CMOS A/D converter implementation for IMU applications
Ataletsel ölçüm birimi uygulamaları için CMOS analog/sayısal çevirici tasarımı
- Tez No: 340943
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 104
Özet
Günümüzde sayısal çıktı veren ivmeölçerler genellikle navigasyon seviye ataletsel ölçüm birimleri (AÖB) için gerekli olan performansı sağlayamamaktadır. Bunun yanında analog çıktı veren ivmeölçerler ise navigasyon seviye gereksinimleri karşılamalarına rağmen, navigasyon algoritmalarını koşturabilmek için bu ivmeölçerlerin analog çıktıları sayısala çevrilmek zorundadır. Fakat tüm sisteminin performansını düşürmemek için bu çevirim işleminin performansı kullanılan ivmeölçerlerin performansından daha iyi olmalıdır. Bu çalışma, akım çıktısı veren navigasyon seviye ivmeölçerler için aynı zamanda integral alan analog sayısal çevirici olarak da bilinen, özgün bir CMOS akım frekans çevirici tasarımı önermektedir. Klasik tasarımlardan farklı olarak, artı ve eksi yönde gelen akımlar, integral alan kapasitörün değerindeki uyumsuzluktan ve karşılaştırıcıların giriş ofset voltajından kaynaklanan sorunları ortadan kaldırmak için birbirinden ayrılırlar. Aynı zamanda Monticelli çıkış devresine sahip folded cascode operasyonel yükselteç sayesinde giriş akımının akım bölücü devresine ihtiyaç duyulmadan direk olarak integrali alınabilir. Bu operasyonel yükselteç hiç akım sürmediği zaman 600 A harcamasına rağmen, 150 mAe kadar olan akımları sürebilmektedir. Buna ek olarak, ölçek katsayısındaki asimetri hatasını gidermek için, akım eşitleyici mekanizma devreye eklenmiştir. Bu mekanizma artı ve eksi geri besleme akımlarını her sıcaklıkta birbirine eşitlemektedir. Bu sayede Cadence simülasyonlarında milyonda 20 değişen ölçek katsayı asimetri hatası elde edilmiştir. İntegral alan analog sayısal çevirici tasarımı standart 0.35 ?m CMOS teknolojisi kullanılarak ürettirilmiştir. Üretilen duyarganın alanı 8.38 mm2?dir. Üretilen bu duyarga ile tek eksen ivmeölçerler ±25 g ivme aralığında test edilmiştir. Honeywell şirketi tarafından üretilen analog akım çıktısı veren navigasyon seviye QA2000 ivmeölçerleri kullanılarak yapılan testler sonucunda 0,54 ?g/ hızdaki rastsal gezinim hatası, 0,9 ?g sabit hata kararsızlığı ve 0,0002 m/saniye niceleme hatası elde edilmiştir. Bu sonuçları Texas Instruments firmasının ürettiği 32 Bit Sigma Delta çevirici kullanılarak üretilen sayısallaştırma devresi ile karşılaştırdığımızda hızdaki rassal gezinim hatası yarı yarıya düşürülmüş, sabit hata kararsızlığı ise bir buçuk kat azaltılmıştır. Buna ek olarak niceleme hatası piyasadaki navigasyon seviye IMU?larla karşılaştırıldığında 0,0017 m/saniyeden 0,0002 m/saniye?ye düşürülmüştür.
Özet (Çeviri)
Today?s digital output accelerometers do not reach navigation grade performance; therefore they cannot be used in navigation grade inertial measurement units (IMU). Although analog output accelerometers meet the navigation requirements, their outputs have to be digitized in order to be used in navigation processors to run navigation algorithms. However, the performance of the digitizer circuit has to be higher than the accelerometers so as not to degrade the overall performance. This work presents a design of a high resolution CMOS based current to frequency converter (CFC), also known as integrating analog to digital converter (IADC), especially for current output navigation grade accelerometers. Contrary to the traditional designs, positive and negative input currents are separated from each other to eliminate the error due to both comparator offset voltages and mismatch in the value of integrating capacitor. Also, the output current of the accelerometer is directly integrated to get rid of any error originated from resistive current divider circuitry by the help of a superior folded cascode operational amplifier with Monticelli output stage. This operational amplifier can drive 150 mA by dissipating only 600 µA quiescent current at the output stage. In addition, a current equalization mechanism is added to the circuit in order to reduce scale factor asymmetry errors. This mechanism balances positive and negative feedback currents at each temperature; as a result scale factor asymmetry error is reduced to 20 ppm without any calibration in Cadence simulations. Design and fabrication of the integrating analog to digital converter was done in a standard 0.35 µm CMOS technology. The fabricated chip size with pads is 8.38 mm2. With the designed and fabricated converter, single-axis accelerometers were tested for acceleration levels in the range of ±25 g. The implemented system achieves 0.54 µg/?Hz velocity random walk coefficient, 0.9 µg bias instability and 0.0002 m/sec quantization error with the current output navigation grade QA2000 accelerometer from Honeywell Inc. at stationary zero g condition. Compared to the digitization mechanism using ADS1281 32 bit Sigma Delta converter from Texas Instrument, this system improves the performance of velocity random walk coefficient two times and bias instability one and half times. Furthermore, quantization error is approximately ten times better than the commercial navigation grade IMUs.
Benzer Tezler
- Çok düzeyli statik bellek gözesi ve kohonen türü yapay sinir ağına uygulanması
Multiple valued static storage cell and its application to kohonen type neural network
NURETTİN YAMAN ÖZELÇİ
Doktora
Türkçe
1999
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. UĞUR ÇİLİNGİROĞLU
- Yüksek çözünürlüklü, direnç dizesi tipli sayısaldan analoğa dönüştürücülerde dinamik hata mekanizmalarının incelenmesi
Investigating dynamic error mechanisms of high resolution resistor string D/A converters
EMRE TOPÇU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. TÜRKER KÜYEL
- Analog-digital mixed-signal VLSI modules for audio signal processing applications
Ses bandı sinyal işleme uygulamaları için analog-sayısal karışık-sinyal tümdevre modülleri
SELİM EMİNOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. TAYFUN AKIN
- OTA ile sayısal/analog ve analog/sayısal dönüştürücü tasarımı
Anolog/digital and digital/analog conversion using OTA
SHAHRAM MİNAEİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. SAİT TÜRKGÖZ
- A Programmable fuzzy controller emulator chip
Programlanabilir bir puslu denetleyici emülatörü tümdevresi
FİKRET DÜLGER
Yüksek Lisans
İngilizce
1996
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. UĞUR ÇİLİNGİROĞLU