電容傳感器廣泛應(yīng)用于溫濕度、壓力、位置、成分等測(cè)量中,涉及的領(lǐng)域包括生物醫(yī)學(xué)、汽車電子等。電容傳感器包括前端感應(yīng)元件和電容讀取電路,由于感應(yīng)元件不消耗靜態(tài)功耗,電容傳感器的主要功耗來源于讀取電路。并且隨著電容傳感器的發(fā)展應(yīng)用,電容傳感器待測(cè)電容值可能為pF量級(jí)甚至是更小的量級(jí),因此對(duì)電容讀取電路的研究具有重要的意義。本文設(shè)計(jì)了一款基于sigma-delta調(diào)制的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）。本設(shè)計(jì)CDC系統(tǒng)框架包含感應(yīng)電容Cx和sigma-delta調(diào)制器,其中感應(yīng)電容Cx直接作為sigma-delta調(diào)制器第一級(jí)采樣電容,實(shí)現(xiàn)電容-數(shù)字轉(zhuǎn)化。本設(shè)計(jì)的sigma-delta調(diào)制器是CDC的核心模塊,采用3階CIFF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先利用Matlab軟件搭建系統(tǒng)級(jí)理想模型,通過公式迭代、仿真并綜合考慮各級(jí)積分器輸出擺幅,合理確定各級(jí)增益系數(shù)。行為級(jí)仿真充分考慮了 kT/C熱噪聲、運(yùn)放有限直流增益等非理想因素,為MOS管級(jí)電路實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。管級(jí)電路實(shí)現(xiàn)方面,為了彌補(bǔ)本設(shè)計(jì)較小參考電容0.4pF,補(bǔ)償電容Coff與感應(yīng)電容Cx采用反相的激勵(lì)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),使得CDC輸入電容為Cx-Coff,即“zoom-... 

【文章來源】：福州大學(xué)福建省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：84 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖２－丨平行板電容圖??

２．?１．１電容感應(yīng)元件模型??在不同的應(yīng)用場(chǎng)合中，電容感應(yīng)元件的特性存在很大的不同。為了更好??的理解電容感應(yīng)元件，需要一個(gè)電氣模型。圖２－２所示為電容感應(yīng)元件模型【２８】，??除了電容本身，還包括了一個(gè)寄生并聯(lián)電阻Ｒｘ和電容兩端的寄生電容Ｃｐｌ、??Ｃｐ２。由于電容本身并不消耗靜態(tài)功耗，因而電容傳感器非常適用于能耗受限??的低功耗應(yīng)用中。對(duì)于電容傳感器系統(tǒng)的能量效率來說，寄生電容尤其重要，??因?yàn)樗鼈儍A向于增加能量消耗。通過將前端傳感器和讀取電路集成到單個(gè)芯??片上或單個(gè)封裝中，是提高能源效率的重要途徑。但是對(duì)于感應(yīng)電容和讀取??電路并不集成在同一芯片時(shí)，即感應(yīng)電容置于片外的情況，寄生電容Ｃｐｌ、Ｃｐ??很大程度是由于電容與片內(nèi)讀取電路接觸端口引線的寄生電容引起的【２９］，而??且〇＾和Ｃｐ２可能存在不對(duì)稱的情況。所以，在讀取電路的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮。??Ｒｘ???Ｗ???Ｃｘ???ＩＩ?＾??Ｃｐ２?二二?－－?Ｃｐｌ??－＝ｒ?ｔ??圖２－２電容感應(yīng)元件模型??在許多情況下

量化是對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行量化處理，將模擬輸入信號(hào)的幅值進(jìn)行離散化的??過程量化時(shí)輸入信號(hào)與輸出量化值存在差值，這個(gè)差值稱為量化誤差或??量化噪聲【３４］。圖２－３所示為理想的無限精度的量化曲線和量化噪聲圖，Ａ為量??化步長(zhǎng)。??Ｙ?〇ｕ??Ｘ??；！?！?！??！?，?（ａ）［?Ｊ??；｜ｃｎ（ｎ）ｔ?；?｜??Ｉ?］?＋Ａ／２?ｊ??＜ｂ）??圖２－３?（ａ）理想量化曲線（ｂ）量化噪聲??則量化噪聲ｅ（ｎ）表示為：??ｅ（ｎ）?＝Ｙ〇？ｒ＾ｉ？?公式（２－６）??由圖（ｂ）可以看出，噪聲在（－Ａ／２，Ａ／２）的范圍內(nèi)變化。當(dāng)輸入信號(hào)信號(hào)落在??量化中心時(shí)，量化噪聲為０；當(dāng)輸入信號(hào)處于量化邊緣時(shí)，量化噪聲ｅ（ｎ）＝±Ａ／２。??通常量化噪聲被假設(shè)為模擬加性白噪聲ｌ３５Ｌ??ＩＩ??

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]基于CMOS工藝的集成微電容式傳感器研究[D]. 王陽.安徽大學(xué) 2012
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碩士論文
[1]全差分電容式傳感的CMOS讀出電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 劉孟良.湘潭大學(xué) 2015
[2]MEMS電容傳感器信號(hào)處理ASIC研究與設(shè)計(jì)[D]. 江儒龍.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2009
[3]C/V集成電容型濕度傳感器接口電路設(shè)計(jì)[D]. 陳建春.哈爾濱理工大學(xué) 2009
[4]Sigma-delta電容式微加速度傳感器系統(tǒng)研究[D]. 王瑰琦.西安電子科技大學(xué) 2009
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本文編號(hào)：3534602