【摘 要】
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随着微电子机械系统(Micro-Electron Mechanical System,MEMS)传感器的飞速发展,其产品给我们的日常生活带来了巨大的改变。其中加速度计传感器应用尤为广泛,但是对于军工方面的加速度测量,常用加速度计的精度远远不够,且自检测功能无法满足应用需求,缺乏对传感器谐波失真性能的自检测。本文通过调研与分析,设计了一款具有数字自检测功能的高精度MEMS加速度计接口电路。首先对加速
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随着微电子机械系统(Micro-Electron Mechanical System,MEMS)传感器的飞速发展,其产品给我们的日常生活带来了巨大的改变。其中加速度计传感器应用尤为广泛,但是对于军工方面的加速度测量,常用加速度计的精度远远不够,且自检测功能无法满足应用需求,缺乏对传感器谐波失真性能的自检测。本文通过调研与分析,设计了一款具有数字自检测功能的高精度MEMS加速度计接口电路。首先对加速度计工作原理进行介绍,对非理想特性进行分析,并在SIMULINK工具箱中完成电路数学模型的建立,根据数学模型完成电路的晶体管级设计与仿真,最后基于0.35μm高压CMOS工艺对电路进行了版图绘制。在接口电路中,本文采用离散PID控制电路作为相位补偿器,保证了加速度计系统的闭环稳定性,同时提高了接口电路的环路增益,从而降低了输出信号在带宽内的奇次谐波分量,提高了电路信号检测的精度,并且与高压CMOS工艺相结合,通过提高静电力反馈电压,实现了更大的量程。本文采用由数字谐振器产生且经过sigma-delta调制的高精度的1bit正弦信号码流进行自检测,避免传统自检测中低失真DAC单元的设计,自检测信号自身信噪比可达120dB,高于现有机械振动台的模拟加速度信号的精度,保证了对传感器谐波失真的自检测质量,通过自检测输出信号频谱偶次谐波的大小对表头电容失配进行调整,改善传感器的谐波性能。在电路仿真中,接口电路对幅度为2g的正弦加速度信号,数字输出信号的功率谱密度的谐波失真为-130dB,整体信噪比达到了 112dB,等效加速度噪声为149.38ng/Hz。在自检测仿真中,当敏感结构有0.2pF的电容失配时,自检测输出信号二次谐波幅度为-118dB,远高于噪底,可以明显分辨出谐波失真,完成对加速度计谐波失真的自检测。最后采用0.35μm高压CMOS工艺进行接口电路模拟版图的绘制,并采用Design Compiler(DC)与Encounter软件对数字电路进行网表综合与版图布局,最终完成整体加速度计的版图。对版图进行后仿真,输入2g正弦加速度信号,输出码流信噪比为105dB,等效加速度噪声为325.69ng/Hz,完成了对加速度信号的高精度测量。对自检测功能进行后仿,表头电容失配0.2pF时,输出信号二次谐波失真分量为-117dB,可以明显的分辨传感器谐波失真。
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