高精度SIGMA-DELTA微加速度計接口ASIC芯片研究.pdf

1、具有數(shù)字輸出功能的高精度Sigma-Delta(ΣΔ)微加速度計在軍事和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，采用開關(guān)電容方式實現(xiàn)的閉環(huán)數(shù)字微加速度計接口電路能夠和CMOS工藝兼容，且信噪比高、帶寬大、線性度好，是慣性傳感器接口電路的研究熱點之一。高精度的數(shù)字微加速度計是地震檢波器中的關(guān)鍵元件之一，開展高性能閉環(huán)數(shù)字微加速度計接口電路研究，對于提高其整體性能，提升傳感器接口電路領(lǐng)域的技術(shù)水平具有重要意義。
　　目前數(shù)字微加速度計接口電路在相關(guān)理

2、論研究和設(shè)計方面有待改進，在噪聲理論、諧波失真模型及其驗證、亞μg噪聲密度接口電路實現(xiàn)等方面還有待進一步的研究。本文針對高性能數(shù)字微加速度計的這些關(guān)鍵問題進行深入研究，實現(xiàn)高精度閉環(huán)微加速度計接口電路芯片。
　　在開展數(shù)字微加速度計噪聲理論分析時，確定主要的電路噪聲來源，建立一種準(zhǔn)確的噪聲模型?，F(xiàn)有的噪聲模型在計算運放噪聲影響時，選擇忽略尾管熱噪聲對整體噪聲的貢獻。本文通過引入影響因子將尾管熱噪聲考慮進來，提升模型的準(zhǔn)確性。在分析

3、運放帶寬對接口電路的噪聲影響時，綜合考慮運放建立精度和噪聲混疊效應(yīng)的影響，選擇合適的運放帶寬。通過實驗測試驗證了本文的噪聲理論模型的準(zhǔn)確性。
　　關(guān)于ΣΔ微加速度計諧波失真的研究一直集中于行為級模型的Simulink仿真。本文引入運放的直流增益模型，基于質(zhì)量塊位移到電容變化的非線性解析出前級電荷轉(zhuǎn)換關(guān)系式。結(jié)合非線性靜電力反饋關(guān)系式，建立一種準(zhǔn)線性的閉環(huán)ΣΔ微加速度計諧波失真理論模型。設(shè)計一種開關(guān)電容自檢測電路，替代傳統(tǒng)的測試方法

4、來驗證該諧波失真模型。該模型經(jīng)過仿真和測試驗證，能夠為ΣΔ微加速度計參數(shù)設(shè)計提供理論指導(dǎo)。
　　采用高品質(zhì)因數(shù)（Q值）敏感結(jié)構(gòu)和高階調(diào)制器的數(shù)字微加速度計在實現(xiàn)高精度輸出的同時存在穩(wěn)定性問題，本文從以下幾個方面來解決：(1)設(shè)計有源前置補償器電路進行深度相位補償，改善系統(tǒng)響應(yīng)；(2)將調(diào)制器局部反饋因子設(shè)計成片外可調(diào)，使接口電路能夠適用于不同的機械結(jié)構(gòu)，消除工藝誤差的影響；(3)通過參數(shù)優(yōu)化和增益按比例縮放技術(shù)，降低積分器輸出信號

5、擺幅，有利于穩(wěn)定環(huán)路增益。
　　在噪聲模型和諧波失真模型的指導(dǎo)下，完成閉環(huán)高精度ΣΔ微加速度計接口專用集成電路（ASIC）芯片設(shè)計，主要包含低噪聲電荷放大器、相關(guān)雙采樣和保持電路、有源前置補償器、調(diào)制器和時鐘分頻電路等。采用標(biāo)準(zhǔn)的0.5μm兩層金屬兩層多晶N阱CMOS工藝流片，采用5V電壓供電時，功耗13mW，傳感器噪聲密度小于1μg/Hz1/2，靈敏度2.5V/g，量程±0.7g。采用7V電壓供電時功耗上升到23mW，等效輸入加