国 内 图 书 分 类 号 ： TN432 学 校 代 码 ： 10213国 际 图 书 分 类 号 ： 621.38 密 级 ： 公 开工 学 硕 士 学 位 论 文低 功 耗 压 阻 加 速 度 计 接 口 电 路 设 计硕 士 研 究 生 ： 王 嘉 琪导 师 ： 刘 晓 为 教 授申 请 学 位 ： 工 学 硕 士学 科 ： 微 电 子 学 与 固 体 电 子 学所 在 单 位 ： 航 天 学 院答 辩 日 期 ： 2011 年 6 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index: TN432U.D.C: 621.38Dissertation for the Masters Degree in EngineeringLOW POWER INTERFACE CIRCUIT DESIGNFOR PIEZORESISTIVE ACCELEROMETERCandidate： Wang JiaqiSupervisor： Prof. Liu XiaoweiAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Microelectronics and Solid-StateElectronicsAffiliation： Dept. of Microelectronics Scienceand TechnologyDate of Defence： June, 2011Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文摘 要基 于 压 阻 效 应 原 理 的 硅 微 加 速 度 计 具 有 可 靠 性 高 ， 灵 敏 度 高 ， 成 本 低 ， 结构 简 单 等 优 点 ， 广 泛 应 用 于 工 业 、 医 疗 设 备 、 国 防 建 设 等 领 域 。 但 前 端 结 构 部分 惠 斯 通 电 桥 中 压 敏 电 阻 的 温 度 特 性 导 致 的 温 度 敏 感 性 和 电 阻 不 匹 配 问 题 导 致的 零 点 偏 移 使 传 感 器 需 要 接 口 电 路 进 行 处 理 。 因 此 设 计 具 有 修 正 零 点 偏 移 功 能的 接 口 电 路 具 有 重 要 意 义 。本 文 根 据 压 阻 式 硅 微 加 速 度 计 及 接 口 电 路 的 工 作 原 理 ， 设 计 了 可 以 修 正 传感 器 零 点 偏 移 的 接 口 电 路 。 为 了 减 小 整 体 接 口 电 路 的 功 耗 ， 本 设 计 从 晶 体 管 级和 系 统 级 两 方 面 对 接 口 电 路 的 功 耗 进 行 了 优 化 。本 文 通 过 比 较 几 种 三 级 运 算 放 大 器 的 工 作 原 理 ， 基 于 电 容 乘 积 原 理 ， 设 计了 CMFC 三 级 低 功 耗 运 算 放 大 器 。 由 于 压 阻 式 硅 微 加 速 度 计 的 传 感 器 结 构 输 出信 号 存 在 较 大 的 零 点 偏 移 ， 需 要 进 行 零 偏 校 正 ， 本 文 设 计 了 基 于 逐 次 逼 近 原 理的 修 正 传 感 器 零 点 偏 移 电 路 ， 包 括 比 较 器 、 二 进 制 双 向 可 逆 计 数 器 、 数 模 转 换器 、 启 动 控 制 逻 辑 电 路 和 时 序 发 生 电 路 的 设 计 ， 其 中 启 动 控 制 逻 辑 的 设 计 是 为了 在 确 定 逐 次 逼 近 完 成 后 ， 关 闭 比 较 器 、 二 进 制 双 向 可 逆 计 数 器 等 只 是 用 于 零点 偏 移 修 正 的 电 路 模 块 ， 从 而 降 低 系 统 功 耗 。在 完 成 电 路 中 各 个 模 块 的 设 计 后 用 Hspice 对 整 体 接 口 电 路 进 行 仿 真 ， 仿 真结 果 表 明 在 电 路 增 益 为 500 的 情 况 下 当 输 入 零 点 偏 移 500 mV 时 ， 经 过 第 一 级零 点 偏 移 电 路 修 正 后 零 点 偏 移 由 500 mV 下 降 为 143.5 mV； 经 过 第 二 级 零 点 偏移 修 正 后 零 点 偏 移 降 为 1.9 mV， 实 现 了 传 感 器 零 点 偏 移 的 修 正 。 最 后 本 文 对 接口 电 路 进 行 了 版 图 设 计 并 流 片 ， 经 测 试 得 出 接 口 电 路 的 功 耗 为 4.62 mW， 修 正精 度 为 4 mV, 修 正 偏 移 电 压 范 围 为 0500 mV， 满 足 了 设 计 要 求 。关 键 词 ： 压 阻 加 速 度 计 ； 低 功 耗 ； 逐 次 逼 近 ； 接 口 电 路-I-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文AbstractPiezoresistive accelerometer with its high reliability, high sensitivity, low cost,simple structure is used widely in industry, biomedical devices and country safety.However sensors zero offset generated by Wheatstone bridge has a severe negativeeffect on the performance of the whole system, thus, the sensor need interfacecircuit to calibrate the zero offset. Therefore, the interface circuit for piezoresistiveaccelerometer which calibrates sensors zero offset is of great significance.Based on the working principle of piezoresistive accelerometer, the thesispresents an interface circuit which can calibrate sensors zero offset. Furthermore,the design reduces the power of the whole interface circuit through transistor andsystem.According to compare working principle of some three stage amplifiers, thethesis presents a three stage CMFC low power amplifier. The interface circuit whichcan calibrate sensors zero offset includes amplifier, accumulator, comparator,bidirectional reversible counter, latch, start control logic, and D/A convertor. Thepower of counter and comparer is cut off by start control logic after auto-zeroing tofurther reduce power dissipation.After designing the whole interface circuit, we simulate it by Hspice. When thecircuit gain is 500 and the input zero offset is 500 mV, the zero offset is 143.5 mVthrough the first stage of the interface circuit. Through the second stage of theinterface circuit the zero offset is 1.9 mV, therefore, the interface circuit calibratessensors zero offset successfully. Finally, the thesis design the layout of the interfacecircuit, and the circuit is fabricated by standard 0.5 m, 2 poly-Si layer and 2 metallayer analog CMOS fabrication technique. The results of the measurement show thatits maximum correction voltage is up to 500 mV with an accuracy better than 4 mVand a power consumption of 4.62 mW.Keywords: piezoresistive accelerometer, low power, successive approximation,interface circuit- II -哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文目 录摘 要 . IABSTRACT . II第 1 章 绪 论 . 11.1 课 题 背 景 简 介 . 11.2 硅 微 加 速 度 计 的 国 内 外 发 展 状 况 . 11.2.1 压 阻 硅 微 加 速 度 传 感 器 的 研 究 状 况 简 介 . 21.2.2 压 阻 硅 微 加 速 度 传 感 器 接 口 电 路 的 研 究 状 况 . 51.3 本 课 题 研 究 的 目 的 和 意 义 .