闭环磁强计接口ASIC特性研究

论文摘要

磁通门磁强计作为一种弱磁场测量器件,广泛应用于军事、民用等领域。本文在分析磁通门磁强计工作原理的基础上,建立磁通门系统Simulink模型,验证所设计的接口电路方案,并对接口电路进行设计、前仿真、版图实现和芯片测试。本文采用平行双芯结构的磁通门磁强计,利用Matlab工具包,分别建立了磁通门开、闭环系统的Simulink模型,对其进行系统仿真,验证系统方案的可行性,并分析了各模块指标对系统性能的影响,比较了开、闭环系统各自的优缺点。接着建立了双芯探头的Hspice电学模型,以满足系统级电路仿真需求。根据电路方案设计接口电路,基于0.5μm CMOS工艺参数完成了磁通门ASIC接口单元设计,主要包括激磁电路和检测电路。其中激磁电路采用5kHz的正弦波;检测电路采用带阻负反馈方式提高接口电路信噪比;采用带通滤波器滤除基波和3次谐波噪声;采用开关相敏检波实现接口电路的相敏功能。最后,论文介绍了磁通门磁强计接口电路的版图设计及系统测试。本设计基于0.5μm N阱2P2M工艺MOS模型进行仿真,并投片加工。芯片测试结果显示,在5V供电电压下,本文研制的磁通门磁强计磁场测量范围为±90μT,灵敏度为16.5mV/μT,分辨率为35.7nT,功耗为25mW,而接口电路芯片面积仅为2.3mm×2.6mm。真正实现了磁通门磁强计激磁电路与信号检测电路的单片集成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究状况
• 1.3 本课题研究目的及意义
• 1.4 本课题研究内容
• 第2章 磁通门磁强计工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 磁通门磁强计工作原理
• 2.3 磁通门电路结构
• 2.4 本章小结
• 第3章 磁通门系统建模与仿真
• 3.1 引言
• 3.2 开环磁通门系统的Simulink建模与仿真
• 3.2.1 探头激励环节建模
• 3.2.2 探头感应环节建模
• 3.2.3 接口电路的建模
• 3.2.4 开环系统模型仿真与分析
• 3.3 闭环磁通门系统的Simulink建模与仿真
• 3.3.1 闭环系统电路结构
• 3.3.2 闭环磁系统建模
• 3.3.3 闭环系统模型仿真与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 磁通门系统电路实现
• 4.1 引言
• 4.2 双芯探头Hspice电学模型建模
• 4.2.1 磁芯Hspice电学模型
• 4.2.2 探头模型
• 4.2.3 Hspice仿真结果
• 4.3 激磁电路实现
• 4.4 接口电路各模块实现
• 4.4.1 前置放大电路实现
• 4.4.2 带通滤波电路实现
• 4.4.3 相敏解调电路实现
• 4.4.4 低通滤波电路实现
• 4.4.5 反馈环节
• 4.4.6 系统整体仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 磁通门版图实现及性能测试
• 5.1 引言
• 5.2 磁通门系统版图实现
• 5.2.1 抗噪声设计
• 5.2.2 抗闩锁设计
• 5.2.3 静电保护设计
• 5.2.4 磁通门系统整体版图设计
• 5.3 磁通门测试系统
• 5.4 磁通门系统测试结果
• 5.4.1 系统各部分波形图
• 5.4.2 磁通门系统测试结果
• 5.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢