲混疊效應(yīng)的影響,選擇合適的運(yùn)放帶寬。通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了本文的噪聲理論模型的準(zhǔn)確性。關(guān)于ΣΔ微加速度計(jì)諧波失真的研究一直集中于行為級(jí)模型的Simulink仿真。本文引入運(yùn)放的直流增益模型,基于質(zhì)量塊位移到電容變化的非線性解析出前級(jí)電荷轉(zhuǎn)換關(guān)系式。結(jié)合非線性靜電力反饋關(guān)系式,建立一種準(zhǔn)線性的閉環(huán)ΣΔ微加速度計(jì)諧波失真理論模型。設(shè)計(jì)一種開關(guān)電容自檢測電路,替代傳統(tǒng)的測試方法來驗(yàn)證該諧波失真模型。該模型經(jīng)過仿真和測試驗(yàn)證,能夠?yàn)棣拨の⒓铀俣扔?jì)參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。采用高品質(zhì)因數(shù)(Q值)敏感結(jié)構(gòu)和高階調(diào)制器的數(shù)字微加速度計(jì)在實(shí)現(xiàn)高精度輸出的同時(shí)存在穩(wěn)定性問題,本文從以下幾個(gè)方面來解決:(1)設(shè)計(jì)有源前置補(bǔ)償器電路進(jìn)行深度相位補(bǔ)償,改善系統(tǒng)響應(yīng);(2)將調(diào)制器局部反饋因子設(shè)計(jì)成片外可調(diào),使接口電路能夠適用于不同的機(jī)械結(jié)構(gòu),消除工藝誤差的影響;(3)通過參數(shù)優(yōu)化和增益按比例縮放技術(shù),降低積分器輸出信號(hào)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(dǎo)下,完成閉環(huán)高精度ΣΔ微加速度計(jì)接口專用集成電路(ASIC)芯片設(shè)計(jì),主要包含低噪聲電荷放大器、相關(guān)雙采樣和保持電路、有源前置補(bǔ)償器、調(diào)制器和時(shí)鐘分頻電路等。采用標(biāo)準(zhǔn)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(shí),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(shí)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(dòng)態(tài)范圍高達(dá)136d B,非線性0.15%,偏置穩(wěn)定性約18μg。本文關(guān)于閉環(huán)高精度ΣΔ微加速度計(jì)接口電路的理論研究和電路設(shè)計(jì)工作能夠?yàn)楦咝阅芪⒓铀俣扔?jì)的技術(shù)進(jìn)步提供重要的借鑒意義,有著廣闊的市場推廣和應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH824.4;TN40

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1 劉曉e，

本文編號(hào)：1148411