Sigma-delta电容式微加速度传感器系统研究

摘要

微加速度传感器是MEMS的重要研究领域之一，在工业控制、环境监控、汽车系统以及生物医疗诊断等众多领域有着广泛的应用。电容式微加速度传感器是一种典型的MEMS产品，有关它的建模、仿真和优化设计研究，对于提高产品性能、缩短研制周期、降低成本有着极为重要的意义。 本文基于国内外电容式微加速度传感器的结构特点，分析了微机械结构和闭环微加速度传感器工作原理，研究了sigma-delta调制技术，在此基础上建立了sigma-delta电容式微加速度传感器系统模型。系统采用sigma-delta二阶调制器结构对信号进行模数转换。同时调制器提供反馈信号，实现了电容式微加速度传感器系统的闭环工作模式。本文对系统级非理想因素进行了详细分析。文中在SIMULINK环境下构造了传感器系统的非理想因素模型，为了满足行为级对sigma-delta电容式微加速度传感器系统的仿真需要，建立了非理想情况下整体系统的仿真模型，并且分别验证了单一非理想因素对系统的影响。仿真结果表明，考虑到所有非理想因素的影响，最坏情况下，系统信噪比达到76dB，可以实现12位精度。本文设计了二阶调制器具体电路结构。着重论述了调制器的关键电路工作原理以及设计思想。基于0．35umCMOS标准工艺，设计了运算放大器、开关电容电路、积分器、比较器、时钟产生等电路模块。通过HSPICE电路级仿真，验证了模块的正确性。文中所设计系统模型和调制器电路均达到设计要求，可以实现ug分辨率加速度传感器的功能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪 论

1.1研究背景

1.2国内外相关研究进展

1.3论文意义与主要内容

第二章 sigma-delta ADC调制器

2.1 sigma-delta调制

2.1.1 sigma-delta调制原理

2.1.2过采样

2.1.3噪声整形

2.1.4 sigma-delta调制器分类

2.2 sigma-delta调制器系统结构

2.2.1一阶sigma-delta调制器

2.2.2二阶sigma-delta调制器

2.3 sigma-delta ADC电学特性

2.4小结

第三章电容式微加速度传感器工作原理

3.1微机械结构分类

3.2电容式微机械结构

3.2.1电容式微机械结构动力学分析

3.2.2电容式微机械结构工作原理

3.2.3电容式微机械结构性能参数

3.2.4电容式微机械结构电学模型

3.3闭环微加速度传感器

3.3.1闭环测量原理

3.3.2闭环传感器的传递函数

3.4小结

第四章传感器系统建模与仿真

4.1 sigma-delta电容式微加速度传感器模型

4.2理想系统仿真模型

4.2.1系统仿真模型概述

4.2.2 sigma-delta调制器模型

4.2.3机械结构的传递函数

4.2.4系统模型输出

4.3系统级非理想因素建模与仿真

4.3.1时钟抖动

4.3.2采样开关热噪声

4.3.3运算放大器的噪声

4.3.4运算放大器有限增益与饱和电压

4.3.5运算放大器压摆率和带宽

4.3.6积分器的非理想特性

4.3.7比较器的非理想特性

4.4非理想状态下系统建模

4.5小结

第五章 sigma-delta调制器电路设计

5.1总体电路结构

5.2积分器设计

5.2.1积分器结构设计

5.2.2运算放大器设计

5.2.3开关设计

5.2.4电容设计

5.3非重叠时钟设计

5.4比较器设计

5.5系统仿真结果

5.6小结

第六章结束语

6.1结论

6.2下一步工作建议

致 谢

参考文献