哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

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1、工学硕士学位论文闭环微加速度计接口全差分ASIC电路的设计DESIGNONFULLDEFFERENTIALINTERFACECIRCUITFORCLOSED-LOOPMICRO-ACCELEROMENTER哈尔滨工业大学2009年6月国内图书分类号：TN432学校代码：10213国际图书分类号：621.3.049.774密级：公开工学硕士学位论文闭环微加速度计接口全差分ASIC电路的设计硕士研究生：导师：教授申请学位：工学硕士学科：微电子学与固体电子学所在单位：航天学院答辩日期：2009年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN432U

2、.D.C:621.3.049.774DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNONFULLDEFFERENTIALINTERFACECIRCUITFORCLOSED-LOOPMICRO-ACCELEROMENTERCandidate：LiHaitaoSupervisor：Prof.LiuXiaoweiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Microelectronicsandsolid-stateelectronicsAffiliatio

3、n：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2009Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要为了实现高性能闭环微加速度计检测系统，本文对全差分检测电路进行了研究。检测电路分为全桥平衡模块、电荷放大器模块、信号放大模块、相关双采样模块、采样保持模块、闭环反馈模块、低通滤波模块和数字时序控制模块。本文对电路各模块的具体设计方法给出了详细的分析和介绍，并对电路系统的误差电压和噪声做了详尽的分析，以这些理论分析结果来优化电路性能

4、。分析结果表明，对于给定的传感器结构，前级运放单位增益带宽和等效输入噪声、电荷放大器反馈电容、系统采样频率、参考电压源噪声、激发电压大小和前级运放输入端寄生电阻对电路性能影响很大。在实际设计中需要在灵敏度、量程、功耗、噪声、建立电压精度、工作带宽和信号保真度之间折衷。最终优化设计的电路等效输入噪声为1.63μg/√Hz，可以与传感器结构噪声相比拟。利用商用0.5μmCMOSDPDM18V/5V工艺库完成电路设计，采用Hspice进行电路仿真。仿真结果发现，全差分检测电路与单端检测电路相比，零点漂移最大减小了71.0%，线性度提高了62.5%。最终整体电路性能如下：

5、在±5V工作电压下，对于1kHz激发频率加速度输入，系统灵敏度为0.308V/g，零点漂移-1.456mV，非线性为0.03%。本文完成了版图设计，并从版图布局、器件匹配、噪声保护和可靠性设计几个方面对版图进行了优化设计，Hspice后仿真结果为：在±5V工作电压下，对于1kHz激发频率±1g加速度输入，系统灵敏度为0.269V/g，零点漂移-106.54μV。本文也研究了PID控制器对检测电路系统的影响，研究表明：PID控制器使系统线性提高了66.7%；对于阶跃信号输入，PID控制器使系统响应速度提高了31%，也减小了信号的稳态误差。加入PID控制器最终电路性能

6、为：对于1kHz激发频率下±1g加速度输入的信号输出，输出信号在1ms内达到稳定值，电路灵敏度为0.22V/g，系统零偏低于0.9mV。关键词：闭环微加速度计；低噪声；全差分；相关双采样；PID控制器-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractInordertorealizeahighperformanceclosed-loopmicro-accelerometersystem,thestudyonfull-differentialinterfacecircuitwastakeninthispaper.Thecircuitisdividedintofull

7、bridgemodule,chargesenseamplifiermodule,correlateddoublesamplingandholdingmodule,closed-loopfeedbackmodule,low-passfilterandtimecontrollingmodule.Theanalysisonerrorvoltageandnoisewaspresented,astheguidanceforcircuitoptimization.Theanalysisresultshowsthat,toagivensensorstructure,thepre

8、-ampl