【摘 要】
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随着5G通信技术的普及,物联网产业进入飞速发展阶段,MEMS（MicroElectro-Mechanical Systems）传感器作为其中的关键部分,具有十分广阔的市场前景;加速度传感器是使用最多的MEMS传感器之一,因此对于电容式微加速度计接口电路的研究具有重要的现实意义。本文首先介绍了电容式MEMS加速度传感器的机械结构和工作原理,并采用Verilog-A语言对传感器进行行为级建模及仿真。通
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随着5G通信技术的普及,物联网产业进入飞速发展阶段,MEMS（MicroElectro-Mechanical Systems）传感器作为其中的关键部分,具有十分广阔的市场前景;加速度传感器是使用最多的MEMS传感器之一,因此对于电容式微加速度计接口电路的研究具有重要的现实意义。本文首先介绍了电容式MEMS加速度传感器的机械结构和工作原理,并采用Verilog-A语言对传感器进行行为级建模及仿真。通过对传感器模型的仿真分析,基于线性度及检测范围的要求,结合当前相关研究存在的电路功耗较高、结构较为复杂的不足,提出了一种基于VCO量化的闭环式微加速度计接口电路架构;接口电路的设计利用Matlab＆Simulink对整体系统进行建模分析,确定各个模块的参数要求。最后完成接口电路的设计和仿真,完整接口电路包括开关电容电路、放大电路、PD补偿电路和基于VCO的量化电路等。开关电容电路工作在两个阶段:电容的检测和读取以及力反馈,电容的检测和读取阶段实现电容-电压转换,即将加速度信号引起的电容变化转化成方便电路处理的电压信号;力反馈阶段将输出的数字信号反馈到传感器以产生反馈静电力,保证电路的线性度和检测范围。放大电路保证系统具有足够的环路增益;PD补偿电路引入一个零点来抵消传感器中的一个极点,保证系统的稳定性。采用VCO和D触发器实现数字量化和反馈,相比传统的模拟力反馈具有更好的线性度;相较于数字反馈常见的sigma-delta调制和PWM调制,降低了电路的功耗和复杂性。本设计采用GLOBAL FOUNDRIES 0.18μm CMOS工艺实现,在1.8V电源电压下,利用Spectre软件对整体电路进行仿真验证。结果表明,整体电路功耗为4.86m W,检测量程和输入带宽分别为±1.4g和4k Hz,等效输入加速度噪声为18μg/√Hz,灵敏度为0.309V/g,最大非线性度0.35%,整体电路的版图面积为503μm×370.3μm。本文着眼于闭环加速度计读出电路的设计,从系统结构的选取、各个模块的参数计算到电路的具体实现,每一步都进行了详细的分析,最终的仿真结果表明本文提出的电路架构具有功耗低、面积小、输入带宽大、可直接输出数字信号等优点,对于其他闭环加速度计读出电路设计具有一定的借鉴意义。
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