MEMS电容式加速度计连续型闭环读出电路的研究与设计

来源 :北京工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ljy2010
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微机械加速度计是一种广泛应用于消费电子、汽车安全保护和军事安全等领域的核心部件,具有广泛的市场应用前景。其中连续型结构的闭环加速度计读出电路,由于其线性度高、动态范围大、结构简单、容易集成、成本低、不需数字处理等优点而成为当今研究的热点。  本文针对适用于MEMS电容的连续型闭环加速度计读出电路进行研究与设计,设计一款加速度计读出电路,其主要指标为:线性度小于0.5%,噪底小于10μg/√Hz,信号带宽为0-200Hz,调零输出小于3mV。本文主要工作内容包括:  (1)分析了加速度计MEMS电容敏感单元的结构及工作原理,并对其建立数学模型。在此基础上,对闭环加速度计电路的结构及工作原理做了研究与分析,并选取了连续型闭环结构作为研究对象。  (2)对闭环加速度计系统的噪声做了分析,建立噪声模型,并创新设计了两次相关双采样技术来降低噪声。分析了加速度计环路的稳定性,设计了增加PD控制器对加速度计环路做稳定性补偿的方法。  (3)在理论分析的基础上,完成了加速度计环路读出电路的设计,包括电容电压转换器、增益放大器、采样保持电路、PD控制器等电路模块,特别对电容电压转换器中的低噪声放大器做了重点设计,并对加速度计整体环路进行仿真。  (4)完成加速度计读出电路版图设计,并在TSMC0.35μm标准CMOS工艺流片。最后,完成加速度计测试系统设计,并进行测试。  加速度计读出电路部分后仿结果显示:电路噪底为:9.1μg/√Hz,线性度为:0.28%,功耗为:13.75mW。该芯片与北京大学研制的MEMS敏感结构组成的加速度计系统进行联合测试,测试结果显示:加速度计系统可以实现稳定工作,其零偏输出为:2mV,量程为:[-1.8g,1.8g],灵敏度为:0.8922V/g,噪底为:6.9μg/√Hz。  本文着眼于连续型闭环加速度计读出电路的设计,并且在设计中对闭环加速度计系统的非理想性分析做了探索。文中所采用的设计方法及对测试结果的对比分析,对其它闭环加速度计读出电路的设计提供一定借鉴意义。
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