Sigma-delta数字加速度计中噪声测试分析及优化

摘要

微加速度计由于其广阔的研究和应用前景，以及巨大的军事和民用价值，逐渐成为微传感器领域关注的焦点。在各类加速度计中，电容式Sigma-delta加速度计凭借高精度、低功耗、结构简单、噪声特性好、能良好兼容标准CMOS工艺等优点，在离散时间系统中得到广泛应用。随着信息化技术的飞速发展，集成化、闭环工作、直接数字输出等工作方式成为当前研究的热点之一。而高性能的接口电路是实现高性能加速度计的关键，因此，开展Sigma-delta数字加速度计接口电路的研究具有重要的理论与应用意义。
　　噪声特性是高精度微加速度计最重要的性能指标之一。本文分析了Sigma-delta数字加速度计的系统结构与工作原理，选择五阶分布式反馈型Sigma-delta数字加速度计进行深入研究，并对开关热噪声、折叠热噪声、运放噪声、积分器噪声与量化噪声等加速度计接口电路的主要噪声源进行了细致的原理分析、噪声建模，并讨论了各类噪声之间的相互作用。以理论分析为基础计算出加速度计系统的等效输出噪声，通过测试芯片的静态噪声特性验证了理论分析与计算的准确性。
　　本文在Matlab的Simulink平台上完成了Sigma-delta数字加速度计的系统级噪声优化设计，采用四阶前馈求和结构替代五阶分布式反馈结构，在提高环路增益的同时保证了稳定性。减小电荷放大器中的反馈电容值，提高前级增益。加入相关双采样电路，抑制低频干扰。通过减小前级运放的带宽与等效输入噪声，来降低折叠热噪声。本设计采用0.5μmCMOS工艺实现，电源电压5V，在Cadence中完成了各模块电路的设计，并利用Spectre工具对整体电路进行了模拟仿真。仿真结果表明，Sigma-delta数字加速度计系统各模块工作正常，加速度计闭环等效输出噪声约为100nV/Hz1/2，500Hz带宽内信噪失真比为94.5dB。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容

第2章 Sigma-delta数字加速度计的噪声分析

2.1 闭环ΣΔ数字加速度计概述

2.2 机械噪声

2.3 信号检测电路噪声

2.4 相关双采样电路噪声

2.5 积分器噪声

2.6 量化噪声

2.7 噪声源的相互作用

2.8 本章小结

第3章 Sigma-delta数字加速度计的系统级优化设计

3.1 等效五阶闭环Sigma Delta数字加速度计芯片的噪声计算

3.2 芯片测试环境

3.3 芯片测试结果

3.4 加速度计结构的优化设计

3.5 主要噪声源的系统级模型

3.6 带主要噪声源的加速度计行为级仿真

3.7 本章小结

第4章Sigma-delta数字加速度计的电路模块设计

4.1 表头机械敏感结构

4.2 电荷放大器

4.3 相关双采样电路

4.4 电学调制器

4.5 前馈求和电路

4.6 相位补偿电路

4.7 量化器

4.8 本章小结

第5章Sigma-delta数字加速度计电路系统的仿真分析

5.1 加速度计整体电路仿真

5.2 加速度计闭环输出频谱

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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