五阶低噪声ΣΔ加速度计接口电路设计

论文摘要

微加速度计被广泛应用于汽车工业、医疗器械行业与航空宇航等领域。通过将电容式微加速度计引入ΣΔ闭环系统中,可以直接获得加速度信号的数字输出。正是由于这一优势,ΣΔ加速度计已经成为了近年来国内外研究的热点。高阶ΣΔ机电系统的设计难点在于拓扑结构不能提供足够自由度以及机械结构具有较大的工艺误差。本文在建立了加速度计机械结构离散模型的基础上,对比分析了常见ΣΔ机电系统的拓扑结构。通过对传统结构的改进,分别提出了不受自由度限制的单反馈和多反馈拓扑结构。仿照ΣΔ电学调制器的设计方法,给出一种详细的高阶ΣΔ机电系统的系统级设计流程。按照所提出的流程,设计了五阶ΣΔ加速度计系统。通过理论上的对比分析以及软件仿真,得到多反馈结构在机械结构误差容忍度和稳定性方面优于单反馈系统的结论。采用多反馈结构方案,在Matlab动态仿真环境Simulink下仿真得到系统在满量程下输出信号的信噪比可达124dB,信号带宽内噪声水平在-160dB以下。按照系统模型,通过合理的设计时序,给出了五阶ΣΔ加速度计接口电路的整体方案。信号检测部分采用开关电容电荷放大器,通过理论推倒得到前端运算放大器输入管尺寸的最优值来减小噪声。利用相关双采样（CDS）技术消除了低频噪声和直流失调。根据系统性能需求,对积分器、比较器以及各个开关进行了设计。在Spectre软件中对整体电路进行晶体管级仿真,得到系统信号带宽内的噪声水平在-140dB左右,相比之前发表的四阶系统,性能得到大幅提升。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 国内外研究发展及现状
• 1.3 主要研究内容
• 第二章 ΣΔ力反馈加速度计的工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 电容式加速度计的数学模型
• 2.3 电容式加速度计的信号检测原理
• 2.3.1 差分电容检测
• 2.3.2 相关双采样
• 2.4 闭环加速度计的静电反馈原理
• 2.5 ΣΔ调制原理
• 2.5.1 过采样
• 2.5.2 噪声整形
• 2.6 ΣΔ力反馈加速度计
• 2.7 本章小结
• 第三章 ΣΔ加速度计系统的设计与分析
• 3.1 引言
• 3.2 ΣΔ加速度计系统的离散模型
• 3.2.1 分时反馈下机械结构的离散模型
• 3.2.2 分时反馈对系统的影响
• 3.3 ΣΔ机电系统的拓扑结构
• 3.3.1 单反馈结构
• 3.3.2 多反馈结构
• 3.3.3 不受自由度限制的多反馈方案
• 3.3.4 不受自由度限制的单反馈方案
• 3.4 五阶ΣΔ加速度计系统
• 3.4.1 高阶ΣΔ机电系统的设计流程
• 3.4.2 多反馈五阶ΣΔ加速度计系统
• 3.4.3 单反馈五阶ΣΔ加速度计系统
• 3.5 本章小结
• 第四章 五阶ΣΔ加速度计接口电路的设计
• 4.1 引言
• 4.2 接口电路的工作原理
• 4.2.1 整体电路方案
• 4.2.2 机械结构的系统仿真模型
• 4.2.3 理想电路系统的仿真
• 4.3 电路模块设计
• 4.3.1 MOS 开关的设计
• 4.3.2 运放的设计
• 4.3.3 比较器的设计
• 4.4 系统仿真结果
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢