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DESIGNONFULLDEFFERENTIALINTERFACECIRCUITFORCLOSEDLOOPMICROACCELEROMENTER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6213049774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CLASSIFIEDINDEXTN432UDC6213049774DISSERTATIONFORTHEMA
2、STERDEGREEINENGINEERINGDESIGNONFULLDEFFERENTIALINTERFACECIRCUITFORCLOSEDLOOPMICROACCELEROMENTERCANDIDATELIHAITAOSUPERVISORPROFLIUXIAOWEIACADEMICDEGREEAPPLIEDFORMASTEROFENGINEERINGSPECIALITYMICROELECTRONICSANDSOLIDSTATEELECTRONICSAFFILIATIONSCHOOLOFASTRONAUTICSDATEOFDEFENCEJUNE,2009DEGREECONFERRINGIN
3、STITUTIONHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY哈尔滨工业大学工学硕士学位论文I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。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
4、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163G/HZ，可以与传感器结构噪声相比拟。利用商用05MCMOSDPDM18V/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710，线性度提高了625。最终整体电路性能如下在5V工作电压下，对于1KHZ激发频率加速度输入，系统灵敏度为0308V/G，零点漂移1456MV，非线性为003。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，
5、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0269V/G，零点漂移10654V。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667；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022V/G，系统零偏低于09MV。关键词闭环微加速度计；低噪声；全差分；相关双采样；PID控制器哈尔滨工业大学工学硕士学位论文IIABSTRACTINORDERTOREALIZEA
6、HIGHPERFORMANCECLOSEDLOOPMICROACCELEROMETERSYSTEM,THESTUDYONFULLDIFFERENTIALINTERFACECIRCUITWASTAKENINTHISPAPERTHECIRCUITISDIVIDEDINTOFULLBRIDGEMODULE,CHARGESENSEAMPLIFIERMODULE,CORRELATEDDOUBLESAMPLINGANDHOLDINGMODULE,CLOSEDLOOPFEEDBACKMODULE,LOWPASSFILTERANDTIMECONTROLLINGMODULETHEANALYSISONERRORV
7、OLTAGEANDNOISEWASPRESENTED,ASTHEGUIDANCEFORCIRCUITOPTIMIZATIONTHEANALYSISRESULTSHOWSTHAT,TOAGIVENSENSORSTRUCTURE,THEPREAMPLIFIERSUNITYGAINBANDWIDTHANDEQUIVALENTINPUTNOISE,THECHARGESENSEAMPLIFIERSFEEDBACKCAPACITANCE,THESYSTEMSAMPLINGFREQUENCY,THEREFERENCEVOLTAGESOURCENOISEANDPREAMPLIFIERSINPUTWIRINGR
8、ESISTANCEAREVERYIMPORTANTTOTHESYSTEMPERFORMANCETHEREISTRADEOFFBETWEENTHESENSITIVITY,NOISE,SETTINGUPVOLTAGEACCURACY,SYSTEMBANDWIDTHANDSIGNALFIDELITYATLAST,THEOPTIMIZEDCIRCUITHASANEQUIVALENTINPUTNOISEOF163G/HZTHECIRCUITDESIGNANDSIMULATIONWEREBASEDON05MDPDM18V/5VPROCESSTECHNOLOGYTHESIMULATIONRESULTBYHS
9、PICESHOWSTHAT,COMPAREDWITHSINGLEENDEDINTERFACECIRCUIT,THEFULLDIFFERENTIALCIRCUITSZEROOFFSETISLOWERBY710,ANDTHELINEARITYISIMPROVEDBY625THEOVERALLSYSTEMPERFORMANCEISLISTEDASFOLLOWINGUNDER5VSUPPLYAND1KHZACCELERATIONINPUT,THESYSTEMSENSITIVITYIS0308V/G,THESYSTEMZEROOFFSETIS1456MV,ANDTHENONLINEARITYIS003T
10、HELAYOUTDESIGNWASFINISHEDCONSIDERINGTHELAYOUTOVERALLARRANGEMENT,DEVICEMATCHING,NOISEPROTECTIONANDRELIABILITYDESIGNTHEPOSTSIMULATIONBYHSPICESHOWSTHAT,THESYSTEMSENSITIVITYIS0269V/GANDTHESYSTEMZEROOFFSETIS10654VTHEAFFECTIONOFPIDCONTROLLERONTHESYSTEMPERFORMANCEWASALSOSTUDIEDPIDCONTROLLERCANIMPROVETHESYS
11、TEMLINEARITYBY667TOASTEPINPUT,THESYSTEMRESPONDINGSPEEDISIMPROVEDBY31,ANDTHESTABILIZATIONERRORISLOWEREDTHEOVERALLSYSTEMPERFORMANCEISTO1KHZFREQUENCY1GACCELERATIONINPUT,THEOUTPUTACHIEVESSTABILIZATIONWITHIN1MS,THESYSTEMSENSITIVITYIS022V/GANDTHESYSTEMZEROOFFSETIS09MVKEYWORDSCLOSEDLOOPMICROACCELEROMETER,L
12、OWNOISE,FULLDIFFERENTIAL,CORRELATEDDOUBLESAMPLING,PIDCONTROLLER哈尔滨工业大学工学硕士学位论文III目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111引言112国内外研究现状1121微机械加速度计机械结构分类1122微机械加速度计检测电路分类2123国外发展现状3124国内发展现状713研究目的和意义714研究内容8第2章电容式闭环微加速度计工作原理921引言922电容式微加速度计工作原理9221电容式微加速度计机械结构9222差分电容检测原理1123电容式微加速度计全差分接口电路工作原理12231全差分电路电容检测原理12232全差分
13、检测电路闭环工作原理13233全差分检测电路系统原理1524本章小结17第3章电容式微加速度计全差分接口电路实现1831引言1832微加速度计机械部分电学模型的建立1833全差分检测电路模拟部分关键模块设计19331全桥平衡模块设计20332电容补偿阵列设计21333电荷放大器21334后级放大电路25335相关双采样电路25哈尔滨工业大学工学硕士学位论文IV336采样保持电路26337单位增益缓冲器27338控制开关2834全差分检测电路数字部分关键模块设计29341反相器29342环形振荡器30343分频电路31344组合逻辑电路33345高低压隔离电路34346高低压转换电路3435全差
14、分接口电路噪声分析35351机械噪声35352电路噪声3536整体电路仿真3937PID控制器的讨论4138本章小结44第4章版图设计及后仿真4541引言4542版图布局4543器件匹配4544噪声保护4745可靠性设计48451布线与打孔48452闩锁效应49453静电保护5046版图总体设计5047后仿真5148本章小结52结论53参考文献55攻读硕士学位期间发表的学术论文59哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明60哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书60致谢61哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1第1章绪论11引言微小型化是技术领域发展的重要趋势之一。微加速度计是MEMSMICROELECT
15、ROMECHANICALSYSTEM惯性器件家族中重要的一员。二十世纪中后期，以集成电路工艺和微机电加工工艺为基础制作的微机械加速度计以其体积小、重量轻、功耗小、成本低、易集成、过载能力强和可批量生产等优点，不仅成为微型惯性测量组合的核心元件，在汽车1,2、航空航天3、地震勘探4、消费电子等领域得到了广泛的应用，同时应用范围也迅速扩大到战术导弹的中段制导、灵巧炸弹和巡航导弹、飞机导航5等领域。文献6认为采用MEMS和MOEMS（MICROOPTICALELECTROMECHANICALSYSTEM）技术的微加速度计将在未来主宰中低端性能范围的加速度计应用。由于一般传感器的输出信号很弱，检测电路
16、寄生电容、电阻等的影响会对输出信号有很大的影响，因此相比于使用PCB（PLASTICCIRCUITBOARD）检测电路，集成化的传感器有更大的优势。作为业界领先的AD公司，现在已有1亿5千万只传感器安装在安全至关重要的汽车安全气囊系统。目前，随着IPOD、IPHONE、SONYPS3，以及WII等游戏和娱乐类系列消费类产品的成功和热销，业界普遍预测MEMS类产品将成为半导体行业的下一个高速增长点。综上所述，无论是从国家安全还是从市场应用的角度考虑，都需要开展对集成加速度计的研究。12国内外研究现状121微机械加速度计机械结构分类微加速度计有多种分类方法，按检测质量的运动方式，可分为线位移加速度
17、计和摆式加速度计，前者是测量检测质量沿轨迹方向的直线位移量，后者是测量检测质量绕支撑摆动而产生的角位移量。按测量的自由度分，有单轴，双轴，三轴加速度计。按测量系统形式分，有开环和闭环式两类。开环加速度计，又称为简单加速度计，被测的加速度值，经敏感元件，信号传感器，放大器变成电信号直接输出。这种加速度计，结构简单，体积小，成本低，但精度较低；闭环加速度计，被测的加速度变成电信号后，加到力矩器上，使活动机构恢复平衡位，由于采用了力反馈回路，该加速度精度高，抗干扰能力强。按敏感信号方式分，可分为压阻式，压电式，谐振式，隧道电流式，热对流式，哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2电容式加速度计711，还有光
18、纤式、电磁式等一些其它的加速度传感器。其中，微硅压阻式和微硅电容式加速度计是目前应用最多的微硅加速度计12。压阻式传感器具有加工工艺简单、频率响应高、体积小、测量方法易行、线性度好等优点，其缺点是温度效应严重、灵敏度低，一般只有1MG。通过温度控制电路可以对温度效应进行补偿。比较典型的产品是美国EGGICSENSORRS公司生产的微机械加速度传感器。压电式加速度计因为压电材料的漏电流效应和热电效应的影响，一般无法检测静态加速度的大小，另外造价偏高。谐振式检测精度高，但由于热激励源有时会引起不必要的热应力从而影响其测量精度，结构也较为复杂。热对流式具有很高的灵敏度，能直接输出电压信号，但频率响应
19、范围低。电容式加速度传感器的灵敏度比较高，易于构成高精度的力平衡式器件，目前国外已有高性能的器件出现。电容式加速度传感器灵敏度和测量精度高；稳定性好；温度漂移小；功耗极低；良好的过载保护能力；便于利用静电力进行自检1314。其缺点是由于传感器的电容量和其变化量极小，同时为减小分布电容的影响，检测电路经常与传感器集成在一块芯片上，比较典型的产品为美国AD公司的ADXL系列。122微机械加速度计检测电路分类对于电容式加速度计检测电路，为了达到把激发信号与检测信号分开的目的，分为离散和连续时间两种检测电路。离散时间检测电路主要是开关电容检测电路。开关电容电路分模拟检测输出和SIGMADELTA检测数
20、字输出两种。由于现在的集成加速度计在很多场合下需要数字输出，在这些场合前者在应用时需要加一级AD转换模块，在许多情况下，后级的AD转换模块的价格甚至超过了检测部分的成本，所以无论从芯片面积还是从成本上考虑数字输出相对模拟输出都有先天优势。连续时间检测电路通过调制解调将激发信号和检测信号在频域上分开最终达到检测的目的。开关电容检测相对于连续时间检测输出信号消除了寄生电容对灵敏度的影响，因此灵敏度较高，但是需要较为复杂的时序产生电路，数字时序部分会对模拟信号处理电路造成影响，但是对于数字输出这个问题将不再存在。开关电容检测的另一个问题是噪声问题。限制开关电容检测电路在小电容检测应用的主要原因是KT
21、/C噪声，MOS开关热噪声，和数据采样系统的噪声重叠问题15。相关双采样（CORRELATEDDOUBLESAMPLING,CDS）技术只能显著消除第一种噪声，因此文献15认为开关电容检测连续电压检测方法噪声特性优于开关电容检测。从检测端数来分，有单端检测和差分检测两种，差分检测有使用全差分运放的检测方式和使用两个完全相同的单端运放实现差分检测16两种方式，但是哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3后者的器件失配在实际应用中比较严重，最终影响性能，并且需要更大的芯片面积和功耗。下文提到的差分检测都指全差分检测。单端检测结构比差分结构简单，功耗更低，占用芯片面积更小，但是单端检测也存在一些问题，比如零
22、点偏移比较严重，噪声比较大；而全差分检测电路能够减小共模噪声（比如开关电荷注入效应和激发电压的不稳定性引入的噪声，衬底耦合噪声），提高PSRR,并且可以使用一个质量块实现多轴检测和多轴的同时反馈，减小输出偏移，因此全差分结构与单端结构相比有更大的优势，而且普遍用于检测方案中。123国外发展现状从20世纪60年代末人们就开始了微机械加速度计的研究及开发。美国斯坦福大学、加州大学伯克利分校和DRAPER实验室在1977年便开始在硅片上采用微机械加工工艺生产微机械加速度计。从20世纪80年代后期，考虑到加速度计的测量范围以及线性度问题，人们开始研究各种力平衡式微机械加速度计，利用反馈使加速度计保持在
23、平衡状态下进行对加速度的测量。目前业界领先的AD公司在1989年开始进行叉指式力平衡加速度计的研究。1993年AD公司推出基于汽车方面应用的ADXL50加速度计，全系统通频带1KHZ，测量范围为50G，灵敏度为20MV/G。1996年又推出了第二代加速度计产品ADXL05，其测量范围是5G。1998年，AD公司成功推出了它的双轴加速度计产品系列，量程从2G到1000G，在一块IC芯片上集成了双轴加速度敏感元件、信号调整和脉宽调制信号输出电路。其中，双轴数字输出加速度计ADXL202的量程是2G，带宽可以通过外界电容从001HZ一直调到5KHZ，噪声指数是500G/HZ，并且采用了脉冲调制占空比
24、输出，直接可以进入单片机处理，或者通过滤波转换成模拟量。2005年,AD公司推出此公司第一个三轴单片集成低功耗加速度计ADXL330，在18V下工作时只消耗180A的电流（相当于324W），能够承受10000G的冲击，灵敏度典型值为330MV/G，在X轴、Y轴、Z轴上的噪声分别为280G/HZ，280G/HZ，350G/HZ，量程为3G，支持自检测功能。2007年12月，又推出高精度、双轴数字倾角计和加速度计ADIS16209，达到0244MG精度，可承受3500G冲击。2008年6月，最新推出高性能大带宽集成加速度计ADXL001，全差分检测，支持70G，250G，500G三种量程切换，具有
25、02的非线性度，自然频率在22KHZ，具有自诊断模式来判断是否在各种应用中正常工作，检测电路原理框图见图11。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4图11ADXL001原理框图172005年，美国摩托罗拉公司半导体器件部用多晶硅表面微加工技术制成的三层式差动电容器微加速度计。全对称多支承的中间层兼作敏感质量和差动电容器的动极板。加速度计的灵敏度为119MV/G，在10G量程时3DB转折频率为450HZ。转折频率可通过改变充气密度调节。在静止电极上加静电压便可进行自校正。2006年10月日本北陆电气工业推出了一款全球最小的三轴加速度传感器，尺寸为3MM见方，1MM厚，并于10月开始向手机和硬盘生产商供
26、货，这是全球首次突破10MM3大关的产品。除减小了封装体积外，还新增了分配输出功能。当X轴、Y轴和Z轴的加速度均低于04G时，将检测信号输入“下落检测”端子；当X轴、Y轴和Z轴的加速度均高于15G时，则将检测信号输入“冲击检测”端子，即可检测出嵌入该传感器模块的设备是否运行异常。耗电量方面，在工作频率为500HZ的“模式A”下为07MA，在250MHZ的“模式B”下为035MA（均为标准值）。工作电压为22V36V。灵敏度330MV/G，可经受5000G冲击，1非线性度。COLIBRYS公司的SIFLEX系列噪声达到0305G/HZ，灵敏度达到12V/G。意法半导体使用全差分连续时间检测电路实
27、现的多轴加速度计噪声220G/HZ，灵敏度042V/G。休斯公司正在研究的微型加速度计，具有高灵敏度、高过载能力和高G值的特点。DRAPER实验室正在进行用于惯性导航和武器装备的高灵敏度、高分辨率的微型加速度计的研究，其中，利用深槽反应离子刻蚀（DRIE）等先进技术研制出的加速度计精度达到01MG，已经用于美国海军EX171增程制导炮弹。近几年，随着MEMS微电容传感器市场的不断扩大，一些品牌的通用电容检测芯片已在市场上出现。IRVINEMICROSENSORS公司的通用电容读取芯片哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5MS3110，待测电容范围为025PF10PF，分辨率可达40AF/HZ，输出0
28、4V电压信号。德国GEMAC公司开发的HT133，待测电容范围在030PF，分辨率可达02FF，输出形式有模拟输出或数字输出。其它还有一些产品也都达到了相当的精度，可以满足大多数传感器的检测要求。从公司以外的其他研究机构来说，以美国加州大学伯克利分校，密歇根大学，乔治亚理工学院，卡内基梅隆大学研究的集成传感器检测电路为代表。这些院校在检测电路结构和原理上各有各的特点。1999年，加州大学伯克利分校的MARKLEMKIN给出了一种三轴电容式加速度计闭环检测电路，将半桥式检测电容接至全差分开关电容检测电路，使用一个单端运放和两个反馈电容实现对两个输入端的共模反馈，最终输出为数字输出。工作电压5V，
29、在三个轴上的动态范围分别为84DB，81DB，70DB。接口电路原理图如图12所示。图12加州大学伯克利分校采取的接口电路原理图181999年，密歇根大学的NAVIDYAZDI给出图13所示的另一种全差分检测电路，数字输出，使用两个大的参考电容与半桥式检测电容形成全桥式检测，采用CHOPPERSTABILIZATION技术消除开关失配引起的电位偏移，使用启动电路来保证结构部分正常工作，噪声为37G/HZ，在5V工作电压下功耗66MW，动态范围95DB。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文6图13密歇根大学采取的开关接口电路前端原理图192005年，乔治亚理工学院的BABAKVAKILIAMINI提出
30、了图14所示的另一种开关电容全差分检测电路结构，将质量块偏置在恒定的电压下，检测最小精度在2HZ下为11G/HZ，在100HZ下达到02G/HZ，动态范围102DB。图14乔治亚理工学院采取的开关接口电路原理图232005年，毕业于卡内基梅隆大学的JIANGFENGWU在全桥全差分检测结构中采用了一种低噪声，低偏移的运放15，检测系统噪声50G/HZ，灵敏度130MV/G，电路直流偏移10V。2006年，芬兰受诺基亚研究中心等机构资助的MIKAKAMARDINEN基于SBB（SINGLEENDEDSELFBALANCINGBRIDGE）实现的前端检测电路21，结构为单端检测，双端输出，在18V
31、的工作电压下最大只消耗39A的电流，相当于702W。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文7124国内发展现状就国内而言，微加速度计检测电路的研究分集成和PCB两个流派，PCB电路研究的一般由机械类的院系或者专长在于MEMS结构设计的单位，这样的单位比较多，比较典型的有清华大学，西北工业大学，国防科技大学等；加速度计检测电路的集成化研究主要由与微电子相关的院系完成，比较典型的有哈尔滨工业大学，北京大学，中国电子科技大学（成都）大学，但是由于国内进行传感器集成化研究的院校的成果对外公布的比较少，所以比较难以对他们研究的技术细节进行描述。清华大学制作的加速度计接口电路，采取PCB连续时间检测方式，工作频带
32、500HZ，非线性度01，量程50G，噪声112G/HZ。2007年，台湾新竹清华大学的MINGHANTSAI制作的全差分检测电路，灵敏度08MV/G，非线性24322。2007年，北京大学的JIANGHUACHEN公布了一篇介绍用于加速度计单端检测电路的输入等效噪声可以达到4NV/HZ的电荷放大器，但是只有仿真结果，该大学并没有把加速度计核心技术对外公布。但是从电荷放大器的结构来看，该大学仍然在从事单端检测电路的研究。新加坡南洋理工大学获得博士学位，2006年加入中国电子科技大学（成都）的WFLEE2008年公布了一种基于INS（INJECTIONNULLINGSWITCH）技术的双片集成开
33、环单端检测电路23，在5V工作电压下功耗为10MW，噪声84V/HZ，在1KHZ带宽下动态范围为74DB，灵敏度45MV/G，非线性误差1，满量程50G。哈尔滨工业大学的ASIC芯片最新测试结果显示，此单位研究的集成单端闭环检测电路灵敏度为420MV/G，工作带宽300HZ，非线性度低于01，噪声低于8G/HZ，满量程18G。13研究目的和意义综上所述，传感器集成化已成为一个热点。国外某些研究机构和公司的研究成果已经可以市场化。但是就国内来说，由于微加速度计加工工艺和电路加工工艺比国外落后很多，因此在设计接口电路时需要根据国内的情况对一些国外已经成熟的方案进行改动来满足系统性能要求并能够加工。
34、而且目前国内的微加速度计系统性能与国外相比也差距很大，检测电路的研究对微加速度计检测系统性能的提升有着重大的意义。高性能集成微加速度计中，噪声特性是很重要的一个特性。哈尔滨工业大学MEMS中心对电容式加速度计ASIC（APPLICATIONSPECIFICINTEGRATED哈尔滨工业大学工学硕士学位论文8CIRCUIT）芯片设计已从事了多年的研究，积累了相当的设计经验，目前设计的加速度计单端检测开关电容集成电路在国内处于领先地位，但是单端检测也存在一些问题，比如零点偏移比较严重，噪声比较大；而全差分检测电路能够减小共模噪声（比如开关电荷注入效应和激发电压的不稳定性引入的噪声，衬底耦合噪声），
35、提高PSRR（POWERSUPPLYREJECTIONRATIO）24,可以使用一个质量块实现多轴检测和多轴的同时反馈，减小输出偏移18，也普遍用于结构检测电路的前端检测方案25。因此本课题开展对电容式加速度计全差分检测电路的研究。14研究内容在MEMS中心已经研制出来的电容式闭环微加速度计单端检测电路的基础上，进一步进行电容式闭环微加速度计全差分检测电路的研究和设计。主要内容如下1提出加速度计全差分检测电路方案，搭建电路理想结构，通过HSPICE仿真验证方案的可行性；2利用商用05MCMOS工艺，设计优化电路各个子单元模块，包括电桥平衡模块、电荷放大器、相关双采样及保持电路、PID控制器、单
36、位增益缓冲器、反馈模块、时序产生模块等，特别要仔细研究前级运放的系统要求和具体设计；3对所设计系统进行噪声的理论分析，用分析的结论来指导电路设计，最终完成总体系统设计，通过前仿真达到系统设计要求4绘制全差分闭环加速度接口电路版图，通过LPE寄生参数提取后，进行后仿真，验证整体电路功能，实现流片。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文9第2章电容式闭环微加速度计工作原理21引言本章对电容式闭环微加速度计的工作原理和全差分检测电路的工作原理加以介绍。22电容式微加速度计工作原理221电容式微加速度计机械结构电容式微加速度计机械结构主要有两种Z轴结构和X/Y轴结构，即Z轴加速度计和X/Y轴加速度计。在Z轴加
37、速度计中，质量块与固定极板间形成敏感电容，其敏感方向（Z轴）垂直于质量块所在平面（X/Y轴），以“三明治”微加速度计为代表。在X/Y轴加速度计中，质量块上附着大量的敏感动齿，动齿和定齿间形成敏感电容，其敏感方向（X/Y轴）为质量块所在的平面，以叉指式微加速度计为代表。本文对X/Y轴叉指式微加速度计进行研究，其敏感单元26,27如图21所示。叉指式敏感单元包括弹性梁、惯性质量块、活动电极和固定电极组成的微电容结构。惯性质量块在外加加速度的作用下，引起弹性悬臂梁形变，通过检测相应等效电容的差分变化量来测定加速度的。“叉指式”微加速度计又分为两种，一种通过改变敏感电容正对面积检测加速度输入；另一种通
38、过改变敏感电容极板距离检测加速度输入。后者在体硅加速度计中更为常见。图21叉指式微加速度计敏感单元示意图加速度传感器结构可以等效成图22所示的由质量、弹簧组成的单自由度阻尼二阶振动系统28。其中M为质量块质量，B为阻尼系数，K为弹性系数，A为外加加速度，X轴为质量块敏感方向。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文10MBKXA图22加速度传感器的机械系统原理假设X为质量块位移，根据牛顿第二定律可建立振动微分方程22DXDXMBKXMADTDT21将方程（21）进行拉普拉斯变换2SAMSKXSSXRSXSM22那么微加速度计的系统传递函数为2220011XSHSBKASSSSSMMQ23其中固有机械谐振
39、频率MK0，品质因子0/QMB，阻尼系数1/2Q。令SJ，则0200200211XQA24可见在FS，因此存在噪声折叠问题。设F3DBNFS，如果不考虑CDS消除直流失调电压和1/F噪声的因素，那么由于噪声折叠问题信噪比在采样后将会降低到原来的1/N。考虑噪声折叠，因此式（316）需要修正。而且由于存在两个感应相位A和B，输出被采样了两次，因此运放噪声源VOPAMP对前级运放输出端作用增加了2倍，式（316）修正为22444PREOUTUTOPAMPFSVFCVCF317对于前级运放等效输入噪声，运放的第一级管子的贡献最大，第二级产生的噪声在折合到输入端时需要除以第一级增益，可以忽略。由于后级
40、的CDS模块可以极大的减小1/F噪声，因此该噪声可以在讨论中忽略，前级运放等效输入噪声（不考虑1/F噪声）可表示为2321122833OPAMPMMMVGKTFGG318而前级运放的单位增益带宽FU为CMUCGF1319其中CC为密勒补偿电容。所以，2223214441613PREOUTPREOUTOPAMPSRPFMOPAMPFSCMVVVCCCCGKTFVFCFCGHZV2320在实际电路设计中，GM3/GM1可以设计的很小，最终可以忽略。因此，要减小此噪声，最主要是需要减小FU/FS和前级运放等效输入噪声。3522接口寄生电阻噪声需要讨论CS与CF（表头结构定齿到前级运放输入端）之间的接
41、口寄生电哈尔滨工业大学工学硕士学位论文37阻RSW。这个寄生电阻会引入热噪声VW，还会与寄生电容构成低通滤波器。文献45直接讨论开关S2_INV的导通电阻对CSA反馈电容引入的热噪声，并直接简化为KT/C噪声，本文认为不妥，应该把所有接口寄生电阻对噪声的影响都要考虑在内。表头结构到前级运放之间的连接方式与传感器机械结构的加工工艺和封装方式有关。对于表硅工艺加工与检测电路单片集成的机械结构，有两种方式连接表头结构到前级运放，一种是通过多晶硅连接，一种是通过金属连接。通过多晶硅连接需要考虑连线电阻，金属则不必考虑。对于体硅工艺加工的机械结构，由于与检测电路双片集成，通过金线或者硅铝丝压焊来连接，这
42、个寄生电阻也可以不用考虑。因此本文中考虑的接口寄生电阻是指信号主通路上的S2_INV，这个开关的噪声可以等效为一个电阻产生的噪声。最终等效电路图如图320所示。其中CPCP0CPS，这里CP0为运放输入寄生电容，CPS为表头结构寄生电容。CFRSWVWVNCSCPCRPREOUT图320连线电阻和参考电压源噪声前级运放输出到热噪声输入的传输函数为222211PREOUTSPSWFSWSPSVCCVCJRCC321这个传输函数即为低通滤波器传输函数。3DB带宽为12CSWSPSFRCC322设实际中前级运放在图320中形成环路的3DB带宽为F3DB,实际电路实现时可以把RW设计的很小来保证F3D
43、BFC，从而达到前级运放的信号建立时间受前级运放3DB带宽的限制，那么，FFRSSUSWPREOUTCCCCFFKTRFV222442HZV2323要减小这部分噪声，需要减小RSW、FU/FS。3523参考电压源噪声图25所示的加载在敏感质量块上的电压脉冲，由片外参考电压源实现，哈尔滨工业大学工学硕士学位论文38由于这个参考电压源直接对敏感电容进行充放电，因此需要讨论该参考电压源噪声对检测电路性能的影响。这部分等效电路见图320，其中VN为参考电压源噪声。假设前级运放所在等效回路的3DB带宽为F3DB，那么F3DB也应该小于FC。这个假定与文献45中不同。这部分噪声转化到CSA输入端为FSSU
44、NPREOUTCCFFVFV22242324因此，为了减小该部分噪声，需要减小FU/FS，并采用低噪声参考电压源。将式（320）、式（323）、式（324）分别计算相加后，再除以式（214），就可以得到总的电路等效加速度输入噪声。表32为系统各噪声源计算结果，其中CP取10PF，连线电阻RSW取188，参考电压源噪声取10NV/HZ。从中可以看出，在采样频率取128KHZ时，等效加速度输入噪声仅有163G/HZ，接近于表头机械噪声。实际上，对于本电路设计参数可以满足256KHZ的采样频率，此时电路等效输入噪声已小于表头机械噪声。表32微加速度计系统各噪声源噪声源表达式FS64KHZGHZ1FS
45、128KHZGHZ1机械噪声22894MTBKB129前级运放噪声132201060MMSCSFPRSFSNGGCCFCCCCKTCVD16271151接口寄生电阻噪声220090SSFRSUSWSNCFCCCFKTRVD00820058参考电压源噪声SSFUNSNCFCFVVD020200604704276对于给定的传感器结构，如果要减小电路等效输入噪声，需要减小前级运放单位增益带宽、开关S2_INV的导通电阻和CSA反馈电容，提高采样频率和参考电压，采用低噪声的前级运放和参考电压源。但是减小前级运放单位增益带宽会需要更长的信号建立时间，从而影响信号建立精度，而建立时间的最大值又与采样频率成
46、反比，为了保证建立时间需要降低采样频率，但是低采样频率会引起信号失真，因此需要在噪声、建立电压精度和信号保真度之间折衷；减小反馈电容同时可以提高检测灵敏度，但是会影响量程，因此还需要在噪声、灵敏度与量程之间折衷；提高参考电压可以减小噪声并提高量程，但是会提高功耗，因此需要在噪声、量程和功耗之间折衷。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3936整体电路仿真使用HSPICE工具对本文设计电路进行仿真。图321为数字部分仿真结果。这些时序满足设计要求。图321控制时序仿真结果需要对检测电路模拟部分进行仔细的仿真。图322为加入全桥平衡电路模块后前级运放输入端波形。图322前级运放输入端电压仿真结果从图32
47、2中可以看出，全桥平衡模块很好的平衡了前级运放输入端共模电压的变化。应注意的是，在85S、95S和115S出现了3个尖峰信号，它们是由于平衡电桥控制开关S4、S5和S7电荷注入和平衡电桥对应两两之间的延迟，以及前级运放输入端开关S2_INV和S3电荷注入形成。虚拟管无法完全消哈尔滨工业大学工学硕士学位论文40除开关电荷注入，而平衡电桥开关对应开关之间的延迟也无法消除。这些尖峰比较小，并不影响电路功能。图323为电路整体性能仿真结果。输入加速度信号为正弦信号，激发频率1KHZ，幅度1G。图3231G加速度输入电路整体性能仿真结果在图323中，电流源II_I1和IG_G1分别表示图31所示微加速度
48、计机械结构等效电学模型中的IT和可控电流源IFBT。两者相加表示为微加速度计敏感质量块受到的外加力与反馈力的合力。从图中可以看出系统很好的完成了负反馈功能。VFOUT1_3与VFOUT2_3分别表示为检测电路经过3阶低通滤波电路的最终两个差分信号输出。从图中可以看出，单端电路零点漂移分别为5015MV和3559MV，差分信号零点漂移为1456MV，因此全差分电路与单端检测电路相比，零点漂移最大减小了710。对于1KHZ激发频率信号输入，最终电路灵敏度为0304V/PF，对应系统灵敏度为0308V/G。图324为100G加速度输入电路整体性能仿真结果。从图中可以看出，本文检测电路可以很好完成弱信
49、号输入的检测。图324100G加速度输入电路整体性能仿真结果哈尔滨工业大学工学硕士学位论文41图325为检测电路非线性度仿真结果。单端输出和差分输出非线性度分别为008和003，因此差分电路结构系统线性度提高了625。除此之外，全差分电路结构通过对共模噪声的抑制有效提高电路的噪声特性，而且灵敏度也有双倍提高，最终提高动态范围。图325电路非线性仿真结果将本文所设计电路与已公开发表的文献的对比结果见表33。表中电路的性能参数已考虑到工艺偏差，因此在一定范围内波动。从表中可以看出，本文电路噪声和线性度比其他电路要好的多。表33本文电路与公开发表文献性能比较文献FSHZ电压V工艺M输出RMS噪声VHZ1非线性灵敏度VG1量程GLEMKIN18500K5244XAXISLEE23125K506841004550AMINI251M25025505
