mems加速度传感器全差分读出电路的分析与设计

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1、学校代码10530学号201510121244分类号TN492密级公开硕士学位论文MEMS加速度传感器全差分读出电路的分析与设计学位申请人张航指导教师金湘亮教授学院名称物理与光电工程学院学科专业电子科学与技术研究方向集成电路设计二零一八年六月AnalysisandDesignofFullyDifferentialReadoutCircuitofaMEMSAccelerationSensorCandidateHangZhangSupervisorProfessorXiangliangJinCollegeSchool

2、ofPhysicsandOptoelectricEngineeringProgramElectronicsScienceandTechnologySpecializationIntegratedCircuitsDesignDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018摘要随着微机械系统(MicroElectroMechanicalSystem,MEMS)的日益发展，MEMS加速度传感器在石油勘探、导航应用、虚拟现实(Virtua

3、lReality,VR)等领域有广泛的应用。MEMS传感器读出电路主要通过检测MEMS电容传感器中电容差值的大小，并将其转换成电压信号，从而获得敏感质量块所受到的加速度大小。全差分读出电路是MEMS加速度传感器正常工作的基础，其精度决定了所有电路模块的最大性能。在实际设计中，选择合适的电路结构、设置稳定的电压以及较小的非理想因素(主要包括噪声)是重点需要解决的问题。为了达到上述要求，设计出的全差分电路显得尤为重要。本文针对传统MEMS加速度传感器在设计上的不足，对MEMS加速度传感器读出电路进行了研究，主要工作如

4、下：1)根据设计指标，基于标准的0.5-μmCDMOS工艺，设计了一种用于勘探石油的全差分电容式MEMS加速度传感器读出电路。该电路主要包括全差分电路、减法器、缓冲器、带隙基准源和多相时钟产生阵列5个模块。其中，全差分电路采用相关双采样技术，能抑制电路的噪声并获得更大的输出电压摆幅；缓冲器采用斩波稳定技术，能抑制输入噪声并实现电阻匹配及频带拓展；减法器是将缓冲器的同相输入和反相输入的电压进行减法运算，从而得到输出电压；带隙基准源由基本的级联电路组成，为前端电路和开关电路提供基准电压，以控制开关的开启与关断；多相时

5、钟产生阵列的时序可以通过编程实现，便于后续线性度的测试。仿真结果显示，该电路噪声较低，温漂系数较小，线性度较高。2)之后进行版图设计与流片测试。测试结果表明，电路的基准电压Vbg为1.32V，VRP为3.756V，开关中的12个时序均能通过示波器显示出来，均满足设计要求。关键词：全差分；噪声；带隙基准源；多相时钟产生阵列；静态测试IAbstractWiththedevelopmentofMicroElectroMechanicalSystem(MEMS),MEMSaccelerationsensorhasbeen

6、widelyusedinpetroleumexploration,navigationapplication,VirtualReality(VR)andotherfields.MEMSreadoutcircuitismainlythroughdetectofdifferentialcapacitancevalues,andthentransformitintoavoltagesignal,andthusobtainsensitivequalityblocksizeofacceleration.Thefulldif

7、ferentialreadoutcircuitisthebasisofMEMSaccelerationsensorworkingnormally.Itsprecisiondeterminesthemaximumperformanceofallcircuitmodules.Inthepracticaldesign,selectingtheappropriatecircuitstructure,settingstablevoltageandsmallnon-idealfactors(mainlyincludingno

8、ise)arethecoreproblemstobesolved.Inordertomeettheaboverequirement,thefullydifferentialcircuitisveryimportant.Inthisthesis,aimingattheshortcomingsofthetraditionalMEMSaccelerationsensorsare