蝶翼式微加速度计ASIC设计

作     者：王一 

作者单位：国防科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈志华

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：蝶翼式 微加速度计 ASIC 开关电容检测 

摘      要：微加速度计在MEMS传感器中最具代表性的意义。其中,扭摆式微加速度计因其具有差分检测的特点被广泛关注。蝶翼式微加速度计采用“双扭摆的结构,具有―双差分‖的优势,是一种很有发展潜力的电容式微加速度计。本文针对蝶翼式微加速度计敏感结构,设计其专用集成电路(ASIC)。主要工作如下:1.在分析蝶翼式微加速度计机械结构的工作原理的基础上,总结出了被测外界加速度a与各极板电容变化(35)C之间的关系,并给出了敏感结构的电学模型;提出了“开关电容C/V转换+开环检测的蝶翼式微加速度计ASIC电路总体方案。2.在开关电容C/V转换电路设计中,提出了基于“差分开关电容检测的具有“共模输入反馈和―偏值电容补偿‖的全差分C/V转换电路结构。设计了用于C/V转换的具有“增益增强的“折叠式共源共栅(Folded Cascode)运算放大器。运算放大器的开环增益是A(28)121dB,带宽GBW(28)14.8MHz,相位裕度85°,转换速率为3.5V/?s,所设计的C/V转换增益为10V/pF,输入参考噪声密度为0.83?V/Hz。3.设计了C/V输出后的信号采样电路和开关电容滤波器;对ASIC必须用到的辅助电路,包括电路基准源产生电路、时钟产生电路,进行了简要介绍;完成了基于0.6?m CMOS工艺ASIC的布线(Layout)。4.完成了ASIC样品芯片的初步测试。芯片静态测试表明,C/V转换增益大约为10V/pF,基本符合设计要求;与蝶翼式微加速度计机械结构样品的联合测试表明,芯片功能正常,样品的标度因数为318.8 mV/g,较PCB板有所提升,偏值稳定性为0.484mg,与原PCB电路的性能相当。综上所述,本文首次完成了针对特定的蝶翼式加速度机械敏感结构的ASIC芯片,实现了加速度计的基本功能,基本达到了设计目标。