高精度sigma-delta微加速度计接口asic芯片研究

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1、博士学位论文高精度SIGMA-DELTA微加速度计接口ASIC芯片研究RESEARCHONTHEINTERFACEASICFORHIGH-PRECISIONSIGMA-DELTAMICROACCELEROMETER徐宏林哈尔滨工业大学2015年12月国内图书分类号：TN432学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文高精度SIGMA-DELTA微加速度计接口ASIC芯片研究博士研究生：徐宏林导师：刘晓为教授申请学位：工学博士学科：微电子学与固体电子学所在单位：航天学院答辩日期：2015年12月授予

2、学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN432U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEINTERFACEASICFORHIGH-PRECISIONSIGMA-DELTAMICROACCELEROMETERCandidate：XuHonglinSupervisor：Prof.LiuXiaoweiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：Micro

3、electronicsandSolid-StateElectronicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：December,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要具有数字输出功能的高精度Sigma-Delta(ΣΔ)微加速度计在军事和民用领域有着广泛的应用，采用开关电容方式实现的闭环数字微加速度计接口电路能够和CMOS工艺兼容，且信噪比高、带宽大、线性度好，是惯性传感器接口电路的

4、研究热点之一。高精度的数字微加速度计是地震检波器中的关键元件之一，开展高性能闭环数字微加速度计接口电路研究，对于提高其整体性能，提升传感器接口电路领域的技术水平具有重要意义。目前数字微加速度计接口电路在相关理论研究和设计方面有待改进，在噪声理论、谐波失真模型及其验证、亚μg噪声密度接口电路实现等方面还有待进一步的研究。本文针对高性能数字微加速度计的这些关键问题进行深入研究，实现高精度闭环微加速度计接口电路芯片。在开展数字微加速度计噪声理论分析时，确定主要的电路噪声来源，建立一种准确的噪声模型。现有的噪声模型在计算运放噪声影响时

5、，选择忽略尾管热噪声对整体噪声的贡献。本文通过引入影响因子将尾管热噪声考虑进来，提升模型的准确性。在分析运放带宽对接口电路的噪声影响时，综合考虑运放建立精度和噪声混叠效应的影响，选择合适的运放带宽。通过实验测试验证了本文的噪声理论模型的准确性。关于ΣΔ微加速度计谐波失真的研究一直集中于行为级模型的Simulink仿真。本文引入运放的直流增益模型，基于质量块位移到电容变化的非线性解析出前级电荷转换关系式。结合非线性静电力反馈关系式，建立一种准线性的闭环ΣΔ微加速度计谐波失真理论模型。设计一种开关电容自检测电路，替代传统的测试方法

6、来验证该谐波失真模型。该模型经过仿真和测试验证，能够为ΣΔ微加速度计参数设计提供理论指导。采用高品质因数（Q值）敏感结构和高阶调制器的数字微加速度计在实现高精度输出的同时存在稳定性问题，本文从以下几个方面来解决：(1)设计有源前置补偿器电路进行深度相位补偿，改善系统响应；(2)将调制器局部反馈因子设计成片外可调，使接口电路能够适用于不同的机械结构，消除工艺误差的影响；(3)通过参数优化和增益按比例缩放技术，降低积分器输出信号摆幅，有利于稳定环路增益。在噪声模型和谐波失真模型的指导下，完成闭环高精度ΣΔ微加速度计接口专用集成电路

7、（ASIC）芯片设计，主要包含低噪声电荷放大器、相关双采样和保持电路、有源前置补偿器、调制器和时钟分频电路等。采用标准的0.5μm-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文两层金属两层多晶N阱CMOS工艺流片，采用5V电压供电时，功耗13mW，传感器噪声密度小于1μg/Hz1/2，灵敏度2.5V/g，量程±0.7g。采用7V电压供电时功耗上升到23mW，等效输入加速度噪声密度小于200ng/Hz1/2，带宽300Hz，灵敏度约1.896V/g，量程±1.2g。1Hz带宽下动态范围高达136dB，非线性0.15%，偏置稳定性约18μg

8、。本文关于闭环高精度ΣΔ微加速度计接口电路的理论研究和电路设计工作能够为高性能微加速度计的技术进步提供重要的借鉴意义，有着广阔的市场推广和应用价值。关键词：高精度；ΣΔ微加速度计；接口电路；噪声模型；谐波失真理论模型-II-AbstractAbstractHigh-preci