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仪表技术与传感器 2005年第9期 38-40页

作者：王春光冯则坤龚荣洲刘昌辉华中科技大学电子科学与技术系湖北武汉430074

根据吸波材料的介电特性,设计制作了一种新的高性能、低成本电容式吸波涂层厚度无损测量系统。通过采用一种新型电容信号采集框架式集成芯片(Frame-ASIC)CAV424以及屏蔽措施和低价位RISC微控制器,实现了差分技术和三信号检测技术相结合... 详细信息

根据吸波材料的介电特性,设计制作了一种新的高性能、低成本电容式吸波涂层厚度无损测量系统。通过采用一种新型电容信号采集框架式集成芯片(Frame-ASIC)CAV424以及屏蔽措施和低价位RISC微控制器,实现了差分技术和三信号检测技术相结合的方法,系统可以自动调零、校正并消除大部分误差。在大于1 mm的范围内精度达到1μm.由于所选微控制器带有内置10位A/D转换和LCD驱动,CAV424输出的差分电压信号能够直接与微控制器中的ADC连接,系统的结构非常简单。

关键词：吸波涂层电容式传感器三信号检测技术电容-电压转换器框架式集成芯片

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基于相关双放大技术的低噪声MEMS加速度计读出电路设计

基于相关双放大技术的低噪声MEMS加速度计读出电路设计

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作者：周宣臣东南大学

学位级别：硕士

物联网应用的低成本需求驱使MEMS传感单元尺寸激进地缩微,这使得目前传感单元典型灵敏度降低到1f F/g的极限值。为维持信噪比,极低灵敏度对读出电路的底噪提出更高的要求,但皮法级别寄生电容带来的显著热噪声加剧了信噪比恶化。传统读... 详细信息

物联网应用的低成本需求驱使MEMS传感单元尺寸激进地缩微,这使得目前传感单元典型灵敏度降低到1f F/g的极限值。为维持信噪比,极低灵敏度对读出电路的底噪提出更高的要求,但皮法级别寄生电容带来的显著热噪声加剧了信噪比恶化。传统读出电路通过牺牲功耗来提高采样频率和提高激励电压以降低底噪,导致能效较低。本文旨在解决传统读出电路功耗与噪声的折衷问题,提升读出电路能效。本文首先对MEMS电容型加速度计敏感单元传递函数、读出电路工作原理进行分析,确定电压控制读出方式更适合低功耗低成本的物联网应用。然后对电压控制读出中MEMS-CMOS封装引入皮法级别寄生电容带来的噪声恶化效应进行分析,得到k TC噪声占主导的条件。相关双采样技术（Correlated Double Sampling,CDS）多年来在MEMS加速度计读出电路中被用于降低offset和增益误差,尚未被应用于降低k TC噪声。在k TC噪声占主导的前提下,本文在传统CDS降噪的基础上,提出一种新的降噪技术应用到MEMS加速度计读出电路中来降低k TC噪声:相关双放大（Correlated double amplifying,CDA）降噪技术。CDA与CDS降噪的本质区别在于:CDA在保留上一次放大结果的前提下通过吸收-释放机制消除k TC噪声电荷,而CDS在没有放大信号的前提下通过采样-消除机制消除k TC噪声电荷。因此CDA在抑制k TC噪声的同时抑制增益误差,能够带来读出精度和信噪比的双提升,CDS无法做到。CDA与CDS的相同之处在于:都无法抑制运算放大器的热噪声。最后对MEMS敏感单元的非理想效应进行分析,采用相应的补偿方案以提升读出精度:采用有源和无源结合的共模电荷补偿技术抑制输入共模偏移效应,采用无源差模电荷补偿技术矫正传感电容失配效应。本文基于UMC 0.18μm工艺完成低噪声高能效的MEMS电容型加速度计读出电路设计,完成版图设计并进行不同工艺角下的后仿真验证,最终完成流片测试。测试数据表明,MEMS电容型加速度计读出电路系统底噪为112μg/√Hz,动态范围为48d B,Fo M为80p J,Fo M为254μW·μg/Hz。相比传统前置CDS读出电路,CDA读出电路在保持高精度的同时能够将读出电路系统底噪降低50%,动态范围提升6d B,能效提升50%。

关键词： MEMS加速度计读出电路电容-电压转换器降噪技术

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传感器差分电容检测电路的设计

传感器差分电容检测电路的设计

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作者：潘宇翔电子科技大学

学位级别：硕士

随着MEMS惯性器件技术的不断进步,MEMS惯性器件在军用和民用领域应用广泛。他们具有物理尺寸小、功耗低、出色的稳定性和环境适应能力。差分电容式传感器常常被用于探测各种物理量如压力值、位移、加速度、角速度等。这种传感器在电学... 详细信息

随着MEMS惯性器件技术的不断进步,MEMS惯性器件在军用和民用领域应用广泛。他们具有物理尺寸小、功耗低、出色的稳定性和环境适应能力。差分电容式传感器常常被用于探测各种物理量如压力值、位移、加速度、角速度等。这种传感器在电学模型上可以用两片可变电容来表示,其电容与所要探测的物理量有关。由于各种微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的尺寸都很小,电容式传感器的差分电容变化量非常小,对于差分电容差值的检测电路的设计就对工程师提出了非常高的挑战,因此这一领域也成为了各机构和院校的研究热点。本文从基本的原理出发分析了电容式传感器的基本模型和电路噪声组成,比较了三种不同的检测方式的电路结构,包括连续时间电压检测方式、连续时间电流检测方式和开关电容电荷检测方式,并基于开关电容(Switched-capacitor,SC)电荷检测方式实现了一种前端检测电路。本文首先设计了一个全差分增益增强的运算放大器用于电容-电压转换模块和采样/解调模块,以满足开关电容电路对运放带宽和增益的高要求。然后提出了一个新型结构用来提高大位移信号下的线性度。由于电路工作于低频段,相关双采样技术被用于减少闪烁噪声和直流失调的影响,包括每一个MOS开关和时钟的相位都进行了设计来抑制开关及寄生带来的非理想因素的影响。在最后的输出端是一个采用了斩波运算放大器的低通滤波器,用来滤除毛刺和噪声。同时也设计了包括时钟源、带隙基准电压、电流源、分频器与时序产生电路等外围电路。检测电路系统的突出优点是对噪声的抑制和较好的线性度,并且可以通过可编程电容阵列调整非线性补偿、失配补偿并适应不同静态电容大小的表头。检测电路基于0.18μm CMOS工艺进行设计仿真并进行了细致的版图设计和流片。版图布局考虑了最佳匹配规则,并采用低噪声的布局和设计。仿真显示检测电路-3dB带宽大于25kHz,100Hz处噪声为3.64μV/√,可适应1000pF的单边静态电容和1倍的可程控增益范围,最终测试了检测电路的电容-电压输入输出转移曲线。

关键词：检测电路增益增强运放电容-电压转换器线性度相关双采样

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