基于MEMS地震检波器的低功耗两阶Sigma-Delta调制器的设计与实现

论文摘要

地震检波器在地震勘探中起到检测接收地震波数据的作用,其工作效率、采集的数据量直接影响着后续的数据分析处理。不同于传统地震检波器内部采用的动圈式传感器,MEMS地震检波器内部采用了电容式传感器,其动态范围更大。并且MEMS地震检波器内部集成了模数转换模块可以直接输出数字信号,避免了模拟信号在传输中的损耗。新型的MEMS地震检波器可以很好地满足未来数字化的地震勘探需求,但其内部的模数转换模块需要上电工作,而且地震勘探需要长时间的稳定工作来获取足够多的信息样本以供后续的分析处理,因此低功耗的MEMS地震检波器是一个研究的热点。本论文针对MEMS地震检波器的模数转换器中的Sigma-Delta调制器展开研究。包括对Sigma-Delta调制器内部的各个子电路模块进行研究设计调试,并进行电路级的仿真;电路级调试仿真通过之后进行版图的布局布线绘制,绘制完成进行版图级的后仿真;通过代工厂进行Sigma-Delta调制器的芯片流片,最后在芯片返回后进行芯片级的测试。对Sigma-Delta调制器各个子电路模块进行设计,包括对带隙电压基准、时钟产生电路、放大器、积分器以及一位量化器的电路进行设计调试。针对低功耗的要求,设计了低功耗的带隙电压基准和第一级放大器;并且考虑积分器的非线性因素,设计线性度好的积分器结构。进行电路版图的布局绘制,并在版图布局布线中进行优化。版图绘制完毕,通过DRC、LVS、PEX测试后对版图PAD进行优化确定最终引脚;优化版图金属密度以达到加工要求;考虑芯片加工切片问题加入ESD保护模块。最后向中科院微电子所投片,由中科院微电子所向SMIC厂商投片。芯片返回后进行芯片级的测试,将芯片裸片点胶保护后封装在PCB测试板上,外接电源和输入信号的滤波电路,通过搭建好的测试平台进行芯片实测。本设计在SMIC 0.18um工艺,1.8V的电源电压下,完成了两阶Sigma-Delta调制器的电路设计、版图绘制以及最终的流片芯片测试。结果表明所设计的Sigma-Delta调制器的功耗仅为3.05mW。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 主要符号表
• 第1章 引言
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状和发展方向
•   1.3 论文主要工作和结构安排
• 第2章 原理概述
•   2.1 研究背景与意义
•   2.2 地震检波器专用传感器
•     2.2.1 速度型传感器
•     2.2.2 加速度型传感器
•   2.3 Sigma-Delta调制器
•   2.4 本设计中降低功耗的方法
• 第3章 电路设计与前仿真
•   3.1 基准电路
•     3.1.1 BANDGAP带隙电压基准模块
•     3.1.2 偏置电路
•   3.2 第一级放大器
•     3.2.1 FC折叠式共源共栅放大器
•     3.2.2 FVF翻转电压跟随器
•     3.2.3 RFC电流回收型折叠式共源共栅放大器
•     3.2.4 CMFB共模反馈模块
•     3.2.5 CHOPPER斩波电路
•     3.2.6 增益提高电路
•     3.2.7 共源级放大器
•   3.3 第二级放大器
•   3.4 开关电容（SC）电路模块
•   3.5 时钟电路
•   3.6 量化器电路和DAC反馈
•   3.7 两阶Sigma-Delta调制器的整体电路实现与仿真
• 第4章 版图设计与后仿真
•   4.1 各模块版图设计
•     4.1.1 第一级放大器版图
•     4.1.2 第二级放大器版图
•     4.1.3 一位比较器版图
•     4.1.4 时钟电路版图
•     4.1.5 带隙电压基准版图
•   4.2 整体两阶Sigma-Delta调制器版图
• 第5章 芯片测试
•   5.1 测试方案
•   5.2 测试结果
• 第6章 结论
•   6.1 研究总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 贾大伟

导师: 赵晓,刘丽华

关键词: 地震检波器,调制器,低功耗,放大器设计

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 地质学,地球物理学,无线电电子学

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: P631.436;TN761

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000661

总页数: 83

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