一款MEMS加速度计读出电路的研究与设计

摘要

MEMS加速度传感器是一种用来测量微小加速度变化的惯性器件，是一项以尺寸小、可靠性高、智能化和高集成度为突出优势的关键技术，广泛应用于物联网、电子机械、工业生产、航空航天等领域。本文针对低噪声、高精度、宽输出范围这一应用需求，需要进一步提高MEMS加速度传感器性能，考虑到检测电容变化量小，这对读出电路提出了很高的要求，本论文针对MEMS微小加速度传感器的读出电路进行了深入研究。 首先，根据加速度传感器机械部分的结构和特点，建立等效电容模型，实现了传感器和接口电路整体模拟的可能，并详细分析从加速度变化到电容变化的过程。通过对不同电容式传感器读出方式进行分析与研究，在综合比较各种读出方式的优缺点后，选择全差分开关电容检测方式为最优读出结构。并且对该检测方式存在的主要非理想因素进行详细分析，并给出相应的解决方法。 接着，设计了一种适用于MEMS电容式微加速度计读出电路的全差分开关电容型可变增益电荷放大电路。为降低运放有限增益、运放输入直流失调电压以及低频噪声的影响，采用带有相关双采样（CDS）功能的开关电容增益电路，本文对采用开关电容型检测电路的差模、共模以及噪声特性做了详细分析。为了达到系统的精度和输出范围，通过采用全差分折叠式共源共栅运算放大器，并对该运放的交流特性、频率特性以及噪声做了详细分析。同时，通过增加开关电容共模反馈电路来提高运放的工作稳定性并降低读出电路功耗。紧接着，对工艺稳定性优良的时钟模块进行设计，从而实现高效控制时序开关的导通、闭合。同时，对基准模块进行研究与设计，并通过不同工艺角条件下仿真验证。 最后，采用DongBu HiTek0.18μm CMOS工艺，在5.0V电源电压下利用Spectre软件对主要模块及整体读出电路进行了仿真验证，验证结果表明，在典型工艺角下，运放的开环直流增益达到72.05dB，单位增益带宽4.57MHz，相位裕度85.5°，等效输入噪声4.41nV/√Hz，全差分可变增益开关电容检测电路的四个档位输出差分电压的理论值与实测值的误差保持在0.9%以内，基准模块温度系数保持在22ppm/℃以内，上电后进入稳定态时间小于1.5μs。模拟差分输出电压摆幅2.94V，模拟差分输出信噪比21dB，满足设计要求。最终本文基于0.18μm，5.0V CMOS工艺对整体读出电路的版图进行了设计。

目录

第一个书签之前