传感器信号接口与处理电路设计  085401M05003H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:杨海钢,尹韬
授课时间: 星期四,第5、6、7 节
授课地点: 教一楼214
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14
课程编号: 085401M05003H 课时: 40 学分: 2.00
课程属性: 专业普及课 主讲教师:杨海钢,尹韬 助教:
英文名称: Sensory Signal Interface and Processing Circuit Design 召集人:

教学目的、要求

本课程为电子信息相关专业研究生的专业普及课。本课程讲授传感器信号接口与处理电路设计有关的基础性内容,首先介绍传感器及其接口电路在现代电子系统中的作用和地位,使学生了解学习传感器信号接口与处理电路设计的重要性;接下来介绍传感器信号接口与处理电路设计所需基本知识,包括传感器系统构成、主要性能参数、非理想特性、噪声机理与分析、低噪声与低失调放大器、仪表放大器、电压型/电流型/电容型传感器接口电路、谐振式传感器接口电路、自动增益控制、阻抗检测、校准、补偿以及低功耗模数转换等。通过本课程学习,使学生掌握传感器信号接口与处理电路设计的基本技能,为从事相关研究和开发奠定基础

预修课程

电路基础,模拟电路,数字电路,半导体物理,集成电路基础

教 材

自编课件为主,辅以大纲指定参考书。

主要内容

第一章	传感器及接口电路技术概述(2学时)
第一节	集成传感器简介
集成电路与工艺发展历程,传感器市场发展状况,国内外主要相关企业,传感器应用举例
第二节	传感器与接口芯片机理
传感机理,系统构成,主要性能参数,传感器与接口芯片集成方式

第二章	传感信号极低噪声检测处理技术基础(7学时)
第一节	传感器非理想特性
传感器非理想特性来源与影响,接口芯片参数综述
第二节	随机噪声基础
噪声定义与分类,随机噪声统计特征与噪声功率谱密度
第三节	噪声分析与极低噪声设计优化方法
系统级噪声分析方法,噪声带宽,商用运算放大器噪声性能举例
第四节	噪声性能测试
噪声测量常用方法、注意事项与测试举例

第三章	低噪声与低失调放大器设计技术(3学时)
第一节	失调电压与器件失配
失调电压的来源、特性与常用静态失调消除方法
第二节	1/f噪声与失调的动态消除技术
斩波稳定、自动置零、相关双采样等设计技术基本原理和优缺点,典型电路结构分析,残余失调等非理想特性

第四章	电压型传感器接口处理芯片设计技术(4学时)
第一节	电压检测型传感器技术
常见电压检测传感原理,电阻传感器与桥式电路
第二节	仪表放大器设计
典型仪表放大器原理、结构与设计方法
第三节	神经与脑电信号检测接口设计
脑机接口简介,神经与脑电信号特征,电极模型,伪电阻电容反馈型放大器原理、输入直流电平抑制、斩波纹波抑制、阻抗提高
第四节	阻抗检测接口电路
阻抗检测电路原理与结构,电刺激电路原理与结构

第五章	电容型传感器接口处理芯片设计技术(6学时)
第一节	电容型传感器简介
电容型传感器应用,传感原理,主要结构与主要参数
第二节	电容信号接口电路结构
连续时间电荷积分器,开关电容电荷积分器,跨阻放大器,电容-频率转换电路
第三节	电容信号接口电路噪声分析与优化
开关电容电路噪声分析方法,仿真方法,电容型传感器与接口电路噪声分析举例
第四节	电容型惯性传感器概述
电容型惯性传感器原理、结构与分类,振子模型,性能参数指标,发展现状
第五节	静电力与闭环力反馈
静电力,反馈对传感系统作用,力平衡反馈,模拟力反馈与,Sigma-Delta数字力反馈,闭环力反馈系统建模与分析
第六节	电容型微加速度计闭环接口芯片设计实例
微加速度计闭环接口芯片设计、分析与测试实例

第六章	电流型传感器接口处理芯片设计技术(3学时)
第一节	电流型微传感器与接口简介
常见电流型传感器原理,等效模型,发展现状与应用
第二节	微电流检测方法与分析
电流-周期转换电路,电荷放大器,恒电位仪,非理想特性分析,泄漏电流保护
第三节	电流型微传感器接口电路设计实例
电流型生物传感器接口芯片设计分析与实例,测试结果分析

第七章	谐振式传感器及接口处理芯片设计技术(3学时)
第一节	谐振式传感器简介
谐振式传感器原理与分类,系统构成,参数指标
第二节	谐振式传感器接口电路
谐振驱动,频率测试,频率-数字转换,周期测量,相位噪声,非线性
第三节	谐振式传感器接口芯片设计与实例
谐振式微加速度计和压力传感器,微陀螺驱动环路等电路的设计分析实例

第八章	接口处理芯片低功耗设计与自动增益控制技术(3学时)
第一节	低功耗需求与低功耗设计技术综述
便携式与可穿戴的低功耗需求,低电压、低功耗模拟前端设计技术综述
第二节	自动增益控制技术
自动增益控制需求与原理,常见控制方法与电路结构,整流器,包络检测
第三节	低功耗自动增益控制助听器接口芯片设计实例

第九章	接口处理芯片校准与补偿技术(3学时)
第一节	温度检测与补偿技术
温漂原理,微加工器件温度特性,片上温度检测技术,接口电路温度补偿方法与技术
第二节	非线性补偿技术
非线性来源,非线性分析方法,查找表方法,分段线性插值方法,分段多项式法,曲线拟合
第三节	零偏稳定性补偿方法
零偏产生机理,Allan方差,零偏稳定性补偿方法,自校准方法

第十章	低功耗模数转换技术(6学时)
第一节	模数与数模转换技术基础
传感信号模数转换需求,基本原理,参数指标体系,模数转换方法综述
第二节	低功耗奈奎斯特速率转换器设计
逐次逼近(SAR)等结构的模数转换器原理与设计实例
第三节	低功耗过采样转换器设计
Sigma-Delta调制器原理与传感器系统中的过采样转换器设计实例

参考文献

1)	模拟集成电路设计精粹,Willy Sansen著,陈莹梅 译,清华大学出版社。
2)	Smart Sensor Systems: Emerging Technologies and Applications,Edited by Gerard Meijer, Michiel Pertijs, Kofi Makinwa,Wiley。
3)	Smart Sensor System,Edited by Gerard C. M. Meijer,John Wiley & Sons。
4)	Sensors, Actuators, and Their Interfaces: A multidisciplinary introduction, (2nd Edition), Nathan Ida, The Institution of Engineering and Technology。