论文题目: CMOS兼容风速风向传感器控制和检测电路的研究
论文类型: 硕士论文
论文专业: 微电子与固体电子学
作者: 程海洋
导师: 秦明
关键词: 工艺兼容风速计,恒温差控制,低失调低噪声放大器,斩波放大器
文献来源: 东南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 利用成熟的集成电路(IC)CMOS工艺及其新近发展的MEMS工艺能够在硅片上利用后处理制作各种机械结构,并为传感器和处理电路的片上集成,实现最终的片上系统(SOC)提供了现实依据。CMOS兼容硅热流量风速风向传感器利用成熟的CMOS工艺而实现传感器的低成本,同时能够通过片上控制电路和微弱信号测量电路与传感器结构的集成而可能实现智能化的传感器。基于硅的传感器灵敏度非常低,输出信号极其微弱,所有这些弱点都必须通过片上集成电路来弥补。本文针对传感器的工作原理,详细分析并设计了传感器的控制电路和传感器的微弱信号检测电路。本文采用的传感器是本实验室设计的采用温差型的测量原理,采用某种控制,将传感器表面加热,使之高于环境一定温度,通过测量风向对称点处由于风速的影响而产生的片上温差而得到风速和风向的信息。在控制电路设计中,主要讨论了三种模式,分别是恒功率模式,恒温差模式和温度平衡模式,针对传感器的结构和性能要求进行了恒温差控制电路的设计,在风速的测量范围内,通过闭环控制保持芯片温度高于环境温度设定值。通过仿真电路能够实现设计的功能。鉴于传感器采用热堆测量温差,输出信号为非常微弱的低频信号(在微伏量级),一般的CMOS工艺放大器由于严重的失调和噪声(特别是1 /f噪声)而无法胜任,需要设计片上低失调低噪声放大器,本文分析了现在两种主要的低失调低噪声电路技术(分别为自动补偿Auto ? zero和斩波Chopping )对失调和噪声的影响,具体针对传感器的信号要求进行了斩波放大电路的调制,预放,带通选择放大器,电压跟随和解调等各个部分的设计,电路使用Hspice进行了仿真优化,达到了微伏量级的残余失调和70 nV /Hz输入等效噪声PSD。设计的电路经过5μm P阱标准CMOS工艺流片。流片的电路进行了测试,并分析了存在的不足而改进了设计,进一步投入流水。本文同时还使用PCB构建版级控制和测量电路,传感器经过风洞测试,达到了23m /s的测量范围,并且360度内方向敏感,进一步证明了控制和信号检测方案的可行性。同时,芯片的流片也为实验室的片上电路集成进行了有益的探索,取得了宝贵的经验。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题背景和意义
1.2 本论文的主要工作
1.3 本章小结
第二章 CMOS 兼容风速计的结构和工作原理
2.1 CMOS 兼容风速计的结构分析
2.2 CMOS 兼容风速计的工作原理
2.2.1 热损失风速计
2.2.2 热温差风速计
2.2.2.1 速度和热边界层
2.2.2.2 风速和风向测量
2.3 CMOS 兼容风速计设计性能指标
2.4 CMOS兼容风速计控制和检测电路设计要求
2.4.1 CMOS 兼容风速计控制电路的要求
2.4.2 CMOS 兼容风速计信号测量电路的要求
2.5 本章小结
第三章 CMOS 兼容风速计的控制原理和电路设计
3.1 CMOS 兼容风速计控制电路的主要方式分析
3.1.1 恒定温度差(CTD)工作模式
3.1.1.1 恒温差工作模式理论模型
3.1.1.2 恒温差控制电路
3.1.2 恒定功率（CP）工作模式
3.1.2.1 恒定功率（CP）工作模式理论模型
3.1.2.2 恒功率控制电路
3.1.3 温度平衡（TB）工作模式
3.1.3.1 温度平衡（TB）工作模式理论模型
3.1.3.2 温度平衡的控制电路
3.2 恒温差（CTD）控制电路设计
3.2.1 恒温差控制电路构成
3.2.2 恒温差控制电路设计仿真
3.2.3 恒温差控制电路设计尺寸
3.3 本章小结
第四章 CMOS 兼容风速计的检测电路设计
4.1 CMOS 兼容风速计测量电路的要求
4.1.1 运算放大器的直流失调分析
4.1.2 运算放大器的噪声分析
4.1.2.1 热噪声
A 电阻热噪声
B MOS 管的热噪声
4.1.2.2 MOS 管中的1/f 噪声
4.2 微弱信号测量电路的主要技术
4.2.1 自动补偿技术（Auto zero）
4.2.1.1 自动补偿的基本原理
4.2.1.2 自动补偿对失调的影响
4.2.1.3 自动补偿对噪声的影响
4.2.1.4 自动补偿对放大器的噪声的影响
A 自动补偿技术对白噪声的影响
B 自动补偿技术对1/f 噪声的影响
4.2.2 斩波技术（Chopping）
4.2.2.1 电路的调制解调过程
4.2.2.2 斩波技术的基本原理
4.2.2.3 斩波放大器对失调的影响
4.2.2.4 斩波放大器对噪声的影响
A、斩波放大器对白噪声的影响
B 斩波技术对1/f 噪声的影响
4.2.3 低失调低噪声斩波放大器设计
4.2.3.1 斩波开关的设计
4.2.3.2 前置预放Preamp 的设计
4.2.3.2.1 线性化技术
A 使用线性电阻的源级负反馈
B 使用MOS 管的源级负反馈
4.2.3.2.2 前置放大器中的共模反馈
4.2.3.2.3 前置放大器的设计仿真
A 增益
B 传输特性
C 电源抑制
D 前置的噪声
4.2.3.3 带通选择放大器的设计
4.2.3.3.1 运算跨导放大器滤波器（（Gm-C）滤波器）
4.2.3.3.2 Gm-C 带通选择放大器的设计和仿真
4.2.3.3.3 带通滤波对残余失调的抑制
A 沟道电荷注入
B 时钟馈通
C 斩波放大器中的残余失调
D 斩波放大器的噪声
4.2.4 输出缓冲器（buffer）
4.2.5 整个斩波放大器的信号流程
4.3 本章小结
第五章 CMOS 兼容风速计的控制和检测电路工艺和版图设计
5.1 控制和检测电路的工艺条件
5.1.1 5 微米P 阱硅栅CMOS 工艺流程
5.1.2 制备工艺流程示意图
5.2 CMOS 兼容风速计控制和检测电路版图设计
5.2.1 CMOS 兼容风速计控制和检测电路版图中电容的考虑
5.2.2 控制电路的版图
5.2.3 信号检测斩波放大器版图
5.3 本章小结
第六章 CMOS 兼容风速计的测试
6.1 CMOS 兼容风速计控制和检测电路流片情况
6.2 CMOS 兼容风速计PCB 控制和测试电路的设计
6.2.1 CMOS 兼容风速计的恒温差控制
6.2.2 数据获取电路
6.3 CMOS 兼容风速计的测试装置
6.4 传感器测试结果与分析
6.4.1 控制电路输出风速测量
6.4.2 热堆输出风速风向测量
6.5 本章小结
第七章 结束语
致谢
参考文献
附录
作者简介（包括攻读硕士期间发表论文清单）
发布时间: 2007-06-11
参考文献
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