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大量程加速度计读出电路设计与研究

作　者: 周江云
导　师: 杨谟华
学　校: 电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 加速度传感器大量程静电力反馈噪声
分类号: TH824.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

鉴于国内所研究的加速度传感器理论值较大,而实际所测加速度值较小的现状,本文设计了一种应用于闭环模式的电容式加速度传感器的读出电路,利用了静电力反馈及调制解调等原理改善了读出电路的性能,从而大大提高了读出电路的量程,并且是基于标准CMOS工艺设计,能实现单片集成。论文首先分析了读出电路的原理,比较了读出电路的开环模式和闭环模式这两种状态之后,选取了闭环工作模式的读出电路,并且推导出了此时读出电路的量程。然后,完成了对读出电路各模块的设计。前置运算放大器的实现对信号的预放大,滤波器采用开关电容的方式实现,输出放大器采用大输出摆幅的两级运放,并利用米勒电容和调零电阻的补偿技术使运放具有好的频域特性。其次,分析了读出电路主要单元的噪声机制,并针对噪声原理采用了降低和消除噪声的方法。通过调制解调的方式滤除低频噪声,并对调制解调进行了频域分析。最后,利用Cadence基于SMIC 0.35μm 5V的工艺库对读出电路各模块及整体电路进行了仿真。根据仿真结果,各个模块都达到了系统指标。滤波器,前置运放,解调运放以及后级运放的开环增益均大于66dB,相位裕度均大于45°,符合系统指标要求。对于70g的最大输入,整体仿真结果表明,对于后级为1PF的采样电容,建立值为3.92V,线性度小于1%。结果表明,利用静电力反馈模式,设计的读出电路量程达到了70g,线性度小于1%,可以用于航空航天及惯性制导等领域,具有重大的意义。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章引言  9-13
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
  1.3 立题依据及论文的主要内容  12-13
第二章加速度传感器及其读出原理  13-21
  2.1 加速度传感器的力学模型及原理  13-21
    2.1.1 电容式加速度传感器  13-14
    2.1.2 开环模式  14-16
    2.1.3 闭环模式  16-21
第三章读出电路模块设计  21-39
  3.1 静电力反馈网络  21
  3.2 滤波器  21-30
    3.2.1 无源RC 滤波器  22
    3.2.2 有源滤波器  22-26
    3.2.3 开关电容电路  26-29
    3.2.4 开关电容电路的误差及消除  29-30
  3.3 前置放大器  30-33
    3.3.1 运放的结构  30-32
    3.3.2 放大电路结构  32-33
  3.4 解调电路  33-34
  3.5 输出放大级  34-39
    3.5.1 两级运放  34-39
第四章读出电路噪声及消除  39-50
  4.1 噪声的影响  39-41
    4.1.1 热噪声  39-40
    4.1.2 MOS 晶体管的沟道热噪声  40
    4.1.3 1/f 噪声  40-41
  4.2 读出电路噪声分析  41-44
  4.3 调制与解调  44-50
    4.3.1 正弦波调制  44-46
    4.3.2 方波调制  46-47
    4.3.3 开关相敏解调  47-49
    4.3.4 采样解调  49-50
第五章仿真与验证  50-60
  5.1 系统指标的确定  50-51
  5.2 运放仿真结果  51-53
  5.3 系统仿真结果  53-60
第六章结论  60-62
致谢  62-63
参考文献  63-65
攻读硕士期间取得的科研成果  65-66

大量程加速度计读出电路设计与研究

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