mems加速度传感器数字闭环伺服电路的系统建模

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1、学校代码10530学号201330101209分类号TN791密级公开硕士学位论文MEMS加速度传感器数字闭环伺服电路的系统建模学位申请人张锋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二零一六年五月Systemmodelingofdigitalclosed-loopreadoutcircuitforMEMSaccelerationsensorCandidateZhangFengProfessorXiangliangJinSupervisorCollegeSchoolof

2、PhysicsandOptoelectricEngineeringDesignofIntegratedCircuitProgramSpecializationElectronicScienceandTechnologyDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateMay,2016摘要MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统）加速度传感器是深部油气、金属矿勘探的主体设备和地震数据采集系统的核心器件，但是供应市场基本

3、被国外垄断，其中MEMS地震检波器读出电路设计为一项关键技术。MEMS加速度传感器的精度高，体积小易集成的特性在地质勘探中受到特殊的应用。MEMS加速度传感器又称微加速度计，有压阻式以及电容式等多种不同的结构，其中电容式加速度应用广泛，国内的大部分伺服电路都是围绕电容式加速度计来做的。伺服系统主要分为两个部分，模拟部分和数字部分。对于模拟部分，伺服系统根据有无反馈可分为开环和闭环两个控制方式。开环的控制方式相对简单，当加速度信号较微弱时可以采用，但是线性度较差。闭环的控制方式是加了负反馈的，线性度优势明显。更重要

4、的是闭环控制可以使质量块始终处于平衡位置。伺服系统大致分为三种模式，调制器组成的环路滤波结构，电路把电容信号转化为电压信号，再经过放大和调制处理。再者就是基于运算跨导放大器连续时间电流伺服电路，最后一种就是开关电容电荷伺服电路。本文的MEMS系统采用闭环Sigma-delta结构，利用调制解调的方法，进行MEMS读出电路的建模。对于数字抽取滤波部分，通过MATLAB设计各级抽取滤波器参数并分别进行仿真验证。此系统分为三部分级联结构：第一部分为CIC抽取滤波器，此部分完成高抽取和抗混叠。第二部分是补偿滤波器，此部分

5、补偿上一级滤波器通带部分的衰减，并进一步抽取。第三部分为等波纹FIR滤波器，此部分完成系统精细滤波。在硬件实现上通过ISE、Modelsim对其FPGA实现方案进行仿真和分析，最后在FPGA（Spartan-6E）芯片上对系统进行上电验证，与仿真结果相比低3dB。本文主要分析了读出电路建模的结构，并且对此系统进在Cadence里进行实际电路的设计以及最后的流片工作。关键词：MEMS电容式加速度计Sigma-delta闭环反馈差动式检测IAbstractMEMSaccelerationsensorisanessen

6、tialpartoftheseismicexplorationequipment.However,thesupplymarketislargelymonopolizedbyforeigncountries.ThedesignofthereadoutcircuitoftheMEMSgeophonesisakeytechnology.Thepurposeofthispaperistostudythedecimationfilteringsectionofthereadoutcircuitanddesignanopti

7、mizeddigitalfilterwhichhasanexcellentfrequencyresponseforseismicdatawithlowpowerconsumptionforequipment.MEMStechnologyhasbeenappliedtothefieldsofdeepoilexploration,seismicdetection.ManyofresearchesforimprovingtheperformanceofMEMSaccelerationsensorhadbeenputfo

8、rward.MEMSaccelerationsensoranditsvariouskindsofgoodperformancehasbeenwidelyusedinmilitaryandcommercialequipment,itincludesMEMSaccelerationsensorsanditsread-outcircuits.Thebackgroundofthi