本文關(guān)鍵詞：五階高Q值高穩(wěn)定數(shù)字加速度計(jì)接口電路設(shè)計(jì)

  更多相關(guān)文章： MEMS加速度計(jì) ΣΔ 高Q值 穩(wěn)定性 低噪聲

【摘要】：噪聲在μg級(jí)別的高分辨率加速度計(jì)有著廣泛的應(yīng)用,包括慣性導(dǎo)航,空間微重力測(cè)量,傾斜控制,平臺(tái)穩(wěn)定,地震監(jiān)測(cè)等方面。電容式加速度計(jì)因其高靈敏度,低溫度系數(shù),低功耗,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),所以,適合于低噪聲加速度系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在接口電路方面,微機(jī)械ΣΔ數(shù)字接口電路由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受模擬電路部分精度的影響小、輸出數(shù)字信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)得到關(guān)注。本文設(shè)計(jì)一款五階高Q值高穩(wěn)定的數(shù)字式加速度計(jì)接口電路。系統(tǒng)其等效輸入噪聲近似為0.4μg/√Hz。高Q值敏感結(jié)構(gòu)導(dǎo)致二階機(jī)械結(jié)構(gòu)處于欠阻尼狀態(tài),增加表頭的反應(yīng)延遲。另外,根據(jù)相關(guān)文章,高階ΣΔ電路在降低量化噪聲的同時(shí),降低了環(huán)路的穩(wěn)定性。因此本文的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。為了解決此問(wèn)題,本文主要從兩方面入手,一是在環(huán)路中增加相位補(bǔ)償模塊。另一方面,系統(tǒng)采用多反饋式結(jié)構(gòu)并采用掃描參數(shù)的方法獲取穩(wěn)定的環(huán)路參數(shù)。在理論分析的基礎(chǔ)上,采用Q值為38.9的敏感結(jié)構(gòu)結(jié)合三個(gè)開(kāi)關(guān)電容積分器構(gòu)成五階的微機(jī)械ΣΔ式數(shù)字接口環(huán)路。利用Simulink建立系統(tǒng)模型完成行為級(jí)仿真,輸出信號(hào)的噪聲接近-140dB左右,信噪比為119.1dB,有效位數(shù)為19.49bits。以行為級(jí)仿真的結(jié)果為指導(dǎo),采用0.5μmCMOS工藝完成相關(guān)模塊的晶體管級(jí)電路設(shè)計(jì),包括前端電荷檢測(cè)放大器、相位補(bǔ)償模塊、積分器、量化器、系統(tǒng)時(shí)序控制電路和開(kāi)關(guān)等,以及系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。對(duì)加速度計(jì)系統(tǒng)的晶體管級(jí)瞬態(tài)仿真結(jié)果處理得到的輸出信號(hào)噪聲接近-140dB,諧波為-124.6dB,信噪比為105.8dB,有效位數(shù)為17bits。版圖后仿的結(jié)果為輸出信號(hào)噪聲小于-120dB,諧波為-117.1dB,信噪比為101.4dB,有效位數(shù)為17bits。
【關(guān)鍵詞】：MEMS加速度計(jì) ΣΔ 高Q值 穩(wěn)定性 低噪聲
【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】：2015
【分類號(hào)】：TH824.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 緒論8-16
• 1.1 課題背景與意義8-9
• 1.2 微機(jī)械加速度系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀9-15
• 1.2.1 國(guó)內(nèi)外加速度計(jì)研究現(xiàn)狀9-11
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)外加速度計(jì)接口電路研究現(xiàn)狀11-15
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容15-16
• 第2章 數(shù)字式加速度計(jì)工作原理16-24
• 2.1 引言16
• 2.2 電容式加速度計(jì)工作原理16-19
• 2.3 前端檢測(cè)電路原理19-20
• 2.4 閉環(huán)力反饋原理20-22
• 2.5 數(shù)字式接口電路原理22-23
• 2.6 本章小結(jié)23-24
• 第3章 數(shù)字式加速度計(jì)系統(tǒng)級(jí)分析及設(shè)計(jì)24-45
• 3.1 引言24
• 3.2 敏感結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)離散化24-26
• 3.3 數(shù)字加速度系統(tǒng)噪聲分析26-31
• 3.4 數(shù)字加速度系統(tǒng)穩(wěn)定性分析31-37
• 3.5 高穩(wěn)定的加速度計(jì)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)37-44
• 3.6 本章小結(jié)44-45
• 第4章 數(shù)字式加速度計(jì)系統(tǒng)晶體管級(jí)設(shè)計(jì)45-64
• 4.1 引言45
• 4.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)等效電學(xué)模型45-46
• 4.3 數(shù)字式接口電路設(shè)計(jì)46-60
• 4.3.1 系統(tǒng)框圖及時(shí)序分析46-47
• 4.3.2 開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)47-49
• 4.3.3 前級(jí)電荷放大器設(shè)計(jì)49-52
• 4.3.4 相位補(bǔ)償器設(shè)計(jì)52-53
• 4.3.5 積分器設(shè)計(jì)53-56
• 4.3.6 量化器設(shè)計(jì)56-57
• 4.3.7 時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)57-60
• 4.4 數(shù)字式加速度計(jì)系統(tǒng)晶體管級(jí)仿真60-62
• 4.5 版圖設(shè)計(jì)及后仿62-63
• 4.6 本章小結(jié)63-64
• 結(jié)論64-66
• 參考文獻(xiàn)66-71
• 致謝71

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 劉云濤;劉曉為;陳偉平;吳群;;Design and noise analysis of a sigma-delta capacitive micromachined accelerometer[J];半導(dǎo)體學(xué)報(bào);2010年05期

2 張睿;;微機(jī)械加速度計(jì)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)[J];東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào);2007年01期

3 李圣怡,劉宗林,吳學(xué)忠;微加速度計(jì)研究的進(jìn)展[J];國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào);2004年06期

4 曹新平,張大成,黃如,張興,王陽(yáng)元;一種大厚度的三軸差分電容式硅微加速度計(jì)[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2002年06期

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本文編號(hào)：908290