低噪声低功耗微电容读出电路的优化与设计.pdf

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1、第23卷第8期传感技术学报V01．23No．8CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSAug．20102010年8月OptimizationandDesignofLow--NoiseLow—-PowerMicrocapacitanceReadoutCircuitCHAIXuzhao，GUXiaofeng，DAIHuanSUXiaobo，YUZongguang'(2：．CET。。C58，Wux～iJiangsu214035’CJhiainag一‰MChina；)，Abst

2、ract：Basedonthechopper—stabilizedtechnique．thecapacitancematchingandmulti—stageoptimizationmeth-odsareemployedtooptimizethenoiseandpowerdissipationofthemicrocapaeitancereadoutcircuitforMEMSmi—crosensor．Accordingtotheoptimizationanalysis，thedual—chopper

3、stabilizedcircuitisdesignedandsuccessfullyverifiedbyCadenceSpectreinCSMC0．5LLmCMOSprocess．Simulationresuhsindicatethattheresolutionofmi—crocapacitancedetectionisintheorderofmagnitudeaF，andthecapacitancevariationSHOWSalinearrelationwiththeoutputvoltagev

4、ariation．Theoutputvoltageoffsetisonly38．9andtheequivalentinput-referrednoiseisabout17nV／Hz。．Underthe5Vsupply，thepowerconsumptionisonly2．5mW，andtheoutputdelayis6．29．Keywords：microsensor；readoutcircuit；chopper—stabilizedtechnique；sensingcapacitanceEEACC：

5、1220；2570Ddoi：10．3969／j．issn．1004—1699．2010．08．012低噪声低功耗微电容读出电路的优化与设计木柴旭朝，顾晓峰，戴欢，苏小波，于宗光，1．江南大学信息工程学院，江苏无锡214122；、＼2．中国电子科技集团总公司第58研究所，江苏无锡214035／摘要：结合斩波稳定技术，通过电容匹配和多级优化的方法分别对用于MEMS微传感器的微电容读出电路的噪声性能和功耗进行了优化。基于优化分析采用两级斩波稳定电路结构，在CSMC0．5mCMOS工艺下，用CadenceS

6、pectre进行了仿真验证。结果表明能精确检测出aF(10F)量级的微电容，输出电压变化量与电容变化量呈线性关系，并且输出失调电压仅为38．9V，等效输入噪声电压为17nV／Hz。在5V电源电压下功耗仅为2．5mW，输出延时为6．29Ixs。关键词：微传感器；读出电路；斩波稳定技术；检测电容中图分类号：TN432；TN722．7．7文献标识码：A文章编号：1004—1699(2010)08—1102—04小型化、低成本的MEMS传感器不仅广泛应用对MEMS传感器的读出电路已有不少研究，其在国防、汽车

7、交通和生物医学等领域，在快速发展的中开关电容读出电路在电容性MEMS传感器的接口消费类电子产品上也呈现出巨大的市场前景J。电路中得到了较广泛的应用J，但是KT／C噪声和就MEMS传感器的检测机制而言，电容检测相比其噪声折叠严重影响了电路的噪声性能。Lemkin等人它方法有功耗低、温度稳定性高、与CMOS工艺兼容采用相关双采样技术消除KT／C噪声，但采样带来等优点。但由于电容性传感器具有较小的检测的噪声折叠仍难以消除。连续时问读出电路也是常电容和机械灵敏度，低噪声读出电路的设计成为实采用的一种电路结构

8、，其中连续时间电压读出电路由现高分辨率微传感器的关键。同时，随着无线于具有较好的噪声性能，应用最为广泛。Wu传感网和消费电子市场的增长，低功耗日渐成为一等人采用斩波稳定技术，通过电容匹配从理论上对电个的重要设计指标。噪声和灵敏度进行优化，实现了50p~g／Hz的低噪声项目来源：教育部新世纪优秀人才支持计划资助(NCET一06—0484)；教育部留学回国人员科研启动基金资助(教外司留[2008]890)；江南大学自主科研计划资助(JUSRP20914)收稿日期：2009