低功耗MEMS加速度计检测电路技术研究

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微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS),指尺寸可以达到毫米及以下的高集成化科技装置,在此技术基础上产生的MEMS加速度传感器由于功耗低、体积小、价格低廉等优点,广泛应用于麦克风、姿态控制、振动检测等方面。由于MEMS加速度计在日常生活中的广泛应用,在保持其精度的同时,如何降低功耗,是当下研究的热点。MEMS加速度计检测电路是MEMS传感器的核心模块之一,其性能优劣、功耗高低能直接影响到传感器的整体水平,本论文设计研究一款应用于振动监测的低功耗MEMS加速度计检测电路。本文通过调研,选取了精度和实用性更高且与CMOS工艺更为兼容的电容式闭环反馈结构进行设计。电容式MEMS加速度计闭环检测电路由MEMS敏感单元、电容电压转换(Capacitor Voltage Conversion,CVC)电路、噪声整形模块、比较器和静电力反馈模块构成。加速度信号通过敏感单元转化为电容信号,再通过CVC电路转换为电压信号,噪声整形模块对模拟电压信号进行滤波去噪,进而比较器对噪声整形后的电压信号进行处理,从而输出数字比特流信号,静电力反馈模块将输出的数字信号反馈至敏感单元,最终实现整体sigma-delta闭环控制。同时为提高整个闭环系统的精度、信噪比和稳定性,还需要对噪声整形模块进行优化设计。使用反相器代替运算放大器搭建CVC电路,降低整体功耗,并通过简化噪声整形函数、选择可再生比较器进一步降低电路功耗。针对MOS开关的电荷注入、时钟馈通效应,采用互补开关、使用两相不重叠时钟和延时时钟来降低误差;针对积分器的运算放大器引入的非理想性,本文引入了相关双采样。本设计使用MATLAB/Simulink对整体系统进行建模、系统搭建与行为级仿真,使用Cadence Virtuoso软件进行电路设计与仿真,采用高温0.18μm工艺,进行版图设计,并使用veriloga进行建模与电路级系统仿真,结果表明,在5Hz~200Hz范围内的输入加速度信号,仿真精度可达107.7197d B,有效位数为17.6013bit,3.3V电源电压下功耗为1.345m W,检测电路结果满足设计要求。
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