五階高Q值高穩(wěn)定數(shù)字加速度計接口電路設(shè)計.pdf

1、噪聲在μg級別的高分辨率加速度計有著廣泛的應(yīng)用，包括慣性導航，空間微重力測量，傾斜控制，平臺穩(wěn)定，地震監(jiān)測等方面。電容式加速度計因其高靈敏度，低溫度系數(shù)，低功耗，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，所以，適合于低噪聲加速度系統(tǒng)設(shè)計。在接口電路方面，微機械ΣΔ數(shù)字接口電路由于其結(jié)構(gòu)簡單、受模擬電路部分精度的影響小、輸出數(shù)字信號等優(yōu)點得到關(guān)注。
　　本文設(shè)計一款五階高Q值高穩(wěn)定的數(shù)字式加速度計接口電路。系統(tǒng)其等效輸入噪聲近似為0.4μg/√Hz。高Q值敏

2、感結(jié)構(gòu)導致二階機械結(jié)構(gòu)處于欠阻尼狀態(tài)，增加表頭的反應(yīng)延遲。另外，根據(jù)相關(guān)文章，高階ΣΔ電路在降低量化噪聲的同時，降低了環(huán)路的穩(wěn)定性。因此本文的設(shè)計難點在于系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計。為了解決此問題，本文主要從兩方面入手，一是在環(huán)路中增加相位補償模塊。另一方面，系統(tǒng)采用多反饋式結(jié)構(gòu)并采用掃描參數(shù)的方法獲取穩(wěn)定的環(huán)路參數(shù)。在理論分析的基礎(chǔ)上，采用Q值為38.9的敏感結(jié)構(gòu)結(jié)合三個開關(guān)電容積分器構(gòu)成五階的微機械ΣΔ式數(shù)字接口環(huán)路。利用Simulink建立

3、系統(tǒng)模型完成行為級仿真，輸出信號的噪聲接近-140dB左右，信噪比為119.1dB，有效位數(shù)為19.49bits。以行為級仿真的結(jié)果為指導，采用0.5μmCMOS工藝完成相關(guān)模塊的晶體管級電路設(shè)計，包括前端電荷檢測放大器、相位補償模塊、積分器、量化器、系統(tǒng)時序控制電路和開關(guān)等，以及系統(tǒng)整體設(shè)計。對加速度計系統(tǒng)的晶體管級瞬態(tài)仿真結(jié)果處理得到的輸出信號噪聲接近-140dB，諧波為-124.6dB，信噪比為105.8dB，有效位數(shù)為17bit