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Sigma-delta电容式微加速度传感器系统研究

作　者: 王瑰琦
导　师: 胡辉勇
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微机电系统微加速度传感器 sigma-delta调制器
分类号: TP212.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

微加速度传感器是MEMS的重要研究领域之一,在工业控制、环境监控、汽车系统以及生物医疗诊断等众多领域有着广泛的应用。电容式微加速度传感器是一种典型的MEMS产品,有关它的建模、仿真和优化设计研究,对于提高产品性能、缩短研制周期、降低成本有着极为重要的意义。本文基于国内外电容式微加速度传感器的结构特点,分析了微机械结构和闭环微加速度传感器工作原理,研究了sigma-delta调制技术,在此基础上建立了sigma-delta电容式微加速度传感器系统模型。系统采用sigma-delta二阶调制器结构对信号进行模数转换。同时调制器提供反馈信号,实现了电容式微加速度传感器系统的闭环工作模式。本文对系统级非理想因素进行了详细分析。文中在SIMULINK环境下构造了传感器系统的非理想因素模型,为了满足行为级对sigma-delta电容式微加速度传感器系统的仿真需要,建立了非理想情况下整体系统的仿真模型,并且分别验证了单一非理想因素对系统的影响。仿真结果表明,考虑到所有非理想因素的影响,最坏情况下,系统信噪比达到76dB,可以实现12位精度。本文设计了二阶调制器具体电路结构。着重论述了调制器的关键电路工作原理以及设计思想。基于0.35umCMOS标准工艺,设计了运算放大器、开关电容电路、积分器、比较器、时钟产生等电路模块。通过HSPICE电路级仿真,验证了模块的正确性。文中所设计系统模型和调制器电路均达到设计要求,可以实现ug分辨率加速度传感器的功能。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第一章绪论  9-13
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 国内外相关研究进展  10-12
  1.3 论文意义与主要内容  12-13
第二章 SIGMA-DELTA ADC调制器  13-25
  2.1 Sigma-Delta调制  13-18
    2.1.1 sigma-delta调制原理  13-14
    2.1.2 过采样  14-15
    2.1.3 噪声整形  15-17
    2.1.4 sigma-delta调制器分类  17-18
  2.2 sigma-delta调制器系统结构  18-21
    2.2.1 一阶sigma-delta调制器  18-19
    2.2.2 二阶sigma-delta调制器  19-21
  2.3 sigma-delta ADC电学特性  21-23
  2.4 小结  23-25
第三章电容式微加速度传感器工作原理  25-35
  3.1 微机械结构分类  25-27
  3.2 电容式微机械结构  27-31
    3.2.1 电容式微机械结构动力学分析  27-28
    3.2.2 电容式微机械结构工作原理  28-29
    3.2.3 电容式微机械结构性能参数  29-30
    3.2.4 电容式微机械结构电学模型  30-31
  3.3 闭环微加速度传感器  31-34
    3.3.1 闭环测量原理  32-33
    3.3.2 闭环传感器的传递函数  33-34
  3.4 小结  34-35
第四章传感器系统建模与仿真  35-55
  4.1 sigma-delta电容式微加速度传感器模型  35-37
  4.2 理想系统仿真模型  37-41
    4.2.1 系统仿真模型概述  37
    4.2.2 sigma-delta调制器模型  37-39
    4.2.3 机械结构的传递函数  39
    4.2.4 系统模型输出  39-41
  4.3 系统级非理想因素建模与仿真  41-48
    4.3.1 时钟抖动  41-42
    4.3.2 采样开关热噪声  42-43
    4.3.3 运算放大器的噪声  43-44
    4.3.4 运算放大器有限增益与饱和电压  44-45
    4.3.5 运算放大器压摆率和带宽  45-46
    4.3.6 积分器的非理想特性  46-47
    4.3.7 比较器的非理想特性  47-48
  4.4 非理想状态下系统建模  48-52
  4.5 小结  52-55
第五章 SIGMA-DELTA调制器电路设计  55-67
  5.1 总体电路结构  55
  5.2 积分器设计  55-62
    5.2.1 积分器结构设计  55-57
    5.2.2 运算放大器设计  57-60
    5.2.3 开关设计  60-61
    5.2.4 电容设计  61-62
  5.3 非重叠时钟设计  62
  5.4 比较器设计  62-64
  5.5 系统仿真结果  64-65
  5.6 小结  65-67
第六章结束语  67-69
  6.1 结论  67
  6.2 下一步工作建议  67-69
致谢  69-71
参考文献  71-73

Sigma-delta电容式微加速度传感器系统研究

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