全差分电容式传感的CMOS读出电路设计与实现

摘要

MEMS加速度传感器以其各种优越的性能在军事与商业设备中得到广泛应用，它包括MEMS传感器和IC读出电路两部分。近年来，由于其高精度、高稳定性在精密仪器探测中得到了特殊的应用。MEMS加速度传感器又称微加速度计，有压阻式和电容式等多种结构，但从综合性能看，电容式微加速度计的综合性能最优，同时检测差分电容变化的读出电路技术也非常成熟。微小电容读出电路可以分为三种：连续电压读出、连续电流读出与全差分开关电容读出电路。　　本研究主要内容包括：⑴前置电荷运算放大器、开关电容低通滤波器、输出缓冲器等模块结构选取与其设计；⑵带隙电压、带隙电流、8bits可编程补偿电容阵列与时钟模块结构选取与设计；⑶消除噪声与失调电压----斩波稳定技术被利用在前置电荷运算放大器中可以实现降低低频噪声，同时减少失调电压。对它们的原理进行了详细介绍，通过考虑非理想因素指出影响电容检测电路线性度、最小分辨率的主要因素，本系统为了检测更小的电容，低噪声要求也是全芯片系统的设计关键。设计过程采用了标准集成电路设计流程，验证了所有工艺脚下前后仿真，并进行了流片、封装和测试工作。主要测试了参考电压与参考电流的各项指标参数；系统时钟频率；线性度；全系统芯片信噪比测试。测试结果显示各项性能指标都能够满足设计要求。

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第1章 引言

1.1 电容式加速度传感器

1.2 电容检测技术

1.3 国内外研究现状

1.4 差分电容检查与全差分电容检查

1.5 研究意义

1.6 论文的主要工作

第2章 传感器读出电路的基本结构与实现原理

2.1 传感器读出电路系统结构

2.2 检测电路的优缺点对比

2.3 小结

第3章 全差分电容式传感器的读出电路系统设计

3.1 全差分检测电路实现基本原理

3.2 全差分检测电路运行模式

3.3 小结

第4章 电容式全差分传感器读出电路设计

4.1 参考电压与电流设计

4.2 传感器电容补偿阵列设计

4.3 前置电荷运算放大器设计

4.4 开关电容低通滤波器设计

4.5 输出缓冲器设计

4.6 MEMS电容读出整体电路的仿真与分析

4.7 小结

第5章 全差分电容式传感器读出电路流片、封装及测试

5.1 整体电路版图设计

5.2 全差分电容式传感器读出电路盖帽图

5.3 参考电源模块测试

5.4 全差分电容式传感器的读出电路测试

5.5小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

附录A 个人简历

附录B 学校期间发表的学术论文以及研究成果