低噪声电压参考源的设计及系统集成实现

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随着微机械系统的日益发展,MEMS(Micro Electro Mechanical System)加速度传感器以其特有的性能优势应用非常广泛,其中在地震勘探、汽车安全、导航系统、虚拟现实等领域有着庞大的需求。电容式MEMS加速度传感器作为目前研究和应用最多的硅微加速度传感器也得以迅速发展。其主要组成部分为MEMS加速度传感器和伺服电路。然而由于潜在影响因素的限制,导致其灵敏度相对较低,所以为了充分发挥MEMS加速度计的各种优势,必须设计性能优良的微弱信号检测电路系统。电压基准是整个模拟模块正常工作的基石,其精度决定了所有电路模块的最大性能。在实际设计中,如何抑制低频段非理想因素(主要包括噪声)是亟待解决的关键问题之一,所以降噪技术的研究变得非常有意义。尽量减少非理想因素提高电压基准源的性能十分关键,从而设计和优化电压基准电路模块对于MEMS加速度计的整体性能至关重要。针对上述问题,本文采用斩波稳定技术,基于标准0.5-μm CMOS工艺,进行芯片设计与流片工作。主要从以下几个方面来对电压参考源进行研究:1)设计一款自调整电压源结构,其中包括级联结构的低噪声带隙基准源、折叠式共源共栅结构的正负参考电压电路以及两相非交叠时钟电路;2)从电路本身出发进行原理分析、手工计算等步骤,适当增大差分输入对管尺寸,并分析目前存在的降噪技术,综合对比考虑选择斩波稳定方法,将该技术应用于设计中以进行降噪处理;3)通过测试验证各项指标基本达到预期要求,降低了低频段的噪声,保证转角频率在3(?)左右,且低频段的噪声(3(?)处)接近-140dBV/(?)。该参考源芯片集成到整体伺服芯片中,改善了整体芯片的噪声性能,系统的本底噪声从-131dBg/(?)到-134 dBg/(?),降低了3 dBg/(?),最小噪声可达-140 dBg/(?)。
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