基于压力传感器的模拟前端电路设计

摘要

随着半导体技术的发展，压阻式压力传感器凭借着体积小、重量轻、灵敏度高的特点得到了日益广泛的应用。低功耗应用中的压阻式压力传感器通常要求较小的静态功耗，故传感器里电阻的阻值一般较大，电源电压较低，导致传感器的输出电压较小，因此它的输出信号需要模拟前端先进行信号放大和转换，再由后续系统进行处理。 本文基于0.18μm CMOS工艺，设计了一个应用于压阻式压力传感器的模拟前端。首先，本文基于一款应用于触控屏的压阻式压力传感器的输出特性，逐步分析并确定了模拟前端的整体结构。为了降低功耗与面积，本文的模拟前端采用了双通道设计，每个通道内均有可编程运算放大器（PGA）和逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）来实现对不同幅度信号的放大与量化，文中对模拟前端的工作时序进行了介绍。然后，本文详细介绍了模拟前端中SAR ADC的设计，核心模块包括DAC、比较器、预放大器、共模电压产生电路。DAC采用了一种阻容混合型结构以更好地实现面积与性能的折中，文中对DAC的工作原理、非理想因素进行了详细的分析；文中对比较器的失配进行了介绍，并采用了失调电压较低的静态比较器；通过对常见失调校准技术的分析与对比，与本设计相结合，确定了本设计的比较器失调校准方案，并依据失调校准的需求设计了一个高增益的全差分放大器；共模电压产生电路由电阻分压电路和一个接成单位增益负反馈结构的高增益运放构成，文中对该运放的结构进行了详细的分析。 最后，本文对ADC和模拟前端进行了版图仿真。仿真结果表明：在采样频率116kHz，输入频率57kHz，电源电压2.8V，TT工艺角下ADC的有效位数达到了9.99位，信噪失真比为61.9dB，无散杂动态范围为75.57dB。整个模拟前端面积约为0.88mm2，正常工作时电路总电流约为2.19mA，且模拟前端可完成对微弱信号的放大与转换。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 模拟前端电路的国内外研究历史与现状

1.2.1 学术界研究现状

1.2.2 工业界研究现状

1.3 本文的主要内容与结构安排

第二章 压阻式压力传感器

2.1 传感器的特性

2.1.1 传感器的静态特性

2.1.2 传感器的动态特性

2.2 压力传感器的分类

2.2.1 压电式压力传感器

2.2.2 电容式压力传感器

2.2.3 压阻式压力传感器

2.3 压阻式压力传感器的工作原理

2.3.1 压阻效应

2.3.2 电桥输出分析

2.4 本章小结

第三章 模拟前端设计

3.1 模拟前端典型结构

3.2 模拟前端的总体设计

3.2.1 模拟前端的设计需求

3.2.2 模拟前端的整体结构

3.3 模拟前端的时序设计

3.4 模数转换器的设计

3.4.1 整体结构及工作时序

3.4.2 数模转换器

3.4.3 比较器

3.4.4 失调校准

3.4.5 预放大器

3.4.6 共模电压产生电路

3.5 本章小结

第四章 版图实现与仿真

4.1 版图设计注意事项

4.1.1 阱边界效应

4.1.2 浅槽隔离压力效应

4.1.3 寄生效应

4.1.4 天线效应

4.2 整体布局与版图

4.3 版图仿真结果

4.3.1 模数转换器仿真结果

4.3.2 模拟前端仿真结果

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文主要工作与贡献

5.2 本文局限

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果