用于数字加速度计电容检测电路的研究与设计

摘要

当前加速度计广泛应用于汽车、工业自动化、航空航天及其它众多领域。相比于压阻式加速度计，电容式加速度计以其低温度灵敏性而大受欢迎。另外，和模拟加速度计相比，数字加速度计具有无需额外的ADC就可以直接进行误差矫正和补偿的优势成为主流选择。
　　传统的数字加速度计电容检测电路有两个重要的模块，电容-电压转化器（C/V）及其后级的电压-数字转换器（V/D）。但是这种组合存在着三个主要的缺点：第一，转换为电压这种方式很容易受环境因素（如温度），以及电路自身噪声的影响；第二，在大多数的电容检测电路中，C/V模块都消耗着相当多的功耗，因为它需要较大的带宽和很高的增益以实现低噪声的输出，这是低功耗设计很不希望的。第三，由于在MEMS制造过程中会存在大的工艺偏差，传感器敏感结构的基础电容可能会有很大变化，这将会给前端C/V设计带来很大的难题。因此，本文提出了一个新的检测电路系统，通过将敏感结构与Sigma-Delta调制器结合来解决上述的问题。
　　在本文提出的检测电路系统中，敏感结构的差分电容被用作Sigma-Delta调制器的采样电容。差分电容的变化直接转换成了Sigma-Delta环路中的误差信号，因而这里就不再需要把电压作为转换中介。该结构还有另一个好处，前端运放仅仅是一个简单的集成运放，而不再是需要消耗掉大量功耗的C/V，因此，有效降低了系统的功耗。同时为了解决前端输入共模的问题，本文也提出了一个适当的输入共模补偿反馈电路。
　　本文提出的电容检测电路可以做成为开环系统和闭环系统两种电路形式。论文中，这两种电路形式也都以标准CMOS工艺为基础进行了实现。仿真结果显示，开环系统的信噪比达到了101dB，而闭环系统的信噪比达到了102dB，可以实现16.6位的检测精度。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 微加速度计中电容的检测方法

1.3 数字Sigma Delta微机电加速度计接口电路的研究现状

1.4 本文的创新及主要工作

1.5 本文的结构

1.6 本章小结

第二章 加速度计电容检测电路设计基础

2.1 加速度计电容检测及静电力反馈

2.2 Sigma Delta调制器的基本原理

2.3 本章小结

第三章 系统方案设计

3.1 电荷Sigma Delta调制器

3.2 开环数字加速度计电容检测电路

3.3 闭环数字加速度计电容检测电路的设计

3.5 本章小结

第四章 系统模块实现

4.1 积分器的设计

4.2 运算放大器

4.3 比较器

4.4 开关

4.5 非重叠时钟的产生电路

4.6 求和电路

4.7 系统的版图设计

4.8 本章总结

第五章 系统整体仿真结果

5.1 系统仿真结果

5.2 本章小结

第六章 总结及展望

6.1 工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果