低噪声低功耗传感器读出芯片的研究与设计

• 作 者: 李靖坤
• 机 构: 华侨大学
• 出 处: 华侨大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: 传感器读出芯片 仪表放大器 Σ-Δ调制器 数字抽取滤波器 开关电容电路

传感器读出芯片用来将传感器输出的微弱模拟信号转换为数字信号,被广泛应用于工业控制、仪器仪表、微处理器辅助接口等领域。本论文研究并设计了一款适用于超低频信号测量的低噪声低功耗传感器读出芯片,包括低噪声仪表放大器和模数转换器（ADC）两部分,设计重点难点在于对低频噪声的处理。本论文从传感器读出芯片的原理、架构、噪声和电路几个方面出发,对低噪声传感器读出芯片进行了深入研究。论文的主要工作概括如下:（1）基于双采样技术,提出了一种新的将仪表放大器嵌入到Σ-Δ调制器的开关电容积分器中的电路设计方案,降低了前端仪表放大器低频1/f噪声的同时,简化了电路结构,仪表放大器的输出端无需外接片外电容,减少了芯片的引脚个数和应用成本。（2）对传感器读出芯片中Σ-ΔADC的系统设计进行了研究,总结性地给出了低频窄带Σ-Δ调制器的系统设计流程,包括调制器系统架构的选取、噪声传递函数的设计和环路系数优化方法。采用该流程,能够得到功耗、噪声优化的低频窄带Σ-ΔADC系统。（3）深入分析了CMOS电路的噪声,对仪表放大器的窄带噪声进行了优化设计,并且采用相关双采样技术,降低了Σ-Δ调制器中第一级积分器的1/f噪声。（4）对Σ-ΔADC中的数字抽取滤波器进行了研究设计,使用verilog-HDL描述、自动综合、布局布线生成,可实现10/80Hz两种数据速率的切换,数据速率为10Hz时,能实现对50Hz和60Hz工频噪声的抑制。（5）采用UMC 0.11μm CMOS工艺进行电路设计,将芯片的电源电压从目前商用产品的2.7⁵.5V拓宽至1.7⁵.5V,扩大了芯片的应用场合,并降低了芯片的功耗。同时,完成了整体芯片的电路及版图设计,并提取寄生参数进行了后仿真验证。采用UMC 0.11μm 2P6M CMOS工艺进行了电路及版图设计,包含IO Pad的芯片总面积为1.6×1.4mm²。芯片供电电压1.7⁵.5V,内含LDO电路,除LDO外的其它电路工作在LDO提供的1.5V电压下,整个芯片消耗的电流为2.3mA,功耗小于3.8mW。后仿真结果表明,芯片输入端等效噪声为12nV/Hz^1/2,在10Hz数据速率下,有效位数达到了18.7-bits,满足了预定的设计目标。