哈尔滨工业大学工学硕士学位论文.doc

工学硕士学位论文
闭环微加速度计接口全差分
ASIC电路的设计
DESIGN ON FULL DEFFERENTIAL INTERFACE CIRCUIT FOR CLOSED-LOOP MICRO-ACCELEROMENTER

哈尔滨工业大学
2009年6月
国内图书分类号:TN432 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工学硕士学位论文
闭环微加速度计接口全差分
ASIC电路的设计
硕士研究生
:

导师
:
教授
申请学位
:
工学硕士
学科
:
微电子学与固体电子学
所在单位
:
航天学院
答辩日期
:
2009年6月
授予学位单位
:
哈尔滨工业大学
Classified Index: TN432
:
Dissertation for the Master Degree in Engineering
DESIGN ON FULL DEFFERENTIAL INTERFACE CIRCUIT FOR CLOSED-LOOP MICRO-ACCELEROMENTER
Candidate:
Li Haitao
Supervisor:
Prof. Liu Xiaowei
Academic Degree Applied for:
Master of Engineering
Speciality:
Microelectronics and solid-state electronics
Affiliation:
School of Astronautics
Date of Defence:
June, 2009
Degree-Conferring-Institution:
Harbin Institute of Technology
摘要
为了实现高性能闭环微加速度计检测系统,本文对全差分检测电路进行了研究。
检测电路分为全桥平衡模块、电荷放大器模块、信号放大模块、相关双采样模块、采样保持模块、闭环反馈模块、低通滤波模块和数字时序控制模块。本文对电路各模块的具体设计方法给出了详细的分析和介绍,并对电路系统的误差电压和噪声做了详尽的分析,以这些理论分析结果来优化电路性能。分析结果表明,对于给定的传感器结构,前级运放单位增益带宽和等效输入噪声、电荷放大器反馈电容、系统采样频率、参考电压源噪声、激发电压大小和前级运放输入端寄生电阻对电路性能影响很大。在实际设计中需要在灵敏度、量程、功耗、噪声、建立电压精度、工作带宽和信号保真度之间折衷。/√Hz,可以与传感器结构噪声相比拟。
利用商用 CMOS DPDM 18V/5V工艺库完成电路设计,采用Hspice进行电路仿真。仿真结果发现,全差分检测电路与单端检测电路相比,%,%。最终整体电路性能如下:在±5V工作电压下,对于1kHz激发频率加速度输入,,零点漂移-,%。
本文完成了版图设计,并从版图布局、器件匹配、噪声保护和可靠性设计几个方面对版图进行了优化设计,Hspice后仿真结果为:在±5V工作电压下,对于1kHz激发频率±1g加速度输入,,零点漂移-。
本文也研究了PID控制器对检测电路系统的影响,研究表明:%;对于阶跃信号输入,PID控制器使系统响应速度提高了31%,也减小了信号的稳态误差。加入PID控制器最终电路性能为:对于1kHz激发频率下±1g加速度输入的信号输出,输出信号在1ms内达到稳定值,,。
关键词:闭环微加速度计;低噪声;全差分;相关双采样;PID控制器
Abstract
In order to realize a high performance closed-loop micro-accelerometer system, the study on full-differential interface circuit was taken in this paper.
The circuit is divided into full bridge module, charge sense amplifier module, correlated double sampling and holding module, closed-loop feedback module, lo