MEMS流量传感器的ΣΔADC设计与实现

"一种用于MEMS流量传感器的ΣΔADC设计，旨在实现高精度的数字化输出。文章详细介绍了MEMS流量传感器的工作原理，以及如何通过采用单环2阶ΣΔ模数转换器来解决传统接口电路的问题。" 在微电子机械系统（MEMS）技术中，流量传感器因其小尺寸、低功耗和高精度而被广泛应用。本文主要关注的是基于热膜式的MEMS流量传感器，这种传感器利用托马斯理论，即流体的热量交换与其质量流量成正比，来进行流量测量。传感器由加热电阻和热敏电阻组成，当气体流过时，加热区的温度场会发生不对称变化，从而可以检测到流量。 传统的MEMS流量传感器接口电路通常采用惠斯登电桥检测，输出为模拟信号，存在输入失调和闪烁噪声等问题。为了解决这些问题，往往需要额外的温度补偿电路，这不仅增加了芯片面积，也限制了精度。因此，文章提出了一种集成在传感器接口电路中的ΣΔ模数转换器（ADC）方案，以实现数字化输出并降低成本。 该设计采用2阶单环ΣΔADC，通过过采样技术和噪声整形技术来提升量化噪声的调制效果。过采样能有效提高信噪比，而噪声整形则有助于改善ADC的分辨率。此外，考虑到实际电路中的非理想因素，如失调、增益误差等，文章建立了非理想模型，并通过仿真验证了设计的有效性。在过采样率为512的情况下，模数转换器的信噪比达到了106 dB。 为了进一步处理和滤除信号中的带外噪声，设计了组合型抽取滤波器，包括一个积分梳状滤波器（CIC）和一个无限 impulse响应（IIR）滤波器。这种滤波器能够实现64倍的降采样，将输出数据的有效位数提升至16 bits，确保了高精度的数字输出。 文章作者通过FPGA验证了该设计，证明了其在实际应用中的可行性和高效性。这种集成式ΣΔADC解决方案为MEMS流量传感器提供了高精度、低成本的数字化输出，有利于系统集成和性能提升，特别适合于航空航天、医疗和汽车工业等领域。 总结而言，本文详细探讨了如何设计和实现一种适用于MEMS流量传感器的ΣΔADC，包括其工作原理、非理想因素分析、优化策略以及滤波器设计，为MEMS传感器接口电路的数字化改造提供了一种创新方法。