【摘 要】
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随着物联网技术的不断发展,越来越多不同类型的传感器被运用到最新的电子产品中。电阻式传感器因其应用场景众多（如:温度、湿度、压力等物理量的感测）而备受业界关注。而作为连通自然界模拟量与计算机数据处理所用的数字量之间的桥梁,读出芯片（Readout IC,ROIC）向来是传感系统中不可或缺的一环。Sigma-Delta型模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）凭借过
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随着物联网技术的不断发展,越来越多不同类型的传感器被运用到最新的电子产品中。电阻式传感器因其应用场景众多（如:温度、湿度、压力等物理量的感测）而备受业界关注。而作为连通自然界模拟量与计算机数据处理所用的数字量之间的桥梁,读出芯片（Readout IC,ROIC）向来是传感系统中不可或缺的一环。Sigma-Delta型模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）凭借过采样及噪声整形技术,可以实现相当高精度的模数转换,因此相比其他类型的ADC而言,更加符合当下物联网感测应用对于高精度的需求。然而,传统的Sigma-Delta ADC也还存在着些许有待改进的不足之处:为了在采样/积分相位实现较为精确的电荷转移,运算跨导放大器（Operational Transconductance Amplifier,OTA）在ADC调制器的积分器中是必需的。但是,OTA的运用会导致环路稳定性的问题,同时由于带宽、压摆率等指标的要求,功耗问题一直是实际电路设计中的一个难题,如此一来,设计一款符合性能要求的OTA具有相当大的挑战。基于上述讨论的内容,本文设计了一种基于ZCB（Zero-crossing-based）积分器的Sigma-Delta型电阻测量读出芯片。通过使用ZCB电路技术设计的开关电容积分器,可以实现与基于OTA的积分器相同的电荷转移功能,同时还规避了OTA环路稳定性的问题且功耗较低。对嵌入式电阻传感器进行偏置电流复用可以有效地降低读出芯片的静态功耗。此外,通过将传统惠斯通电桥的桥臂拆成两支并分别接入测量通路的“伪差分”测量方案可以使芯片在电桥失衡状态下依然具有较好的电源抑制比（power-supply-rejection ratio,PSRR）,并且避免了电桥本身的静态功耗。本文所设计的电阻测量读出芯片采用了Global Foundries 0.188)CMOS工艺进行流片,并且在不同的传感器阻值、温度、电源电压等条件下进行了测试验证。结果显示,单电阻测量模式与电桥测量模式下均取得了8KS/s转换速率下13bits的均方根噪声等效分辨率,此外,单电阻测量模式取得了250ppm的非线性度以及34.3(2的功耗,PSRR为45dB,电源及温度系数分别为1%/V和216 ppm/℃。相对的,电桥模式下的非线性度为400ppm,功耗为58.6(2,PSRR则提升至65dB,电源及温度系数则改善至0.23%/V和55ppm/℃,较单电阻测量模式有着较为明显的提升。
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