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随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术越来越广泛地应用于电容传感器,人们对电容检测电路的电容测量范围的要求也越高。由于sigma-delta模数转换器在低频应用中容易做到高精度,因此非常适合于电容检测的应用中。本文介绍了 sigma-delta模数转换器的基本原理,其中包括sigma-delta模数转换器的经典结构和原理分析。着重对sigma-delta调制器使用的过采样和噪声整形技术进行了详细分析,讨论了过采样率对电路性能的影响,同时还对高阶噪声整形的sigma-delta调制器和多位量化的sigma-delta调制器各自的优劣进行了讨论。此外,还对采用传统的基于OTA(Operational Transconductance Amplifier)的sigma-delta调制技术用于电容检测的原理进行了论述。但由于多级OTA中米勒补偿电容需随检测电容的变化而变化否则将引起环路稳定性问题,因此这限制了基于OTA的sigma-delta调制器的电容检测范围。基于上面提到的问题,本文提出了一种基于比较器和电流源的sigma-delta模数转换器用于宽电容范围检测。电路采用二阶单bit的结构,并用比较器和电流源来替换传统的OTA以避免传统OTA中检测电容发生变化带来的环路稳定性的问题,大大扩宽了电容检测范围。另外,为了进一步扩大电容检测范围,还在第一级积分器中又加入了一个可调电容。此外,在进行大电容检测时,为了合理确定检测时间,本文提出一种自动自适应的时间调整方案,通过预充电和放电来确定放电时间。为减少低频1/f噪声,本文在进行比较器设计的时候采用了斩波稳定技术,且使用能自动关断的单向比较器以节省功耗。另外,由于两级积分器的工作相位不同,为了节省芯片面积,对两级积分器的比较器进行了复用。本文设计的二阶单bit sigma-delta模数转换器采用Global Foundries 0.18μm CMOS工艺流片,在1.5V的供电电压,128倍的OSR(Oversampling Ratio)情况下,对所设计的sigma-delta调制器的功率谱密度进行了测试。结果显示,斩波稳定技术能有效地抑制低频噪声,在低频处大约能增加十几dB的SNR(Signalto Noise Ratio)。此外,为了验证本设计的宽范围检测,对Cr=6pF,Cr=100pF以及Cr=10nF时各自对应的各个Cs进行了测试,结果显示所设计的基于比较器和电流源替换OTA技术的sigma-delta模数转换器能将电容的检测范围扩展到1p-10nF的范围,且将分辨率保持在13bit左右,并具有较优的FoM值。