基于数字电路的二阶Σ-Δ调制微加速度计.pdf

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1、2015年第34卷第l期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)91DOI：10．13873／J．1000-9787(2015)01-0091-03基于数字电路的二阶-△调制微加速度计李洋，黎晓林，吴健，周晓峰，车录锋(1．中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室，上海2000502．中国科学院大学，北京100039)摘要：为了简化模拟电路部分的设计，减少模拟电路的干扰，提出了一种基于数字电路的∑一△调制微加速度计。在传统由纯模拟电路搭建的∑一△接口电路基础上，将基于运算放大器的比例放大、微分、积分电路使用现场可编程

2、门阵列(FPGA)进行实现。使用分立元件搭建了PCB板级电路，实现了采样频率为50kHz的二阶∑一△闭环调制接口电路。测试结果表明：该加速度计灵敏度为1．4V／，系统基带内闭环噪声密度小于400／Hz“。关键词：数字电路；微加速度计；∑一A；现场可编程门阵列中图分类号：TN402文献标识码：A文章编号：1000-9787(2015)01-0091-032nd．order．Amodulationmicro-accelerometerbasedondigitalcircuitLIYang，。，LIXiao．1in，WUJian，ZHOUXiao．feng，CHELu．feng(1．State

3、KeyLaboratoryofTransducerTechnology，ShanghaiInstituteofMicrosystemsandInformationTechnology，ChineseAcademyofSciences，Shanghai200050，China；2．UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100039，China)Abstract：Inordertosimplifydesignofanalogcircuitandreduceinterferenceofanologcircuit，a∑一Amodulationmi

4、cro—accelerometerbasedondigitalcircuitispresented．Fieldprogrammablegatearray(FPGA)isusedtoimplementthePIDcircuitbasedonstructureoftraditional∑-Ainterfacecircuitdesignedwithpureanalogcircuit．PCBcircuitisdesignedanda2nd—order∑-Aclosed—loopinterfacewithitssamplefrequency50kHzisbuilt．Testresultsshowt

5、hatsensitivityofaccelerometeris1．4V／g，andtheclosed—loopnoisedensityislessthan400g／Hz．Keywords：digitalcircuit；micro—accelerometer；∑一A；FPGA0引言会较明显增大电路设计难度。为了简化模拟电路部分的设∑一△调制结构由于其精度高的特性，在低速高精度计，减少模拟电路的干扰，Colibrys公司的DangYufeng等ADC中已经被广泛采用。随着MEMS技术的不断发展，加提出了使用数字滤波代替模拟积分器方法l。速度计在性能方面也有了很大的提升，例如：采用真空本文设计

6、了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的二封装的三明治结构的电容式微加速度计就具有高灵敏度、阶一△调制微加速计，使用数字电路替代部分模拟电路，大动态范围和低热机械噪声等优点J。高性能微加速度将基于运算放大器的PID电路和单比特比较电路使用FP—计通常采用带有静电力反馈的单比特∑一△调制电路作为GA进行数字实现，降低了模拟电路的结构复杂度，减少了其接口电路。模拟电路的噪声。在现有∑一△调制接口电路中，基本都是基于由运算放1系统结构大器、模拟开关等器件组成的全模拟电路进行PID运算和所研究的数字∑一△调制微加速度计的接口电路基本单比特比较。由于∑．△调制电路的系统稳定性会随着系结构同传统纯模

7、拟电路．△调制结构相类似，具体系统结统阶数的提高而降低，高阶∑一△调制电路的稳定条件更为构如图1所示。其中，微加速度计为硅一硅键合三明治结苛刻E41。在这种情况下，模拟电路中存在的各种寄生效应构，由上下固定极板和中间可动极板构成。上下两极板通收稿日期：2014-05—15基金项目：国家自然科学基金资助项目(41304143)；国家“863”计划资助项目(2012AA061102)感器与微系统第34卷过模拟开关与正负参考电压相连接，以