Sigma Delta数字加速度计中谐波失真分析及优化

摘要

随着微电子技术应用的大量普及，微型化和数字化已经成为加速度计发展的主要趋势。Sigma-delta数字加速度计通过Sigma-delta调制技术可实现较高精度模数转换，从而便于与数字模块进行接口，为此，Sigma-delta加速度计得到广泛研究和应用。然而，当前Sigma-delta加速度计研究依然存在许多瓶颈，其中谐波失真便是影响其性能的一个重要因素。在加速度计许多应用场所，比如地震勘探，对谐波失真性能有着严格的要求。因此，关于加速度计谐波失真的研究对于提升加速度计性能具有重要意义。
　　本文在对加速度计检测原理、Sigma-delta调制原理进行分析的基础上，给出了四阶前馈Sigma-delta加速度计的系统结构，并建立了Simulink理想模型，通过行为级仿真结果表明SNDR为94.6dB，有效位数ENOB为15.42bits。以此为基础，结合非线性系统谐波失真产生机理，对加速度计中机械敏感单元、静电力反馈、积分器、开关等各个模块的非线性进行分析，建立了其非线性模型，分别对其进行了行为级仿真验证；最终建立了系统整体的非线性模型，并对其谐波失真进行了分析，优化调整后系统基底噪声约为-140dB，各次谐波失真约为-110dB。
　　在Simulink行为级设计的基础上，基于0.5μm CMOS工艺条件，完成了四阶Sigma-delta加速度计接口电路晶体管级的设计与仿真，并针对谐波失真对开关、运放等模块的非线性进行优化，电路级仿真结果显示系统基底噪声约为-120dB，各次谐波分量均降低在-100dB以下，这表明系统具有较好的谐波抑制能力。最后，针对电学部分的谐波失真进行了电路级的分析，从而进一步验证谐波失真理论分析结果，并得到一些优化措施。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究发展及现状

1.3 主要研究内容

第2章 Sigma-delta数字加速度计工作原理

2.1 引言

2.2 电容式机械敏感单元检测原理

2.3 Sigma-delta调制原理

2.4 谐波失真产生机理

2.5 本章小结

第3章 Sigma-delta数字加速度计系统级设计与谐波失真分析

3.1 引言

3.2 Sigma-delta数字加速度计系统级设计与理想模型建立

3.3 Sigma-delta数字加速度计谐波失真分析

3.4 Sigma-delta数字加速度计系统谐波失真综合分析与优化

3.5 本章小结

第4章 Sigma-delta数字加速度计接口电路设计与谐波失真分析

4.1 引言

4.2 四阶Sigma-delta数字加速度计接口电路整体结构

4.3 开关设计与优化

4.4 运放设计

4.5 前级检测读出电路设计与仿真

4.6 后级模数转换电路设计

4.7 四阶Sigma-delta数字加速度计接口电路整体仿真

4.8 电学部分谐波失真分析与优化

4.9 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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