基于连续时间反馈原理的闭环加速度计ASIC设计

摘要

微机械加速度计作为一种重要的惯性传感器，在惯性制导、汽车、消费电子等各领域都有广泛的应用前景。本文在对电容式闭环微机械加速度计的机械结构、信号检测原理及闭环工作原理详细分析的基础上，利用0.5μmCMOS工艺库完成了基于连续时间反馈的闭环加速度计系统ASIC设计。
　　基于连续时间反馈原理的闭环加速度计接口电路主要由3部分构成：信号检测与处理电路、反馈控制电路和波形产生电路。其中信号检测与处理电路主要包括电荷敏感放大器、高通滤波器、斩波解调电路、低通滤波器和仪表放大器，这部分电路能够完成输入加速度信号的检测、放大与输出等功能。系统的反馈控制由PID控制器来完成，PID控制能够调整反馈信号的幅度和相位，提高系统的稳定性并改善系统的动态特性。波形产生电路主要用于产生高频正弦载波和解调用时钟信号，并对时钟信号进行延时处理以保证其在解调时与输入信号保持相位一致。
　　利用理想动力学方程和加速度计结构参数建立了加速度计机械结构的等效电学模型，并将该电学模型与接口电路构成闭环传感器系统进行HSPICE仿真。由仿真结果可知：闭环系统的满量程范围为±2g，检测灵敏度为0.94V/g，最小可检测加速度值为10μg。
　　在具体电路设计的基础上，本文对闭环传感器系统建立了等效噪声模型，并对系统中主要的噪声源进行了详细的分析，得到了一些优化闭环系统噪声特性的重要结论。

目录

基于连续时间反馈原理的闭环加速度计ASIC设计

ASIC DESIGN BASED ON CONTINUOUS-TIME FEEDBACK FOR CLOSED-LOOP MICRO-ACCELEROMENTER

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1引言

1.2微机械加速度计国内外研究现状

1.2.1 微机械加速度计的分类

1.2.2国外研究现状

1.2.3国内研究现状

1.3 研究的目的及意义

1.4 研究内容

第2章 电容式闭环加速度计工作原理

2.1 电容式加速度计工作原理

2.1.1 电容式加速度计机械结构工作原理

2.1.2 电容式加速度计信号检测原理

2.2 电容式加速度计系统闭环反馈原理

2.3 本章小结

第3章 闭环系统总体设计及理想模型验证

3.1 闭环加速度计系统架构设计

3.1.1 微小差动电容检测方式分析比较

3.1.2 连续时间闭环反馈方式分析比较

3.1.3 系统架构总体设计

3.2 系统线性模型建立及传递函数分析

3.2.1 系统线性模型建立

3.2.2 系统传递函数分析

3.3 系统SIMULINK数学模型仿真及HSPICE电学模型仿真

3.3.1 闭环系统的SIMULINK数学模型建立与仿真验证

3.3.2 闭环系统的电学模型建立及HSPICE仿真验证

3.4 本章小结

第4章 闭环系统具体电路实现及仿真验证

4.1 信号检测与处理电路设计

4.1.1 电荷敏感放大器设计

4.1.2 高通滤波增益电路设计

4.1.3 斩波同步解调电路设计

4.1.4 低通滤波电路设计

4.1.5 仪表放大器设计

4.2 反馈控制电路设计

4.3 波形产生电路设计

4.3.1 正弦波振荡电路设计

4.3.2 延时电路与波形变换电路设计

4.4 整体电路仿真

4.5 本章小结

第5章 闭环加速度计系统噪声分析

5.1 闭环加速度计系统噪声模型

5.2 机械热噪声分析

5.3 电荷敏感放大器噪声分析

5.4 高通滤波器等效输入噪声分析

5.5 斩波同步解调噪声分析

5.6 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢