电容式液位传感器ASIC设计

摘要

航天运载器推进技术发展迅速，运载器推进系统中广泛使用着无毒、无污染的低温液体推进剂。在航天运载器发射和升空过程中，需要对低温液体推进剂的液位高度进行准确的监测与测量，最常采用的方法之一是电容式液位测量法。电容式液位传感器由于其灵敏度高、稳定性强、动态响应好等优点，常常被应用于航空航天领域。通过测量电容式液位传感器的输出电容即可获得液位高度的相关信息。
　　目前国内航天运载火箭中电容式液位传感器的微弱电容检测电路多数采用传统电容测量电路结构，并且是采用电阻、电容等传统分立元件搭建的测量电路，因此测量精度较低（仅为10-14法拉量级）。传感器输出的微弱电容信号很容易被噪声信号所淹没，这严重限制了运载火箭液位测量的分辨率，无法满足新型运载火箭高精度液位测量的需求。而采用微电子工艺制造而成的专用集成电路（ASIC）具有体积小、精度高、集成度高和应用简便等特点，正在逐渐取代传统的分立元件测量电路。
　　本文采用0.5um CMOS工艺，设计了一款适用于航天运载火箭中电容式液位传感器的接口ASIC。该接口ASIC实现了对电容式液位传感器输出电容的线性检测，将传感器输出电容量转化为电压量输出。对微弱电容检测的高线性度测量，高电容检测分辨率进行了分析与研究。对接口ASIC整体电路的噪声特性进行了理论分析，并利用相关双采样技术消除电路的低频1/f噪声。完成驱动电路、前端电荷放大器、前级电压放大电路、相关双采样-保持电路、PI控制器、低通滤波器、三级运算放大器、CMOS开关和数字时钟电路模块的设计。利用Cadence Spectre对整体电路的功能和性能进行仿真，实现了传感器输出电容到ASIC输出电压的线性转换。电路仿真结果显示，当传感器输出电容范围为40pF~60pF时，ASIC电容检测非线性为0.01%，最大等效输出电容噪声密度为6.8aF/√Hz；当传感器输出电容范围为0.236pF~0.344pF时，ASIC电容检测非线性为0.04%，最大等效输出电容噪声密度为0.13aF/√Hz。该接口ASIC达到了高精度电容检测的要求，可以应用于很多其他类电容式检测传感器中。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究发展及现状分析

1.3 主要研究内容

第2章 电容式液位传感器ASIC系统级设计

2.1 引言

2.2 整体系统工作原理

2.3 ASIC整体电路噪声模型的建立与分析

2.4 整体电路电容检测线性度分析

2.5 本章小结

第3章 电容式液位传感器ASIC电路级设计

3.1 引言

3.2 接口ASIC整体电路的设计

3.3 ASIC模拟电路部分的设计

3.4 ASIC数字时钟电路的设计

3.5 本章小结

第4章 整体电路的仿真与优化

4.1 引言

4.2 整体电路的瞬态仿真

4.3 整体电路线性度仿真

4.4 整体电路输出噪声的仿真

4.5 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

声明

致谢