發(fā)布時間：2018-08-02 17:59

【摘要】：近年來,高精度電容式加速度計片上系統(tǒng)(SoC)將微機械傳感器與外圍電路相集成,進一步壓縮體積,節(jié)省成本,并具有分辨率高、噪聲低、溫漂系數小、功耗低等優(yōu)點,在航空航天、國防軍工、地震勘測等尖端領域起著重要作用,具有廣闊的發(fā)展前景,已成為研究熱點。在加速度計SoC中,為了將傳感器采集到的加速度信號完整地提供給數字電路進行數字信號處理,必須先通過高精度的模數轉換器(ADC)將傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號。然而,在目前的許多研究中模數轉換器已成為限制該系統(tǒng)精度的瓶頸所在。因此設計并實現適用于微機械加速度計的高精度專用模數轉換器芯片具有非常重要的意義。Sigma Delta調制技術利用過采樣和噪聲整形,無需精準的模擬元件即可實現高分辨率,是在CMOS工藝下實現高精度低功耗模數轉換的最佳途徑。低通型Σ△ADC可以在低頻段(0-20KHz)實現18位或更高的轉換精度。然而,為消除低頻閃爍噪聲的影響,電容式微機械加速度計將4KHz帶寬的加速度信號調制到100KHz-200KHz頻段,從而超出了傳統(tǒng)低通Σ△ADC的信號處理范圍,而其他高頻率的奈奎斯特型ADC又難以達到足夠的精度。綜合考慮轉換精度、功耗和電路復雜度,帶通型Σ△ADC更加適用于高精度電容式微機械加速度計的應用。目前國內外已有關于帶通Σ△調制技術的研究多集中在無線通信領域,關于微機械傳感器應用領域的研究較少,更鮮有實際流片的測試結果。在此背景下,本文研究并設計實現了應用于微機械加速度計SoC的高精度、低功耗帶通sigma-delta模數轉換器。論文主要工作及創(chuàng)新點包括:系統(tǒng)地分析了不同類型和結構Σ△調制器的差異,為達到高轉換精度并保證高階Σ△調制器的環(huán)路穩(wěn)定性,首次提出將單環(huán)前饋結構應用于高階帶通Σ△調制器,并對該調制器的穩(wěn)定性進行了研究,給出具有實用性的穩(wěn)定條件。對調制器電路中的各種非理想因素進行理論分析計算,根據系統(tǒng)仿真結果完成了帶通∑△調制器的電路設計、版圖設計,進行了大量后仿真驗證和版圖優(yōu)化。針對帶通Σ△調制器輸出信號中包含的大量帶外噪聲,設計了硬件節(jié)省的多級數字濾波器,避免在應用過程中帶外噪聲混疊到帶內。基于0.18μm 1P6M Mixed-signal CMOS工藝,設計并實現了帶有6階1比特量化調制器的世上首款可工作于100KHz-200KHz頻段的高精度帶通Σ△ADC芯片。單比特量化ΣA ADC裸片面積5mm2(包含IO),模擬部分采用3.3V電源電壓,數字部分采用1.8V電源電壓。測試結果表明,ADC芯片在4KHz信號帶寬內功耗5.8mW,可以達到90dB信噪失真比,96dB動態(tài)范圍。兩種定義的綜合品質因數FOM分別達到156dB和23.3pJ/step,與其他應用領域的帶通ADC測試結果對比,本文的FOM均處于國際先進水平。為進一步提高Σ△調制器在低過采樣率條件下的轉換精度,本文在單比特量化調制器基礎上進行改進,又設計了 一款單環(huán)前饋6階4比特量化帶通Σ△調制器,并給出穩(wěn)定條件。在系統(tǒng)仿真驗證中,分析了多比特量化調制器內反饋DAC電容失配對調制器整體線性度的影響,首次提出該反饋DAC非線性模型,設計了動態(tài)元件匹配電路,減小了該電容失配引起的非線性。完成了帶有4比特量化調制器的ΣAADC的電路設計、版圖設計、后仿真驗證。4比特量化Σ△ ADC裸片面積4mm2(包含IO),在1.8V/3.3V電源電壓下功耗為6.5mW,后仿真結果表明在4KHz帶寬內信噪失真比為96dB,動態(tài)范圍102dB。與第一款的后仿值相比,轉換精度提高了 3dB,滿足了應用需求。
[Abstract]:In recent years, the high precision capacitive accelerometer on chip system (SoC) integrates the micromechanical sensor with the peripheral circuit, further compresses the volume, saves the cost, and has the advantages of high resolution, low noise, low temperature drift coefficient, low power consumption and so on. It plays an important role in the fields of aerospace, national defense military work, seismic survey and so on. In the accelerometer SoC, in order to integrate the acceleration signals collected by the sensor to digital circuits for digital signal processing, a high precision analog to digital converter (ADC) must be used to convert the analog signal output from the sensor to digital signal. The converter has become the bottleneck to limit the precision of the system. Therefore, it is very important to design and implement a high precision special analog to digital converter chip suitable for micromachined accelerometers..Sigma Delta modulation technology uses over sampling and noise shaping, without precise analog components, it can achieve high resolution. It is under the CMOS process. The best way to achieve high precision and low power analog conversion. Low pass sigma delta ADC can achieve 18 bit or higher conversion accuracy at low frequency (0-20KHz). However, in order to eliminate the influence of low frequency scintillation noise, the capacitive micromachined accelerometer modulates the acceleration signal of 4KHz bandwidth to the 100KHz-200KHz band, which is beyond the traditional low pass sigma delta ADC. The range of signal processing, while other high frequency Nyquist type ADC is difficult to achieve enough precision. Considering the conversion precision, power and circuit complexity, the band-pass sigma delta ADC is more suitable for the application of high precision capacitive micromachined accelerometers. At present, the research on the bandpass sigma delta modulation technology has been concentrated in the world at present. In the field of line communication, there are few studies on the application of micromechanical sensors, and more of the test results of actual flow sheets. In this context, a high precision and low power bandpass sigma-delta analog to digital converter applied to the micromachined accelerometer SoC is studied and designed. The main work and innovation points of this paper are as follows: systematic analysis In order to achieve high conversion precision and guarantee the stability of high order sigma delta modulator, the single loop feedforward structure is first applied to the high order bandpass sigma delta modulator, and the stability of the modulator is studied, and the stability conditions of the modulator are given. The ideal factors are theoretically analyzed and calculated. According to the simulation results, the circuit design of the bandpass sigma delta modulator is completed and the layout is designed. A large number of post simulation verification and layout optimization are carried out. A multilevel digital filter is designed for the hardware saving in the output signal of the bandpass Sigma delta modulator, which avoids the application of the multilevel digital filter. The outside band noise is mixed into the band. Based on the 0.18 m 1P6M Mixed-signal CMOS process, the first high precision bandpass sigma delta ADC chip with the 6 order 1 bit quantization modulator is designed and implemented. The single specific quantization Sigma A ADC bare area 5mm2 (including IO), the analog part uses the 3.3V power supply voltage, the digital part. 1.8V power supply voltage is used. The test results show that ADC chip can consume 5.8mW in 4KHz signal bandwidth, and can achieve 90dB signal to noise distortion ratio and 96dB dynamic range. The two defined comprehensive quality factor FOM reaches 156dB and 23.3pJ/step respectively. Compared with other applications, the FOM of this paper is in the international advanced level. In order to further improve the conversion precision of the sigma delta modulator under low oversampling rate, this paper improves on the basis of a single quantization modulator. A single loop feedforward 6 order 4 bit quantization band pass sigma delta modulator is designed, and the stability conditions are given. In the system simulation verification, the feedback DAC capacitance in the multi bit quantization modulator is analyzed. The feedback DAC nonlinear model is proposed for the first time, and the dynamic component matching circuit is designed for the first time. The nonlinearity caused by the capacitor mismatch is reduced. The circuit design, layout design with 4 bit quantization modulator, the layout design, and the post simulation verification of the.4 bit quantization sigma delta ADC bare area 4mm2 (including IO) are completed. The power consumption is 6.5mW under the 1.8V/3.3V power supply. The simulation results show that the signal to noise distortion ratio in 4KHz bandwidth is 96dB, the dynamic range 102dB. is compared with the first model, and the conversion precision is improved by 3dB, and the application needs are satisfied.
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN792;TN761

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本文編號：2160228