物联网环境中独立监测系统的高性能ROIC解析

### 物联网环境中独立监测系统的高性能 ROIC 解析 在当今的物联网（IOT）环境中，对于独立监测系统的需求日益增长。高性能的读出集成电路（ROIC）在其中扮演着至关重要的角色，它能够实现对传感器信号的高效采集、处理和传输。本文将详细介绍一种用于物联网环境中独立监测系统的高性能 ROIC，包括其工作原理、关键电路设计以及处理单元的功能。 #### 1. 频率采集技术优势 频率采集技术在噪声环境中展现出显著优势。它能够确保传感器信号的完整采集，保证信息的完整性。与传统的模数转换器相比，频率采集技术具有更好的实时电气特性和更高的效率。此外，该技术在噪声环境中表现出色，其输入频谱范围更宽（±VDD），便于使用频分复用（FDM）或时分复用（TDM）进行多路复用，同时成本低且精度高。 #### 2. 设计目标 本次设计的主要目标包括： - 提出一个前端系统，用于监测原始传感器平台的信号采集数据。 - 展示基于超低功耗和高温补偿带隙基准电路（BGR）的新型 VDD 补偿电容 - 频率（CtoF）电路。 - 将设计集成到可通过互联网访问的平台中，以便轻松读取传感平台的信息。 #### 3. 读出电路架构 读出电路的信号采集架构主要由两部分组成： - **模拟接口和频率转换板**：对应于用于与电容式传感器阵列接口的 CtoF 转换器，包含八个改进的 CMOS 弛豫振荡器和四个新型补偿带隙基准（BGR）。 - **数字转换和处理单元**：包含多达八个频率 - 数字转换器（FDC），由嵌入式 32 位处理器控制。该单元负责数据采集、传感器输出线性化以及使用 TCP/IP 堆栈提供互联网服务，整个系统在 Xilinx FPGA 中实现。 | 电路部分 | 组成 | 功能 | | ---- | ---- | ---- | | 模拟接口和频率转换板 | 八个改进的 CMOS 弛豫振荡器、四个新型补偿带隙基准（BGR） | 与电容式传感器阵列接口，实现电容 - 频率转换 | | 数字转换和处理单元 | 多达八个频率 - 数字转换器（FDC）、嵌入式 32 位处理器 | 数据采集、传感器输出线性化、提供互联网服务 | 以下是读出电路的架构流程图： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(电容式传感器):::process --> B(模拟接口和频率转换板):::process B --> C(数字转换和处理单元):::process C --> D(互联网):::process ``` #### 4. CMOS 弛豫振荡器 - **主要特性**：高频稳定的 CtoF 转换器具有对称输出、高电源抑制比（PSRR）以及在中频段的出色性能。CMOS 弛豫振荡器是设计优秀 CtoF 转换器的理想选择之一，其设计简单。然而，传统的 CtoF 设计存在一些问题，如低功耗（约 760 μA）、较差的 PSRR（仅 -21dB）且无温度补偿，温度系数受沟道长度调制和体效应的二阶效应影响而变差，实验测得的温度系数为 600 ppm/°C。 - **改进措施**：通过引入抑制载流子迁移率引起的温度依赖性并补偿热电压的方法，解决了上述问题。带隙基准电路（BGR）有助于改善这些参数。CMOS 弛豫振荡器的输出频率由以下公式给出： \[ F_{CtoF} = \sqrt{\frac{\mu C_{ox} \frac{W}{L_{M17}} \frac{W}{L_{M8}} I_{ref}}{2 \frac{W}{L_{M18}} C_{sensor}^2} \frac{1 + \Phi V_{DS8}}{1 + \Phi V_{DS17}}} \] 其中，\(W/L_X\) 是晶体管 \(X\) 的 MOS 宽长比，\(V_{DSx}\) 是晶体管 \(X\) 的漏 - 源电压。 其传递函数为： \[ H(s) = \left[ \frac{-g_m R_{MR17} C_{AS}}{(1 + R_{MR17} C_{DS}) (\frac{C_{sensor}}{2} s + g_m)} \right]^2 \] 其中，\(R_{MR17}\) 是 M17 在线性区域偏置时的等效电阻值，类似于有源电阻。 相对相位噪声的计算公式为： \[ \text{Relative phase noise} \approx \f