MEMS加速度计中逐次逼近模数转换器设计

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qianwenlong
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随着MEMS惯性器件的诞生,由于其自身具备的体积小、功耗低、重量轻、耐用性好等独特优势,在很多领域中均得到了广泛的应用。而对于MEMS加速度计的研究,考虑到加速度计的信号输出会随着外围温度的改变而产生偏差,有必要对周围温度测量,并依据一定的关系进行补偿。在对信号的处理中,数字信号已成为主要的信号处理方式,为了把感知的温度模拟信号转化为数字信号,有必要设计一种应用于MEMS加速度计中用于温度补偿的模数转换器,综合考虑精度、速度性能的低要求以及SAR ADC在功耗和面积上的优势,选定逐次逼近型模数转换器作为研究对象进行研究。本文设计了一种12位逐次逼近模数转换器,其主体采用分段结构的电荷型SAR ADC,对分段结构进行改进,将冗余电容由原来所在的低位电容阵列放到高位电容阵列中,解决耦合电容非整数倍的问题,但同时对比较器的精度提高了一点点要求,同时采用电容上级板采样方案,不需要对电容进行置位,因此模数转换器的第一位量化实际上不需要电容阵列的参与,可以节省一位电容即可完成全部转换,因此设计的高位和低位电容阵列分别为6位和5位。采用基于Vcm的开关切换方案,在很大程度上降低了电路的功耗。比较器采用两级级联结构,且都由同一时钟控制,没有静态功耗,采用将输入信号与输出信号隔离的方式阻断回踢噪声,为减小采样信号的非线性采用栅压自举开关,选用具有二阶曲率补偿的电压带隙基准源,温漂为8.718ppm/℃,逐次逼近逻辑由D触发器构成,设计时序逻辑信号发生器,作为与电容相连的每一位数字逻辑的控制端,当时钟上升沿到来时依次触发每一位寄存器,完成每一位量化结果的寄存和电容下级板的电平切换,由于对电容下级板电平切换不涉及到信号的失真采用CMOS对管开关。对整体电路仿真,当采样频率为5k Hz时,得到电路的功耗为115.25u W,信噪比为63.43d B,有效位数为10.24位。
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