论文部分内容阅读
随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微电子机械系统)技术和集成电路技术的飞速发展,数字化硅基MEMS压力传感器芯片精度高、体积小、成本低、集成度高、应用广泛。数字化硅MEMS压力传感器的非线性和温度漂移、时钟精度是影响其性能的主要因素。有效的片上校准算法设计是提高精度的必要手段。 本论文针对硅压阻式MEMS压力传感器信号调理芯片的数字前端设计开展研究工作,重点对影响压力传感器精度的因素进行讨论和分析,分别提出了有效的校准算法来提高时钟精度、抑制非线性和温度漂移。主要研究工作包括: 首先,本文介绍了MEMS压力传感器的发展以及国内外研究现状,论述了压阻式传感器的基本理论及影响压力传感器性能的非理想因素,并确定了压阻式MEMS压力传感器芯片的整体架构。 第二,对系统架构中数字前端模块展开分析与设计,其中针对Sigma-Delta数字后处理电路中的数字抽取滤波器进行硬件优化设计;对常见几种压力校准算法展开分析与对比,确定了一种有效解决非线性和温度漂移的校准算法,并针对算法的硬件实现部分采用乘法器和加法器分时复用,有效降低了数字模块的功耗和面积。同时,对本文采用的模拟振荡器进行了分析,基于时钟频率计数比较方式确定了时钟频率逐次逼近的校准算法,测试结果表明该算法能够有效地抑制工艺带来的偏差对时钟精度的影响。另外,对EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)模拟单元接口展开分析,设计了EEPROM兼容接口。为了有效地完成各个模块的调度,设计了FSM(Finite State Machine)模块。最后,完成了前端设计中的复位模块、时钟校准模块、接口模块。 第三,对系统架构中数字前端模块展开仿真,对具体模块提出仿真方法、搭建仿真平台,对仿真结果进行分析。同时,针对系统架构中的数字前端部分展开FPGA(Field-Programmable Gate Array)验证。对芯片的时钟校准模块和EEPROM接口模块进行测试。测试结果表明,采用本论文提出的时钟校准方案之后,时钟频率精度从30%提高到5%左右,校准稳定后时钟模块功耗为12μA。