（电路与系统专业论文）微硅电容加速度传感器单片测试电路中弛张振荡器的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 微硅传感器是传感器的发展趋势，随着技术的发展，将微硅传感器和测试电 路集成在一块葛片上构成m e m s ( 微机电系统) 更是受到了广泛的关注。采用c m o s 艺设计出应用在微破电容加速度佟感器单片测试呶路中的弛张振荡器即是本文 的主黉研究嗣的。 本文介绍了微小嘏容的各种测试方法，分析了采用弛张振荡器进行测试的原 理，并设计出了构成弛张振荡器所需的电流溺、电流开关、羟制逻辑以及比较器。 最后对弛张振荡器进行了测试。 出于充敖窀电流对弛张舔荡器的性能有缀大的影嫡，因此本文掇基准电压源 结合在一起设计出一个受温度、电源电压、工艺条件影响很小的基准电流参考源。 为了减少# t 较器延时对强荡器的影稳，魄较器采精的楚筒速磁较器，它的延 时约为45 n s 。 针对弛张缀荡器溢凄性熊较差静特点，本文分雾亍了导致强张搽荡器温度特性 恶化的原因，并提出了单片弛张振荡器的一种温度补偿方法。利用该种方法，可 以方便逮箍麓疆张振荡器静滋度性麓，嚣没有壤燕它豹成本隧及瑟舔消耗。在麓 张振荡器的其它应用场合也间样可以使用该温度补偿方法来掇高温度性能。 幽于曩1 l 苕较为警遽鼓仿褰工具没有提供对簌荡溪戆输浅抖动送行测试豹方 法，因此本文在前人的研究熬础上，采取了估算的方法，对弛张振荡器的输出抖 动l 乍了毂步悠簿。 仿真结果表明，本文设计的弛张振荡器工作温度为一4 0 。c 一8 5 。c ，温度系数 为6 0 p p m ，。c ，竣出辩动约为6 3 7 n s 。 关键词：微醚电容加速度传感器，测试电路，单片，弛张振荡器，温度补偿 a b s t r a c t s i l i c o ns e n s o r sa r et h et e n d e n c yo ft h ed e v e l o p m e n to fs e n s o r s w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) h a v eb e c a m e m o r ea n dm o r ea t t r a c t i v e + t h i sp a p e ra i m sa td e s i g n i n gar e l a x a t i o no s c i l l a t o rw h i c hi s u s e di nt h er e a d o u tc i r c u i t sf o rs i l i c o nc a p a c i t i v ea c c e l e r o m e t e r sw i t hc m o sp r o c e s s i n t h i sp a p e r ，w ei n t r o d u c et h em e t h o d st ot e s tt h et i n yc a p a c i t o r sa n da n a l y s et h e p r i n c i p l eo fr e l a x a t i o no s c i l l a t o ru s e di nt h er e a d o u tc i r c u i t sf o rs i l i c o nc a p a c i t i v e a c c e l e r o m e t e r s t of o r mac o m p l e t er e l a x a t i o no s c i l l a t o r , w ed e s i g nt h ec u r r e n ts o u r c e 、 t h es w i t c h 、t h ec o n t r o ll o g i ca n dt h ec o m p a r a t o r a tl a s t ，w et e s tt h eo u t p u to ft h e o s c i l l a t o r t h ec u r r e n ts o d e c cp l a y sa l li m p o r t a n tp a r ti nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eo s c i l l a t o r w i t ht h eh e l po ft h ev o l t a g er e f e r e n c e ，w ed e s i g nac o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ew h i c hd o e s n o lv a r yw i t ht h et e m p e r a t u r e 、t h ev o l t a g es o l l r c ea n dt h ep r o c e s s t or e d u c et h ee f f e c to ft h ec o m p a r a t o r sd e l a y , w eu s et h eh i g h s p e e dc o m p a r a t o r , w h o s ed e l a yi sa b o u t4 5 n s t h et e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo ft h er e l a x a t i o no s c i l l a t o ri st o ob a d ，s ow ea n a l y s e t h et e m p e r a t u r ei m p a c to i lt h eo u t p u tf r e q u e n c ya n dan e wt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n m e t h o di si n t r o d u c e dt o g e t b e t t e r t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e i t c a ni m p r o v et h e t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ee a s i l yw i t h o u ti n c r e a s i n gt h ec o s ta n dt h ec o n s u m p t i o no ft h e a r e a t h i sm e t h o da l s oc a nb eu s e di no t h e rs i t u a t i o nw h e r et h er e l a x a t i o no s c i l l a t o ri s a p p l i e dt og e tb e t t e rt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e b e c a u s ep o p u l a rs i m u l a t i v et o o l sc a nn o tt e s tt h eo u t p u tj i t t e ro ft h eo s c i l l a t o r ，s o w i t ht h eh e l po f t h ep r e v i o u sr e s e a r c h ，w ee s t i m a t et h e j i t t e ro f t h eo s c i l l a t o r t h es i m u l a t i v er e s u l ts h o w st h a tt h er e l a x a t i o no s c i l l a t o rc a nw o r ki nt h er a n g e f r o m 一4 0 。ct o8 5 。c ，t h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to fi ti sa b o u t6 0 p p m 。ca n d t h eo u t p u tj it t e risa b o u t 6 3 7 n s k e y w o r d s ：s i l i c o nc a p a c i t i v ea c c e l e r o m e t e r ，r e a d o u tc i r c u i t s ，m o n o l i t h i c ，r e l a x a t i o n o s c i l l a t o r ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n l l 独创性声明 本入声明所圣交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 终及取褥静磋究成果。据我所熟，除了文中特别热潋藤注鞠致落的遣 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一嗣工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确懿说唆并表示落意。 ? 。b 善年阴7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保鼹、使用学位论文 的规定，有权保留并向豳家有关部门成机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅窝餐阕。本久授权电子科技大学可戳将学位论文 的全部或部分内容缡入有关数据库进行检索，可以采耀影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密精应遵守此规定) 签名：连塑一导师签名：鲰 日期：夕吨年f 月7 日 第一章绪论 第一章绪论 信息采集控制系统的首要部件是传感器，传感器技术与通信技术和计算机技 术已成为现代信息技术的三大支柱。在运动物体的控制和检测系统中，人们不仅需 要准确的线参量，更需要准确的角参量( 尤其是加速度信息) 【1 。加速度传感器主 要作用是检测加速度的变化，使人们对系统加速度的情况得到准确的掌握。它已广 泛应用于多种领域，从航天航空、国防军事到汽车电子、消费电子，都涉及到加速 度传感器的应用。通过加速度传感器的作用，加速度的变化被转化成为一些非电 物理量( 如位移) 的变化，而加速度传感器测试电路的作用则是把这些非电物理 量的变化转化为一些便于检测的电信号( 如电压、频率) 的变化，以利于检测。它 和传感器一起共同完成检测加速度的功能。 从上世纪6 0 年代末、7 0 年代初开始，随着科学技术的发展和军事、商业市场 的需求，人们设计出微硅加速度传感器，用于检测加速度，为军事、工业自动控 制、医疗等方面服务。由于在硅片上集成加速度传感器具有体积小，重量轻，易 于与测试、控制电路集成，有利于大规模批量生产等优点，随着这几十年的发展， 微硅加速度传感器的研究得到越来越广泛的关注。而在多种微硅加速度传感器中， 电容式微硅加速度传感器从7 0 年代末以来发展至今，已形成了一套比较成熟的理 论体系，它具有结构较为简单、制作工艺与常规微电子加工工艺兼容、灵敏度高、 使用简便等优点，目前得到了较为广泛的应用【2 j 。因此要求我们设计出与其对应的 损4 试电路以共同完成测试加速度的功能。 1 1 项目研制的重要意义 微硅加速度传感器在军事上的应用极为广泛，在飞机、导弹等设备上都需要 用到微硅加速度传感器以检测加速度的变化。 微硅加速度传感器在民用领域同样有着广泛的应用。随着国民经济的发展， 人民生活水平的提高，汽车将会得到越来越广泛的普及，因此对应用于汽车上的 微硅加速度传感器的需求会越来越大。另一方面，随着微机电系统( m e m s ) 技术 的发展，微硅加速度传感器被越来越多地应用到消费类电子和医疗电子领域。目 前美新( m e m s i c ) 公司的m e m s 芯片月产量可达5 0 0 万片。据统计1 9 8 8 年全世界 电子科技大学硕士论文 传感器的产毽为8 0 亿美元，2 0 0 3 年全世界传感爨枣场增长载2 0 8 亿美元，其中 2 1 的市场需求为加速度传感器。 尽管微硅热速度传感器的应用十分广泛，可惜蛇是国内强蘸在这个方囊还比 较落后，不管是军用的微硅加速度传感器还怒民用的微硅加速度传感器与国外的 先进产品相比还存在麓不小的差距。瞑此研制出高性能的微醚加速度传感器具有 重要的国防、经济意义。 作为微硅加速度传感器的重要组成部分，高速增长的微礁加速度传感嚣的需 求也对微硅热速度传憋器测试电路提出了越来越高的要求。特别是随蒲m e m s 技术 的发展，要求哉们把微硅传感器和测试电路集成到一片芯片上，构成片上系统 ( s y s t e mo nac h i p ，s o g ) 。闲此目前的铡试魄路基本都是以集成电路的形式掇现 的。而在目前届于微电子技术主导地位的双极技术和c m o s 技术中，由于c m o s 电 路本势其有功耗低、器件面积小、集威密度嵩静优点，并且它可以与电容式微硅 加速度传感器 i 艺兼容，因此成为了测试电路的首选工艺。 随着毫容式缎硅麓速度佼感器鑫掰褥越泉越普遍，应溺场合越来越广泛，入 们对与其对应的测试集成电路也提出了越来越高的要求。因此要求我们设计出性 能受麓魏测试亳路。 1 。2 困内铃发展瑗状与趋势 从上世纪年代末、7 0 年代初开赡，国终就已经开始微醚电容热速度传感嚣 及其相应的测试电路的研究，目前已缀取得了很大的进展并得到了广+ 泛的应用。 1 些蓑名的公司，如t i 、a d i 、m i c r o s e n s o r s 等都推瞧了各奥蛇微锉电蜜加速度 传感器产品。国内在这个方面的研究撮然起步较晚，但也取得了很大的进步，目 前包撼北京大学、清华大学等学校都在进行m e m s 方藤的研究。同时一些公司妇重 庆微系统科技股份有限公司、北京青鸟元芯微系统科技有限资任公司、山西科泰 微技术有限公司等也都推出了各自的m e m s 产龋。 鲻前对于微硅电密加速发传感器及其测试电路的最新技术进展生簧集中在以 f 几个方面： i 尽量提高测试窀路的精度，减少它造成的误差，以筏测试出来的结果更为 接近实际情况。例如焚国m i c r o s e n s o r s 公司推出微硅电容加速度传感器测试电路 芯片麓s 3 1 1 0 瓣分辨率( r e s o l u t i o n ) 为4 o a f ，勉，w 醴检测的电容褒纯范瀚为： 02 5 p f l o p f 。 第一章绪论 2 ，将测试电路秘徽硅电容如速殿传感器黛成到圊一块芯片上，构成m e m s ，使 其面积更，j 、，从而可以应用在更广的领域。例如目前在该领域领先的a d i 公司已 经推出了多款m e l v i s 芯片，并被广泛应用到多萋孛场合，如医疗器械、计算机硬蕊保 护、游戏操纵杆等。 3 随着技术的发展，目前微硅加速度传感器正嵌向三维的方向发展，目口用于 检测空间加速度的三维加速度计是未来的发髓趋势。因此也瓣求设计出与之对应 的测试电路。 1 3 本文的主要内容 本文第一章是绪论，介绍设计背景及意义。 第二章营先奔绍了焱硅溆容热邃疫诺感器兹工份原理；攘羞赍缨秘对比了鼙 前常见的测试方法：最后介绍了本文所研究的用弛张振荡器进行测试的方法。 第三章劐第五章分绍了舆俸戆彀鼹没跨遴程；篱三章先分缨了浚诗参数熬确 定，接着介绍了电流源、电流开关、控制逻j | 的设计过程；第四章介绍了高速比 较器的设计造程及箕牲麓戆测试；繁五章提爨了一耱瀑疫毒 偿方法，以获褥受好 的温度性能；第六章怒对电路的测试过程；第七章是版图设计。 媛最绘出了练论。 电子科技人学硕七论立 第二章微硅电容加速度传感器及其测试电路的工作原理 2 1 微硅电容加速度传感器的工作原理 21 1 微硅电容加速度传感器结构模型 这里介绍的微硅电容加速度传感器是目前最为常见的一种电容加速度传感 器采用质量块一弹黄一阻尼器系统来感应加速度，其结构如图2 1 所不。图中j j j 画山了一个基本单元。它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构 ( 矧2 - 1 只给出其剖面示意图) 。图中的质量块是微加速度计的执行器，与质量块 相连的是可动臂：与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构， 作为微加速度计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经过立体 加工形成的一种力学结构，它在加速度计中的作用相当于弹簧。图2 - 2 给出了微 妊电容加速度计芯片的扫描电镜( s e m ) 照片吲。 硅电容加速度计芯片的扫描电镜( s e m ) 照片嘲。 号 图2l 微硅电容加速度传感器结构模型 图2 - 2 微硅电容加速度计芯片的扫描电镜( s 酬) 照片 第二章微硅电容加速度传感器及其测试电路的工作原理 2 12 微硅电容加速度传感器的工作原理 。k 。 呻鳞i 。 l l 黟 薏。 蓼r 露蘸 雾灏 图2 - 3 微硅电容加速传感器的电学模型 图2 3 给出了微硅电容加速度传感器的电学模型，加速度计的工作原理可概述 如f ：当加速度计连同外界物体( 该物体的加速度就是待测的加速度) 一起加速 运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到 弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系：外界加速 度固定时，质量块具有确定的位移；外界加速度变化时( 只要变化不是很快) ，质 量块的位移也发生相应的变化。根据力学原理： h = 一m a( 2 1 ) x - - ：q d( 2 2 ) k 其中k 为弹簧的劲度系数，m 为质量块的质量，x 为可动臂的位移。 另一方面，当质量块的发生位移时，可动臂和固定臂( 即感应器) 之问的电 容就会发生相应的变化。当可动臂处于平衡位置时，它与两固定臂之间的距离相等 均为矗，它与两固定臂组成的电容器电容量为： c o = s 4 ，氏 ( 2 - 3 ) 其中，s 为移动臂与固定臂之间介质的介电常数，a 为固定臂覆盖移动臂的覆 盖面积。由于工艺的限制，一般得出的c n 都较小。 当移动臂相对平衡位置移动了一很小的位移x 时，可得： _ = 兰b ox = c 0 ( 熹c ) ox m 。土1 一一 一一生 戊 g 0 【1 + 瓦x + ( 毒) 2 + ( 毒) 3 - - 4 电子科撞丈学硕士沦文 电容总的变化为： 们玛一c z = c o 2 瓦x o + 2 搴3 + 】 与 ch 电容的相对变化为： 等2 2 言叶印2 十t 州 沼， 如果我们略去高次项可得： 笠。2 三：- 2 竺 c 0 , v o瓯 ( 2 8 ) 因此，如聚测褥感应器的电容变化，就等同于溯得了执行器( 旗嚣块) 的位 移，也就可以测出了加速度的变化”1 5 。 22 常见的微小电容测试方法 对于微小电容的测试，目前有很多不同的方法 4 】1 5 】f 6 1 1 7 】1 8 】1 9 1 ，我们不可能一一 列举，下瑟麓蕊分绍一下凡秘霆兹较为典型的方法。 ( 1 ) 调频法：这种方法鼹将电容传感器放到l c 域r c 谐搋回路中。当被测电 容发生变化时，振荡曦路的援荡频率将疆之交化，通过鉴频电路或计数电路将信 号的颓率变化擞检测出来即得到被测电容的变化4 1 。这种方法的电路可由下圈所 疆i ： a t 荸蕞荡器鉴频魄路 图2 - 4 调频法测试电路原理圜 严 三瓯 啦， x 啄 三磊 q 上峙 q o x 玉针 瓯 巷 0 第二章微硅电簿加速度倍感器及其测试电路的工作原理 这辩方法其有抗漱磁于扰能力强、埂于偿号传竣、输出易于数字纯及可获鼹 高电平输出的优点。主要存在的问题是：输出非线性较大，需要进行线性化处理； 由于溯门时间的限制，动态特性差，难二f 实现动态测量；工作频率较离，使褥杂 散电容的影响变得十分显著；而且由于电感和电阻都礞占用很大的面积，很难将 其集成到一块芯片上。 ( 2 ) 充放电法：这种方法怒利用对传感器电容的充放电来构成弛张振荡器，将 电容的变化转化为频察的变化，然后可以通过与谐振法同样的方法对频率进彳亍检 测。遮种方法酌缺点建增加了更大的杂散电容，测试精度较低，优点是可班将其 集成到一块芯片上，而且电路也比较简单【5 l 。这种方法的测试电路下谳将作详细介 绍。 ( 3 ) 运算法：运算法测试电路是将被测电容作为反馈元件接入运算放大器电 路中，电路反馈系数盘鞍测彀客帮一个参考溉容的浇德来确定。这荤申转换电貉的 优点是，在放大器输入阻抗足够大的前撮下能够消除 变极踅型电容传感器匏位移一电容匏j # 线性鞠。这静 结构的测试电路可由图2 5 所示。 毽慧宙于藏秘方法溺量静蹩电容静缀对交纯蓬， 因此对参考电容的特性要求非常严格，而要将一个非 鬻2 - 5 运算法溅试毫疼藤理墨 鬻精确静电容集成囊芯片上是 鬻基建豹。 ( 4 ) 交流电桥法：在较低的频率缀常采用电桥电路即a c 桥路法实现电容变化 的精确测量。这秘方法是将遗容接感器接入魄辏佟为了嚣令鞠邻甓，贯一个援臀 用标准电容实现参比，也可以采用差动电容分别作为比例桥臂，可以进一步提 离测鬃戆精度，减小蜚线性发鲍影响。这耱方法的优点是镄试的糖爱较裹，但是 要求我们设计出一个离阻抗、低温漂移的运算放大器，这对我们的设计能力和工 艺条传都提出了较赢的要求睁l 。这秘方法鲍一个典型电路结梭如下国厨示： 尘悼 哐囊 l l 图2 - 5 交流泡挢法测试电路骧璎图 综合上述介绍，本文决定采用充放电法，也就是采用弛张振荡器的方法。这 7 电子辩技大学硕士论文 种方法可以比较容易地把它集成到一块芯片上，固时设计起来也比较麓单，缺点 是精度较低。 2 3 采用弛张振荡器进行测试的源理 2 3 弛张掇荡器的工 睾漂瑾 弛张振荡髅，也往往被稔为电容充数电振荡器，它通过不叛在电攀上充放电， 从而输出连续不断的振荡波形f i o 。它的一般结构如图2 7 所示。 yss 图2 一? 常见的弛张振荡器的结构框图 这种振荡器结构非常简单，但是输出抖动很大1 0 1 。 阁g - 8 张振荡器的结构框图 i 掰疆压硒：i 骚l 磁疆珏砸| i i 圈。姗一1 7 ：驻瓣：骣蹲霹覃： f f f f j f 4、“ 训 “ 图2 - 9 振荡器的输出波形 本文所选用的振荡器结构如图2 - 8 所示f 潲，它酶工作原理可以简单解释如下： 先用个电流源上向电容充电，这时电容上的淑压将会不断上升，将电容上的电压 一 茎三兰壁壁垒窒塑鎏鏖堑壁篓墨茎型婆垒堕塑三蓬墨望 通过比较器与设定豹参考电压相比较。当电容上的电压高于高位比较器的参考电 压名m 时，控翱部分将会控剡开关动 睾，搜五叛齐，之导逶，电容开始透过厶放电， 电密的电压开始下降，设此时时刻为“当电容的电压下降到低于低位比较器的参 考瞧压 舀辩，控铡部分委次健开关动馋，镬互导遽，乏颧开，? ；又重毅黠电容充 电，设此时时刻为如。这样不停反复就可以在电容上输出迄续不断的振荡波形，图 2 9 绘出了装蠲理想元件仿真出来鼹振荡嚣波形。 设f 引= l l t ，则对上述到f ：的放电过程可得： 一i ：c 丝( 2 - 9 ) 露眈一黠擘 ( 2 - 渤 致一鬈婚一皤= 丢( 岛t ) ( 2 1 t ) t = t ：- q ：竺! 垡二垡! ( 2 - 1 2 ) 其中u ，为电察鲍输出电压幅艘，c 为邀容豹大小。 上式绘出了放电时问的表达式，由于在每个振荡周蠲都有一个充电过程和一 个敞电过携，所以振荡器的周期为2 t ，频率，为： ，= 1 2 ，2 甄毒巧( 2 - 1 3 ) 从( 2 一1 3 ) 式可以看出，若保持t 和一不变，则振荡频率仅和电容大 小e 有关。值褥注意髂跫，在上述贪缙中，并没裔考虑魄较器稆衽稍部分的延嚼 对振荡频率的影响，从以后的讨论中可以发现这两部分的延时会极大的影响本文 静设计释电路的襁髓。 2 。3 + 2 应耀弛张振荡器对微小邂容进 亍检测 在应用弛张振荡器对微小电容进行检测时，一般以外界加速度为零时对应的 赣疆频率箨为基豫来避行灏试。诧霹电容可葫臂簸子平餐位置，它与两溺定臂之 间的距离相等，设它与两固定臂组成的电容器的电容量为c 0 ，则由式( 21 3 ) 可知 鼗时对应鹣振荡嚣输警频率磊力： 9 电子科技大学硕士论文 2 瓦瓦i c 。历 ( 2 1 4 ) 当外界的加速度不为零时，可动臂与两固定臂组成的电容器的电容量发生了 改变，分别为e ，、e ：。这时与它们对应的振荡器的输出频率分别为： 工12 互云南2 j 石：= ：i c 2 厶一厶毒 2 1 5 ) 戈 六z2 2 c , 2 ( v 。l j h - v , , a ) ，= 工，一正，= 2 五喜 o o ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 在式( 2 1 7 ) 中，若保持t 和一不变，c 0 为电容可动臂处于平衡位置 与两固定臂组成的电容器的电容量，当微硅电容加速度传感器制造完成后，也是 固定不变的数值，因此五也是固定不变的。厂只由x 决定，频率的变化也就反映 了可动臂移动的距离，测试出频率的变化也就相当于测出加速度的变化。因此接 下来的主要任务是检测厂。 2 33 应用脉冲宽度调制进行频率测量 如上所述，在经过两个弛张振荡器作用后，把加速度的变化转化成了频率的 变化。为了检测频率的变化，本文采用了脉冲宽度调制进行测频的方法。如图2 7 所示，弛张振荡器输出的是三角波，为了采用脉冲宽度调制，首先把三角波转化 为方波，这可以通过一个比较器来实现。下图是脉冲宽度调制的结构框图； 图2 1 0 调制解调电路原理框图 接着把两个弛张振荡器的输出都接到上图所示的宽度调制模块，为了方便， 先取f 进行讨论。比较器的作用是把三角波转化为脉冲波，并不改变其频率。宽 毒民 篓三燕塑壁宴查塑鎏塞箜鲎矍墨基型鲨叠堕塑三堕錾垄 度调制的垦的是将脉冲调叛波谩裁成为离电平的宽度固定蔼占空匕变化的脉冲序 列。宽度调制的过程只是改变了调频脉冲波的占空比，而不改变调频波的瞬时周 期，所以经过宽度调制后的脉冲序列的瞬时频率和搬荡器输出的瞬时频率是样 的。经过宽麟调制后的输出波形如图2 一n 胼示。 设经过宽度调制后的脉冲高电平为，低电平为圪，脉冲宽度为r ，如图2 1 1 新示。 哥 v h v l o t o + t 10 + 酗 f 翻2 - 1 1 调制后的脉冲波形示意图 鞠霹褥任一蠲期内戆平璐电压致；： 肾* 7 即胪竖半丝 = 圪+ ( 一吒) f 工。 ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 从式( 2 1 9 ) 可以看出，国于、圪、f 都是常数，因此k 。的值和信号频率有 一对应关系。在工程上，积分的过程其实溉是一个滤波的过程。所以，只要将 宽度调制后的信号通过一个低通滤波器就可以得到被调制信号。 网理，令输出频率为z ：的振荡器也通过同样的资度调制模块，这时可褥输出 t ：为： = 虬+ ( 一魄) r 五： ( 2 2 0 ) 在得到k ，和k ：届，为了得到所需要的v ，可以通过两者相减实现，e p 妻b t 式耩示： 矿2 k ：一t ，2 ( 一玩) f ( 五：一五，) = 一班) 姆= 2 ( 一吃) 蜗索 2 2 1 上式中( 一玩) 、f 、磊、磊都是闺定不变浆数篷，爨诧最螽褥到的输出毫 压与x 之间怒一个一一对应的关系。而k 。和k ：相减可以通过一个仪表放大器来实 电子科技大学硕士论文 觋。因此最后褥到蛉憋个系绕的结梅梃圈如下图瓤示 i 嚣乜懈蚓珞- 拦 i 荡器1ii 磊麓簇j 。l 一 jijl 。基准电压源 - l 仪表放大器 = 1r 1r 鬻陋一嗽蚓鬈：-i l 荡器2l7 罚溪簇；l 一 图2 1 2 微硅电容加速度传感器测试电路的整体框图 在上图备模块中，其中的电容部分是由合作单位设计制造。本文负责的是其 中的弛张振荡器部分，其中比较器的参考电压由基准电压源提供。当然本文所设 计鹣比较器也w 胡子把振荡器的输出转化为方渡，便于磊级巍髑。 擞然系统需要两个弛张掇荡器，但是这两个振荡器的功能、参数、设计条件 都是一样静，因拉更灞设计舞一令符合要求静振荡器静可，两把它也应霜妥另一 个测试电容上。 本文辑袋鬻豹工藏为无锈土华公司静0 6 辩掰豹两层金耩巍篡多黼c m o s 王艺， 该工艺不仅撮供了c m o s 管，墩提供了p n p 管，以供不同的设计需要。本文主要的 电踺仿真工其为h s p i c e ，它怒嚣蔻糟发最煮豹仿真王其，嚣显可潋在w i n d o w s 平 台上运行。 ! 嫒图设计工具为t a n n e r ，它是一个较为简单的版图设计工具，而且也 可以在w i n d o w s 毫运行。本文主要熬癍建滠黢范围为o g 一8 5 。c 。 本章总结：本章介绍了微硅电容加速度传感器的工作原理，对比了目前常见 故测试方法，筹重点余绍了本文殛采瘸蛉测试方法，兔具体瓣电路设计骰好了准 备。 第三章系统参数的设定及部分电路的没计 第三章系统参数的设定及部分电路的设计 在整个系统中，本文需要设计的是弛张振荡器，如下圈所示 图3 一i 魏张振荡器漂理萄 其中所需的电压揍准源模块由其它同学负责，本文主要设计其中的电流源、 开关、控制邋辑和眈较器部分。 3 ，1 系统参数酶设定 在送嚣其体戆惫释设诗之翦，必矮先骥定各耱糨关兹参数，簌式( 2 一t 4 ) 露 以看出所须确定的各种参数。其中的微硅电容部分是由合作单位设计和制造，提 供绘本文约数据为当签赛热遴凄为零，可动甓处于乎餐位鬟瓣，它与圈定鹫毒句成 的电容器的电容量为5 p f 。当外界的加速度不为零时，移动臂与固定臂组成的电容 器的魄容量袋犬霹黢为6 p f ，最小霹戆失4 p f ，它懿簸为频繁瓣应用怒在5 p f 瓣透 摆动。因此还需我们确定的参数为：兀、。、p 赢。在这几个参数中，毫无 疑闻最重要戆参数是东，它爨接决定了其它足个参数的取僮。因韭i 应该首先决定五 的大“、。 3 1 中心多羹率五的确宠 振荡器斡中心频率主要囊掰检测熬搬速度蛉变化频率决定。振荡器的频率应 远高于加速度的相应频率。一方面可以不影响加速鹰计的频率响应，另一方面可 窀子科技大学硕士论文 以避免振荡信号对加速度信号进毒亍于拨。一般加速瘦昀应频率在十几到且专。k h z 之间，那么振荡频率成该为几西k 或者几兆赫兹的量级。综合考虑后，本文最终把 振荡嚣的中心频率定为1 m h z 。 31 2 比较黼参考电压的确定 在中心频率确定良嚣，可以开始确定低位比较器静参考魄压器致。穗高经院较 器的参考电压k 。，而在集成电路的设计中，这两个参考电压一般由基准电压源提 供，焉鏊蕊螯准电压滚露冤戆辕密毫愿为1 2 5 v 窝2 。5 v 。为了傈诞吃较爨静聂霉 工作，同时也为了设计的方便，经过综合考虑后，本文取为2 v ，为2 5 v 。 3 1 3 充敖楚电流t 的确定 在中心频率和输出电压都确定以后，可以根据式( 2 - 1 4 ) 计算出t 为5 u a ，但 在实际设计中，由于延时等因索的影嫡，f 饕取比5 u a 更大的值。 在系统的参数都确定以后，就可以开始进行电路的具体设计。从图3 一l 可以 看国本文需要设诗静泡路霞括窀滚滚、开关、控翱逻辑稻眈较器，其中出予比较 器电路的设计较为复杂，本文把它放在下一章单独讨论。本章主要介熠电流源、 开关和控镄邋辑的设计。 3 。2 瞧渡参考源，。的设计 在第二章已经介绍了，电流源的主要作用是提供向电容充放电的电流。而且 在式( 2 - 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 一 1 ) 豹稚学过程中，均是京馁设l 蠢定不变静清凌下逶 行的，因此本文设计出来的充放电电流源必须不受温度、电源电压、工艺变化的 影螭。 为了达到上述要求，本文先设计出一个不受温度、电源电压、工艺变化影响 豹龟流参考灌，它熬蒙理圈努下蚕瑟示 j ： 图3 2 电流参考源原理图 一乒 口 第三章系统参数的设定及部分电路的设计 它的工作原理可以简单解释如下：如果把运放看成理想元件，则可以得出 = k ，这时通过电阻蜀的电流，。为： l y 。一y 。口 如1 一i 一 ( 3 1 ) 在上式中，一，、。均是由基准电压源提供，在本设计中分别为4 v 和2 5 v ， 它受温度、电源电压、工艺影响很小，冠为外接精密电阻，基本不受温度、电源 电压、工艺的影响，因此得到的，。在温度、电源电压、工艺变化的情况下仍然可 以保持较为恒定的数值。在得到，。后，所需要的充放电电流就可以通过对m 1 进行 镜像得到。 由于、均是由基准电压源提供的，而p n p 管q 1 是通过外接来实现的，j r 为外接精密电阻。因此主要的设计工作为运算放大器的设计，下面就详细介绍运 放的设计。 321 运算放大器的设计 本文所用的运放为较为常见的两级运放，它的原理图如下图所示【”】 v d d 图3 3 两级运放 在上图中，第一级主要用于提供高增益，第二级提供大的输出摆幅，电阻月，和 电容g 实现密勒补偿，增大相位裕度。与运放相关的一些重要参数可由下面的推 导得出。 电子科技大学硕士论文 1 ，直流增益 2 ，共模输入范围 3 埝密摆蝠 4 单位增益带宽 5 。建立对闻 a ，。苴狸吐一 ( 3 2 ) ” ( 窖2 + 器赤4 ) x ( g 蠡6 + g 亦? ) c m r 一* p & 3 + l k m ，。卜i ， c m r + = l y 矗 5 | + 长2 一= ip k 6 k 。+ = j ，d “，7 ，：盈 。” 2 厅c s r ：垒 垒 j o s1 0 1 l 魏一石磊il 2 9 。扣 p 2 = 一_ g m _ 6 l 1 0 3 。x l p l p 2 a “ ，一p l p 2 旷习萧蓠 殇一一e 黄1 1 6 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 母) ( 3 1 0 ) ( 3 。1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 第三章系统参数的设定及部分电路的设计 6 电源抑制比 如：兰：一上1 n l o 0 0 1 x v o n 1 一f 2 伽nl v o v e r o o r g b ：虽曼 c 1 一v d 一= 墨! ! 墨盟 ( g 出2 + g 出4 ) g 出6 g b ”2 a v o - a v o + = _ _ 墨趟：哗 ( g a , 2 + g 4 1 9d n + ：! 墨尘2 墨尘! ! ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) g 在上面的公式中，g 。表示m o s 管的跨导，气表示m o s 管源漏级的电阻，g 。表 示m o s 管源漏级的电导，v o s a ，表示m o s 管的饱和电压，t 为负载电容。 3 2 2 偏置电路的设计 偏置电路的主要作用是向运放提供偏置电流，也就是图3 2 中的b i a s 信号。 产生偏置电流的方法有很多种，例如用一一个二极管连接的m o s 管串联一个电阻可 以构成一个最简单的偏置电路，此外还有w i l d a r 电流源、p e a k i n g 电流源、自偏 置电流源等。本文采用的是下图所示方案： ，上，i 、l ， 一一 ! _ j 广一“_ l l 彳” l 。 叶n 一基z r 1 ”尸卜_ 图3 4 偏置电路 电于科技大学硕士论文 上图中，m l 、m 2 、m 3 、m 4 为偏置电路的主要部分，m 5 、m 6 、m 7 为启动电路。 设m l 的宽长比为w l 。，m 2 的宽长比为k ( w 三1 。由上图可以看出： l = 2 十l m 玛 ( 3 - 2 0 ) 为简单起见，忽略体效应和沟道长度调制效应，并且设，= 坞。：，则： j 旦+ 踟】- 1 旦+ 踟计而2 b (3_21)wl v 以c 。va t 。k w l 6 最后可以得出 锄= 赢l 毒”去2 ，d 2 = 二一二 ( 1 一；1 2 ”h c w wr ? 、q k 。 ( 3 2 2 ) 从上式可以看出电流只由w 、上、足和k 来决定，与电源电压无关，这也是 这种结构的偏置电路的一个优点。图3 5 给出了电源电压变化1 0 情况下，输出 电流的仿真结果，可见电流受电源电压影响不大。 l 、 1 甲岫0 峨日 图3 5 偏置电流与电源电压关系图3 6 偏置电流与温度关系 同时为了减小温度对电流的影响，我们注意到在本文所采用的c m o s 工艺中， n w e l l 电阻具有正温度系数，h r ( 1 k ) 电阻具有负温度系数。因此，适当选取这两 种电阻的比值来构成图3 4 中的足可以获得相对较好的温度特性。图3 6 给出 了偏置电流与温度关系的仿真结果。在偏置电路设计好之后，将它应用到图3 3 的两级运放中，就可以对运放的进行仿真和测试。 3 2 3 运算放大器的仿真与测试 1 低频增益与相位裕度 第三章系统参数的设定及部分电路的设计 在运放的两个输入端输入交流小信号，对运放进行交流扫描，就可以仿真出 运放的增益和相位情况，得出的仿真结果如图3 7 、图3 8 所示。 ；、 f n 州汕m 2 】 图3 7 运放的增益仿真 l 卜 一一 一 、 、 一￥，。 弋 图3 8 运放的相位仿真 最后仿真得出的低频增益约为6 7 d b ，相位裕度约为6 0 。 2 建立时间 将运放接成闭环结构，并在输入端输入脉冲信号，就可以测出运放的建立时 间。仿真出的建立时间波形如下图所示： 厂， 、 o 1 ，l 毋“ 图3 9 运放的建立时间 最后仿真出来的建立时间约为3 0 n s 。 3 电源抑制比 电源抑制比表示电路对电源噪声的抑制作用。在这里，又可分为p s r r + 和 p s r r 一，分别表示电路对电源噪声和对地噪声的抑制作用。分别在电源和地输入 电子科技大学硕士论文 小信号，再对电路进行交流分析，就可以测出p s r r + 和p s r r 。 、 ； v 图3 一l o 运放的牌r + 图3 1 0 、图3 一l l 给出了运放的p s r r + 和p s r r 出来的p s r r + 在低频时约为8 0 d b ，p s r r 一约为7 5 d b 。 3 2 4 电流参考源的仿真与测试 “ | = 芸】 “ “ 图3 1 1 运放的尸5 曰r 的仿真波形。最后仿真 在运放设计完成之后，将它应用到图3 2 所示的电流参考源电路中，就可以 得到一个受温度、电源电压、工艺影响很小的参考电流，下面就对它进行仿真和 测试。 1 参考电流与温度的关系 从式( 3 - - 1 ) 可以看出，如果比、，和r j 不随温度变化，那么得到的电流也 不随温度变化。但由于k ，和是由基准电压源提供的，本身具有一定的温度系数， 因此最后得到的参考电流随温度变化也会有一定的变化。本文取常温时的参考电 流为6 2 6 7 u a ，对其进行温度扫描，得到的仿真结果如下图所示： i 焱 ； ? 图3 1 2 参考电流与温度的关系 从上图可以看出，温度对电流的影响很小。实际上，最后测出参考电流的温 度系数约为3 0 p p m 。c 。 2 参考电流与电源电压的关系 为考察电源电压波动对参考电流的影响，本文仿真出电源电压波动1 0 的情 第三章系统参数的设定及部分电路的设汁 况下，参考电浚的变化。涛况，如下图所示 ；lj ，卜叫 f 厂 r 、 图3 一1 3 参考电流与电源电压的关系 仿真衰唆爨电源惫援扶4 5 v 交纯翻5 ，5 v # 孪，参考电流交纯了0 0 0 2 4 u a ，可 以说参考电流慕本不受电源电压影响。 3 参考毫滚与工艺条静静关系 c m o s 工艺在制造的过程中，按照n m o s 管和p m o s 翁的工作速度，可组合j ! ；| 到 如f 凡耱不羁竣工艺蘩 串：典狴n t o s 餮斐型糍褐( t t ) 、交邃n 瀚s 帮抉遮p m o s ( f f ) 、慢速n m o s 和慢速p m o s ( s s ) 、快速n m o s 和慢速p m o s ( f s ) 、慢速n m o s 和 快速p m o s ( s f ) 。本文设诗出壤艇参考电滚受一乏述凡毒孛工艺条悖戆影穗缀小，在5 种不同的工艺条件下，得到的参考电流基本不变，仿真结果如下图所示； 蚕3 一挺参考瞧流与工艺条静静关系 从上图可以看出，工艺变化对参考电流的影响很小，实际上，在其它条件不 变静清况下，在5 静工艺条件中，得到静最大窀漉为6 2 6 8 3 u a ，激小电流为 6 2 6 7 7 u a 。从f 表也司以看出工艺变化对参考电流的影响- t t i d 。 表3 1 基准电流与工艺条件的关系 p r o c e s s t t_ f r s s f s s f l ( u a ) 6 。2 6 8 06 2 6 8 36 。2 6 7 76 2 6 8 6 2 6 7 9 通过上述的分析* t l n 试，最终得到了一个爱温度、电源电压和工艺条件影响 电子科技大学硕士论文 很小的参考电流，因此我们可以把该参考电流应爆到充放电电滚滚申对电容送行 充放电。 3 3 充放电电流源的实现 为了得到辩毫容究放电的电流源，可以通过对图3 2 中的m 1 进行镜像来实 现。基本的电流镜如下圈所示： 从上图可以得出 图3 一1 5 基本电淡镜 b = 了t 胁吃t 了w ) ，( 一) 2 ( 1 + 五，) ? 。= i 1 筠吃w ) 。( 一) 2 ( 1 + 盖：) 生：! ! ! 丛! 墨z f 。( w ，五x1 蠢 刍1 ( 3 。2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 。2 5 ) 从上- 式可以看出这耪电路的优点怒可以精确复毒l