傳感器讀出芯片用來將傳感器輸出的微弱模擬信號轉換為數字信號,被廣泛應用于工業(yè)控制、儀器儀表、微處理器輔助接口等領域。本論文研究并設計了一款適用于超低頻信號測量的低噪聲低功耗傳感器讀出芯片,包括低噪聲儀表放大器和模數轉換器(ADC)兩部分,設計重點難點在于對低頻噪聲的處理。本論文從傳感器讀出芯片的原理、架構、噪聲和電路幾個方面出發(fā),對低噪聲傳感器讀出芯片進行了深入研究。論文的主要工作概括如下:(1)基于雙采樣技術,提出了一種新的將儀表放大器嵌入到Σ-Δ調制器的開關電容積分器中的電路設計方案,降低了前端儀表放大器低頻1/f噪聲的同時,簡化了電路結構,儀表放大器的輸出端無需外接片外電容,減少了芯片的引腳個數和應用成本。(2)對傳感器讀出芯片中Σ-ΔADC的系統(tǒng)設計進行了研究,總結性地給出了低頻窄帶Σ-Δ調制器的系統(tǒng)設計流程,包括調制器系統(tǒng)架構的選取、噪聲傳遞函數的設計和環(huán)路系數優(yōu)化方法。采用該流程,能夠得到功耗、噪聲優(yōu)化的低頻窄帶Σ-ΔADC系統(tǒng)。(3)深入分析了CMOS電路的噪聲,對儀表放大器的窄帶噪聲進行了優(yōu)化設計,并且采用相關雙采樣技術,降低了Σ-Δ調制器中第一級積分器的1/f噪聲。(4)對Σ-ΔADC中的數字抽取濾波器進行了研究設計,使用verilog-HDL描述、自動綜合、布局布線生成,可實現10/80Hz兩種數據速率的切換,數據速率為10Hz時,能實現對50Hz和60Hz工頻噪聲的抑制。(5)采用UMC 0.11μm CMOS工藝進行電路設計,將芯片的電源電壓從目前商用產品的2.7~5.5V拓寬至1.7~5.5V,擴大了芯片的應用場合,并降低了芯片的功耗。同時,完成了整體芯片的電路及版圖設計,并提取寄生參數進行了后仿真驗證。采用UMC 0.11μm 2P6M CMOS工藝進行了電路及版圖設計,包含IO Pad的芯片總面積為1.6×1.4mm~2。芯片供電電壓1.7~5.5V,內含LDO電路,除LDO外的其它電路工作在LDO提供的1.5V電壓下,整個芯片消耗的電流為2.3mA,功耗小于3.8mW。后仿真結果表明,芯片輸入端等效噪聲為12nV/Hz~(1/2),在10Hz數據速率下,有效位數達到了18.7-bits,滿足了預定的設計目標。
【學位單位】：華僑大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TP212;TN402
【部分圖文】：

圖 2.1 傳感器讀出芯片的典型應用場景出信號頻率較低，一般在直流到幾 KHz 之間，且輸出電至 μV 量級，例如常見的熱敏電阻橋傳感器、霍爾傳感器的 ADC 不能直接處理如此微弱的信號，在這之前，需要號經低噪聲放大器放大到 ADC 的滿量程范圍內再進行模大器被稱為儀表放大器，其特點為具有非常低的輸入噪性能指標隨溫度等環(huán)境因素漂移很小，尤其適用于儀器，并因此得名。單片集成了儀表放大器和 ADC 的芯片即.2 給出了傳感器讀出芯片的內部框架圖。

圖 2.1 傳感器讀出芯片的典型應用場景信號頻率較低，一般在直流到幾 KHz 之間，且輸出 μV 量級，例如常見的熱敏電阻橋傳感器、霍爾傳感 ADC 不能直接處理如此微弱的信號，在這之前，需經低噪聲放大器放大到 ADC 的滿量程范圍內再進行大器被稱為儀表放大器，其特點為具有非常低的輸入性能指標隨溫度等環(huán)境因素漂移很小，尤其適用于儀并因此得名。單片集成了儀表放大器和 ADC 的芯片 給出了傳感器讀出芯片的內部框架圖。

第一級電路也需要仔細匹配，需要在版圖設計，三運放儀表放大器采用了兩級高增益運算放大輸入阻抗和較好的線性度，缺點為功耗較高。同增益為 1，輸入端共模信號變化會直接傳遞到第一還要疊加上放大后的差模信號，為了不使第二級共模輸入范圍通常很小。此外，受限于第二級反 很難做高。三運放儀表放大器的輸出是相對于參考電壓 Vref的用場合，三運放儀表放大器的第二級可以更改為級去掉，僅保留第一級，也就構成了“兩運放”電路，其 CMRR 不再受第二級反饋電阻匹配精度構高輸入阻抗和高線性度的優(yōu)點，并且由于去掉降低。饋型儀表放大器
【參考文獻】

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1 李欣序;基于CMOS工藝的高性能儀表放大器設計[D];吉林大學;2017年

2 蘇寧寧;霍爾傳感器讀出電路的低噪聲運算放大器設計[D];北方工業(yè)大學;2017年

3 王寶續(xù);應用于圖像傳感器的雙斜坡模數轉換器的設計[D];吉林大學;2014年

4 黃婷;應用于生物傳感器的低功耗增量式ADC的研究與設計[D];中國科學技術大學;2014年

5 范銳;用于植入式神經信號記錄的低噪聲低功耗高精度儀表放大器的研究與設計[D];浙江大學;2012年

6 劉召輝;低噪聲專用儀表放大器的設計[D];浙江大學;2008年

7 章建欽;24位∑-△A/D轉換器中抽取濾波器的設計和實現[D];廈門大學;2008年

8 蔡友;Sigma-Delta ADC中抽取濾波器的研究與實現[D];浙江大學;2007年

本文編號：2866743