Sigma-delta modulator for force measurement based on the use of a flip-flop circuit and presentation of simulated results

• Autorzy: Kollar M.

Warianty tytułu

PL

Modulator sigma-delta do pomiaru siły z użyciem układu przerzutnika wraz z prezentacją wyników symulacji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper describes a flip-flop circuit-based sigma-delta modulator for force measurement. The main part of the proposed system is a modified flip-flop used as a comparator, inside of which switched capacitors replace the classical load resistors. The functional principle lies in the fact that if capacitive asymmetry caused by the force to be measured, is such that the flip-flop holds a stable state where, for example, a higher voltage is on a second transistor, then it produces a higher force between the parallel plates connected to the same transistor to decrease the resulting capacitive asymmetry. The main advantage of the flip-flop, besides its simplicity, is the compensation of the influence of flicker noise, which is mathematically described in this paper. The theoretical conclusions are compared with the results of simulations with TSPICE and Matlab-Simulink, with respect to the measurement system realized in 0.8 [mi]m CMOS technology. The results were in agreement with theoretical results.

PL

Artykuł przedstawia modulator typu sigma-delta do pomiaru siły. Główną jego częścią jest zmodyfikowany układ komparatora oparty na przerzutnikach, w którym pojemności przełączane zastępują klasyczne rezystory. Zasada działania opiera się na zjawisku zakłócenia asymetrii pojemności mierzoną siłą. Główną zaletą użycia przerzutników w tym układzie, poza ich prostotą, jest kompensacja wpływu szumów typu flicker, co udowodniono w pracy. Wnioski teoretyczne są zgodne z wynikami symulacji dokonanych w TSPICE i pakiecie Matlab-Simulink. Układ opracowano w technologii CMOS 0.8 mikrometra.

Słowa kluczowe

EN

flip-flop circuit; flicker noise; capacitive sensor; sigma-delta modulator; measurement

PL

układ przerzutnika; szumy typu flicker; czujnik pojemnościowy; modulator sigma-delta; pomiary

• Wydawca: Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej PAN
• Czasopismo: Metrology and Measurement Systems
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. 11, nr 1
• Strony: 3--19
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Kollar M.

• Department of Theoretical Electrotechnics and Electrical Measurement, Technical University of Kosice, Slovak Republic

Bibliografia

• 1. Lian W., Middelhoek S.: A new class of integrated sensors with digital output based upon the use of a flip-flop. IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-7, 1986, pp. 238-240.
• 2. Kollar M.: Flip-flop sensor controlled by slow-rise control pulse. Radioengineering, vol. 10, No. 3, 2001, pp. 34-38, ISSN 1210-2512.
• 3. Lemkin M., Boser B.E.: A three-axis Micromachined Accelerometer with a CMOS Position-Sense Interface and Digital Offset-Trim Electronics. IEE Journal of solid-state circuits, Vol. 34, No. 4, April 1999, pp. 456-467.
• 4. Hui Tian., Abbas Ell Gamal.: Analysis of 1/f noise in CMOS APS. http://www-isl.stanford.edu/~abbas/group/papers.and.pub/1_f_noise.pdf
• 5. Kollár M.: Uncertainty in the system for measurement of the capacitances using flip-flop sensor. Electronics Letters, Vol. 4, 2003, www.electronicsletters.com.
• 6. Michaeli L.: Modeling of the analog to digital interfaces. Technical University of Košice Press. 2001, p. 160, (In Slovak).
• 7. Stork M.: Modified Σ-Δ Voltage to Frequency Converter 4-th International Conference on Advanced A/D and D/A Conversion Techniques and Their Applications. IMEKO TC-4, Prague, Czech Republic, 2002, pp. 211-214.
• 8. Stork M.: New Σ-Δ Voltage to Frequency Converter. The 9th IEEE International Conference on Electronic Circuits and Systems, Proceedings, Dubrovnik, Croatia, 2002, Vol. II, pp. 631-634.
• 9. Stork M.: Voltage to frequency converter with phase modulation stability. 3-rd International Conference on Electrical and Electronics Engineering, Bursa, Turkey, 2003, pp. 131-135.