Low-power low-noise highly programmable digital accelerometer readout for high performance MEMS accelerometers
Yüksek performanslı MEMS ivmeölçerler için düşük güç tüketimli düşük gürültülü kapsamlı programlanabilir okuma sistemi tasarımı
- Tez No: 761191
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 157
Özet
Bu tez, yüksek performanslı MEMS kapasitif ivmeölçerler için açık döngü ve kapalı döngü karışık yapılandırılabilir karışık sinyal okuma sistemi sunar. İlgili simülasyon modelleriyle birlikte gürültü performansının ve doğrusallığın ayrıntılı analizini gösterir. Her bileşen sistemi hakkında arka plan bilgisi sağlanır ve mümkün olan her yerde denklemler cinsinden ifade edilir. Sistem, düşük gürültü ve yüksek dereceli doğrusallık elde edilebilmesi için çok geniş bir MEMS kapasitif ivmeölçer sensörü aralığı için döngü dinamiği ayarlanabilecek şekilde tasarlanmıştır. Ayrıca sistem, en düşük sinyal çözünürlüğü karşılığında gerçek zamanlı giriş ivme aralığı seçimine izin verir. Tümleşik devre bileşenleri, okuma sistemi için tüm karışık sinyal sistemi gereksinimlerini karşılamak için Cadence ve MATLAB ortamı kullanılarak tasarlanmış ve simüle edilmiştir. Tezin entegre kısmı, analog ön uç devresi, programlanabilir kazanç yükselticisi, SAR analog-sayısal çevirici ve Delta-Sigma modülatörünün yardımcı blokları ile birleşimi olan Zoom analog-sayısal çevirici, dijital kontrolör, öngerilim üreteci ve çıkış serileştiriciden oluşmaktadır. Entegre devre, isteğe bağlı harici zamanlama sinyalleme ve öngerilim üreteci için son derece programlanabilir özellikler sağlar. Okuma devresinin entegre devresi 0.35 μm CMOS yüksek voltaj prosesi kullanılarak tasarlanmıştır. Sistem performans testleri, 3.5 pF hareketsiz kapasitansı, 5.41 kHz rezonans frekansı, 9.58 kalite faktörü ve 3.03 μg/√Hz Brownian gürültü seviyesi spesifikasyonlarına sahip bir örnek MEMS kapasitif ivmeölçer sensörü için gerçekleştirilmiştir. Sistem simülasyon sonuçlarına göre, sistem ODTÜ MEMS Merkezi kapsamında elde edilen en düşük gürültü seviyesi olan 3.5 μg/√Hz Brownian gürültü seviyesine ulaşmaktadır ve ±20g tam ölçek aralığında çalışmaktadır. Tasarlanan elektronik, 3.3V besleme voltajından 4 mW güç tüketimi gerçekleştirir ve boyutları 4.3x2.25 mm olarak ölçülmüştür.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a low-power low-noise mixed-signal CMOS readout integrated circuit for high performance MEMS capacitive accelerometers that can both operate in open-loop and closed-loop configurations, which is determined by the external electronics and the system. The system and circuit allow the adjustment of the loop dynamics to achieve low-noise and high order linearity for a very wide range of MEMS capacitive accelerometer sensors. In addition, the system allows the real-time input acceleration range selection in exchange with the lowest signal resolution. The integrated circuit provides highly programmable features for timing and biasing in addition with optional external timing signaling and biasing. The CMOS integrated circuit consists of analog front-end circuit, programmable gain amplifier, Zoom Analog to Digital Converter (ADC) which is combination of Successive Approximation Register (SAR) ADC and Delta-Sigma modulator with auxiliary blocks digital controller, bias generator, and output serializer. The implementation of the readout circuit is done using a 0.35 μm high-voltage CMOS process. Integrated Circuit (IC) components are designed and simulated using Cadence and MATLAB environment to satisfy all the mixed signal system requirements for the readout system, including the detailed analysis of noise performance and linearity with the associated simulation models that are constructed corresponding analytic equations. The system performance simulations are conducted for a sample MEMS capacitive accelerometer sensor with specifications 3.5 pF rest capacitance, 5.4kHz resonant frequency, a quality factor of 9.6, and a 3μg/√Hz Brownian noise level. According to system level simulation results, the system with the CMOS integrated circuit achieves 3.5 μg/√Hz Brownian noise level in ±20g full scale range, which is the lowest noise level achieved at METU. The designed CMOS integrated circuit measures 4.3mmx2.25mm, operates from a 3.3V supply voltage, and dissipates 4 mW.
Benzer Tezler
- A low-power capacitive integrated CMOS readout circuitry for high performance MEMS accelerometers
Yüksek performanslı MEMS ivmeölçerler için düşük güç tüketimli kapasitif tümleşik CMOS okuma devresi
OSMAN SAMET İNCEDERE
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Realization of low power, highly linear roic with current mode TDI for long wave infrared detectors
Uzun dalga boyu kızılötesi dedektör için akım modlu TDI ile düşük güçlü yüksek doğrusallıkta entegre okuma devresinin gerçekleştirilmesi
MELİK YAZICI
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAŞAR GÜRBÜZ
- Programlanabilir lojik kontrolörler ve bir konum kontrolü uygulaması
Programmable logic controllers and an application of position control
ŞENİZ CEYLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1990
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. EMİN TACER
- Design and implementation of control unit of an inertial navıgation system
Ataletsel seyrüsefer sistemleri için kontrol birimi tasarlanması ve gerçekleştirilmesi
SEFA HAZIR
Yüksek Lisans
İngilizce
1996
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KERİM DEMİRBAŞ
- Low power highly programmable analog front-end for 12-channel fully implantable cochlear implants
Tamamen implante edilebilen 12 kanallı koklear ımplantlar için yüksek programlanabilirlik ve düşük güç tüketimli analog ön-uç devresi
ABDURRAHMAN BERKAY ÖZBEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH