大量程加速度计读出电路设计与研究

论文摘要

鉴于国内所研究的加速度传感器理论值较大,而实际所测加速度值较小的现状,本文设计了一种应用于闭环模式的电容式加速度传感器的读出电路,利用了静电力反馈及调制解调等原理改善了读出电路的性能,从而大大提高了读出电路的量程,并且是基于标准CMOS工艺设计,能实现单片集成。论文首先分析了读出电路的原理,比较了读出电路的开环模式和闭环模式这两种状态之后,选取了闭环工作模式的读出电路,并且推导出了此时读出电路的量程。然后,完成了对读出电路各模块的设计。前置运算放大器的实现对信号的预放大,滤波器采用开关电容的方式实现,输出放大器采用大输出摆幅的两级运放,并利用米勒电容和调零电阻的补偿技术使运放具有好的频域特性。其次,分析了读出电路主要单元的噪声机制,并针对噪声原理采用了降低和消除噪声的方法。通过调制解调的方式滤除低频噪声,并对调制解调进行了频域分析。最后,利用Cadence基于SMIC 0.35μm 5V的工艺库对读出电路各模块及整体电路进行了仿真。根据仿真结果,各个模块都达到了系统指标。滤波器,前置运放,解调运放以及后级运放的开环增益均大于66dB,相位裕度均大于45°,符合系统指标要求。对于70g的最大输入,整体仿真结果表明,对于后级为1PF的采样电容,建立值为3.92V,线性度小于1%。结果表明,利用静电力反馈模式,设计的读出电路量程达到了70g,线性度小于1%,可以用于航空航天及惯性制导等领域,具有重大的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 立题依据及论文的主要内容
• 第二章 加速度传感器及其读出原理
• 2.1 加速度传感器的力学模型及原理
• 2.1.1 电容式加速度传感器
• 2.1.2 开环模式
• 2.1.3 闭环模式
• 第三章 读出电路模块设计
• 3.1 静电力反馈网络
• 3.2 滤波器
• 3.2.1 无源RC 滤波器
• 3.2.2 有源滤波器
• 3.2.3 开关电容电路
• 3.2.4 开关电容电路的误差及消除
• 3.3 前置放大器
• 3.3.1 运放的结构
• 3.3.2 放大电路结构
• 3.4 解调电路
• 3.5 输出放大级
• 3.5.1 两级运放
• 第四章 读出电路噪声及消除
• 4.1 噪声的影响
• 4.1.1 热噪声
• 4.1.2 MOS 晶体管的沟道热噪声
• 4.1.3 1/f 噪声
• 4.2 读出电路噪声分析
• 4.3 调制与解调
• 4.3.1 正弦波调制
• 4.3.2 方波调制
• 4.3.3 开关相敏解调
• 4.3.4 采样解调
• 第五章 仿真与验证
• 5.1 系统指标的确定
• 5.2 运放仿真结果
• 5.3 系统仿真结果
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的科研成果