微惯性测量单元中电源管理电路设计
发布时间：2021-10-08 07:57
随着现代电子信息工业的蓬勃发展,微惯性测量单元作为导航技术的关键部件,在民用、工业和军工上有着越来越重要的价值与意义。微惯性测量单元中微加速度计与微陀螺需要不同的供电电压,对这些电源电压进行统一管理可减小芯片面积、提高器件性能。本文通过电压转换和稳压原理的分析,设计了微惯性测量单元的接口电路中的方波驱动电路所需的低压升高压的电源管理电路,包含升压电路和稳压电路两个部分。在微惯性测量单元的电源管理电路中,采用单端奇数级环形振荡器减小了升压电路的面积,利用施密特触发器和反相不交叠时钟转换电路将振荡信号整形并转换为反向时钟信号为后级的电荷泵提供泵压控制信号,实现了5V泵压到26V的功能。选取电压转换电路中的低压差线性稳压器作为稳压电路部分的主体结构,输入级采用NMOS差分对提升匹配性,而电阻反馈网络与经过补偿的带隙基准合理搭配实现了20V的输出,通过功率管的大尺寸设计达到了低压差线性稳压器线性稳压在20V附近的功能,采用MOS管分压结构得到了10V、12V、15V三种电压,采用RC串联滤波电路对输出进行噪声优化,改善了微惯性测量单元中电源管理电路输出端噪声性能。电路仿真中采用5V作为输入电压...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微惯性测量单元结构图[42]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-9-参考系转换可以算出测量单元所处空间位置；在传感器的放置上，需要尽可能避免安装误差，须将三轴加速度计的测量轴线平行于同一维度内的陀螺测量轴线[42]。图2-2捷联惯导系统工作原理图[43]图2-2所代表的惯性导航系统为捷联惯导系统，其主体结构是由微加速度计、微陀螺仪等惯性传感器及其信号处理电路、计算机和导航信息显示装置等构成。微惯性测量单元与载体是一体的，故所得到的加速度与角速度值皆为相对载体而言的，加速度计测得相对加速度为bibf，而陀螺仪测得相对角速度为bibω。接下来由指定算法程序利用坐标转换的牵引关系将其转换为对应为惯性参考系下的加速度与角加速度。最终，显示屏上显示载体的经纬度、高度、姿态角、方位角和速度[43]。捷联惯导系统的坐标计算过程：用陀螺测得载体的绝对角速度减掉计算机算出的牵引角速度bnninCω进而得到载体的相对角速度bnbω，通过角速度实施姿态矩阵的运算。姿态矩阵可以吧bibf换算成导航坐标系的nibf，随即得到载体的经纬度、高度与速度，也可得出载体的纵摇角θ、横摇角γ和方位角ψ的参数[43]。在微惯性测量单元中，微陀螺仪是一种哥氏力效应的具化应用的角速度传感器，其中微陀螺仪需要方波驱动电路，而方波驱动电路则要有一个稳定的高电压作为输入参考基准。方波驱动电路产生的驱动信号不仅可以驱动陀螺仪质量块平稳振动，也可以作为解调参考信号应用在检波电路中[44]；而微加速度计的工作原理就是依靠结构中可移动质量块作为敏感单元，用以感知被测体的运动状态，其运动的物理特性反映在质量块的位移上，由此位移足可推出被测体的加速度。传感器中一般将悬臂结构中的中间电容板做成大质量的，这样做的优点在于速度改变抑?
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-39-连接MOS分压器进行分析，给出随“LDO模块”的输入变化MOS管分压得到三种所需电压的变化曲线，以此验证电路的功能并且将整体电路的噪声特性和电源抑制性能给出；然后对升压部分进行仿真分析，从振荡器产生振荡波形到将振荡波形整形并生成反相不交叠的时钟信号再到控制电荷泵升压的整个过程进行级联顺序的仿真结果呈现与分析；最后给出稳压部分的LDO与带隙基准源的模块特性仿真结果。4.3电路仿真结果4.3.1整体电路仿真结果首先给出体现微惯性测量单元中电源管理电路功能的仿真结果，升压部分至电荷泵输出电压，将此电压作为LDO的输入经过分压后得到输出所需压值，本电路的目的是实现升压和稳压，在电荷泵将5V电压升到足够后级利用的情况下实施稳压并利用MOS管分压结构实现在泵压26V左右时，最终输出15V、12V和10V电压。LDO模块的结构如第三章中的图3-7所示。仿真结果如图4-2所示。图4-2LDO输入电压与最终输出电压关系曲线上图曲线横坐标代表LDO的输入电压幅值，输出为LDO经过MOS管分压器的输出电压幅值，其中LDO输入从24V变化到30V，MOS管分压器的输出结果分别线性稳压在10V、12V和15V附近，在输入26V电压时，达到预期稳压的目标。
【参考文献】：
期刊论文
[1]MEMS加速度计传感器专用ASIC简介及设计[J]. 王浩. 中国集成电路. 2019(07)
[2]MEMS陀螺仪驱动接口ASIC设计[J]. 王亚林,杨拥军,任臣. 微电子学. 2019(04)
[3]一种用于电源管理芯片中的电荷泵升压CMOS电路设计[J]. 谭传武,刘立君,周玲,刘红梅. 电子测量技术. 2018(18)
[4]用于超高频标签芯片的低功耗高稳定时钟电路[J]. 许仕龙,魏恒,陈燕. 太赫兹科学与电子信息学报. 2018(02)
[5]基于FPGA的FC总线通讯板的设计与验证[J]. 刘召庆,康婷颋,惠进,成莉,王俊林. 电子设计工程. 2018(08)
[6]一种具有分段曲率补偿的带隙基准电路[J]. 秦晋豫,吕坚,周云,阙隆成,田雷. 微处理机. 2018(02)
[7]一种高增益低纹波的电荷泵电路[J]. 徐彦峰,钱栋良,李环,吴琪. 电子与封装. 2017(07)
[8]一种加入动态补偿电路的快速响应LDO设计[J]. 周朝阳,冯全源. 半导体技术. 2015(10)
[9]一种输出电压可调带隙基准源设计[J]. 李伟,唐亮,苗澎. 电子元件与材料. 2015(01)
[10]一种适用于高压电源管理的无输出电容自基准低压差线性稳压器[J]. 唐宇,冯全源. 电子器件. 2014(01)
硕士论文
[1]MEMS惯性测量单元测试标定方法研究[D]. 张胜男.中北大学 2019
[2]面向大过载的微惯性测量单元集成设计及滤波算法实现[D]. 李宾.广东工业大学 2019
[3]超低噪声高PSRR的LDO线性稳压器研究[D]. 何飒.西安电子科技大学 2018
[4]基于LIN总线的车载电源管理系统研究[D]. 胡昊.合肥工业大学 2017
[5]MSMA振动发电机电源管理系统的设计与研究[D]. 于莉.沈阳航空航天大学 2017
[6]低功耗低压差线性稳压器研究与设计[D]. 陈琛.浙江大学 2017
[7]SINS/GPS/电子罗盘组合导航系统设计[D]. 杨欢.南昌大学 2016
[8]基于地磁和微惯性器件组合的姿态测量系统研究[D]. 伊程毅.哈尔滨工业大学 2013
[9]无人机航姿参考系统开发及信息融合算法研究[D]. 袁政.中南大学 2012
[10]高PSRR低功耗LDO的设计[D]. 许聪.复旦大学 2012
本文编号：3423745
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微惯性测量单元结构图[42]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-9-参考系转换可以算出测量单元所处空间位置；在传感器的放置上，需要尽可能避免安装误差，须将三轴加速度计的测量轴线平行于同一维度内的陀螺测量轴线[42]。图2-2捷联惯导系统工作原理图[43]图2-2所代表的惯性导航系统为捷联惯导系统，其主体结构是由微加速度计、微陀螺仪等惯性传感器及其信号处理电路、计算机和导航信息显示装置等构成。微惯性测量单元与载体是一体的，故所得到的加速度与角速度值皆为相对载体而言的，加速度计测得相对加速度为bibf，而陀螺仪测得相对角速度为bibω。接下来由指定算法程序利用坐标转换的牵引关系将其转换为对应为惯性参考系下的加速度与角加速度。最终，显示屏上显示载体的经纬度、高度、姿态角、方位角和速度[43]。捷联惯导系统的坐标计算过程：用陀螺测得载体的绝对角速度减掉计算机算出的牵引角速度bnninCω进而得到载体的相对角速度bnbω，通过角速度实施姿态矩阵的运算。姿态矩阵可以吧bibf换算成导航坐标系的nibf，随即得到载体的经纬度、高度与速度，也可得出载体的纵摇角θ、横摇角γ和方位角ψ的参数[43]。在微惯性测量单元中，微陀螺仪是一种哥氏力效应的具化应用的角速度传感器，其中微陀螺仪需要方波驱动电路，而方波驱动电路则要有一个稳定的高电压作为输入参考基准。方波驱动电路产生的驱动信号不仅可以驱动陀螺仪质量块平稳振动，也可以作为解调参考信号应用在检波电路中[44]；而微加速度计的工作原理就是依靠结构中可移动质量块作为敏感单元，用以感知被测体的运动状态，其运动的物理特性反映在质量块的位移上，由此位移足可推出被测体的加速度。传感器中一般将悬臂结构中的中间电容板做成大质量的，这样做的优点在于速度改变抑?
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-39-连接MOS分压器进行分析，给出随“LDO模块”的输入变化MOS管分压得到三种所需电压的变化曲线，以此验证电路的功能并且将整体电路的噪声特性和电源抑制性能给出；然后对升压部分进行仿真分析，从振荡器产生振荡波形到将振荡波形整形并生成反相不交叠的时钟信号再到控制电荷泵升压的整个过程进行级联顺序的仿真结果呈现与分析；最后给出稳压部分的LDO与带隙基准源的模块特性仿真结果。4.3电路仿真结果4.3.1整体电路仿真结果首先给出体现微惯性测量单元中电源管理电路功能的仿真结果，升压部分至电荷泵输出电压，将此电压作为LDO的输入经过分压后得到输出所需压值，本电路的目的是实现升压和稳压，在电荷泵将5V电压升到足够后级利用的情况下实施稳压并利用MOS管分压结构实现在泵压26V左右时，最终输出15V、12V和10V电压。LDO模块的结构如第三章中的图3-7所示。仿真结果如图4-2所示。图4-2LDO输入电压与最终输出电压关系曲线上图曲线横坐标代表LDO的输入电压幅值，输出为LDO经过MOS管分压器的输出电压幅值，其中LDO输入从24V变化到30V，MOS管分压器的输出结果分别线性稳压在10V、12V和15V附近，在输入26V电压时，达到预期稳压的目标。
【参考文献】：
期刊论文
[1]MEMS加速度计传感器专用ASIC简介及设计[J]. 王浩. 中国集成电路. 2019(07)
[2]MEMS陀螺仪驱动接口ASIC设计[J]. 王亚林,杨拥军,任臣. 微电子学. 2019(04)
[3]一种用于电源管理芯片中的电荷泵升压CMOS电路设计[J]. 谭传武,刘立君,周玲,刘红梅. 电子测量技术. 2018(18)
[4]用于超高频标签芯片的低功耗高稳定时钟电路[J]. 许仕龙,魏恒,陈燕. 太赫兹科学与电子信息学报. 2018(02)
[5]基于FPGA的FC总线通讯板的设计与验证[J]. 刘召庆,康婷颋,惠进,成莉,王俊林. 电子设计工程. 2018(08)
[6]一种具有分段曲率补偿的带隙基准电路[J]. 秦晋豫,吕坚,周云,阙隆成,田雷. 微处理机. 2018(02)
[7]一种高增益低纹波的电荷泵电路[J]. 徐彦峰,钱栋良,李环,吴琪. 电子与封装. 2017(07)
[8]一种加入动态补偿电路的快速响应LDO设计[J]. 周朝阳,冯全源. 半导体技术. 2015(10)
[9]一种输出电压可调带隙基准源设计[J]. 李伟,唐亮,苗澎. 电子元件与材料. 2015(01)
[10]一种适用于高压电源管理的无输出电容自基准低压差线性稳压器[J]. 唐宇,冯全源. 电子器件. 2014(01)
硕士论文
[1]MEMS惯性测量单元测试标定方法研究[D]. 张胜男.中北大学 2019
[2]面向大过载的微惯性测量单元集成设计及滤波算法实现[D]. 李宾.广东工业大学 2019
[3]超低噪声高PSRR的LDO线性稳压器研究[D]. 何飒.西安电子科技大学 2018
[4]基于LIN总线的车载电源管理系统研究[D]. 胡昊.合肥工业大学 2017
[5]MSMA振动发电机电源管理系统的设计与研究[D]. 于莉.沈阳航空航天大学 2017
[6]低功耗低压差线性稳压器研究与设计[D]. 陈琛.浙江大学 2017
[7]SINS/GPS/电子罗盘组合导航系统设计[D]. 杨欢.南昌大学 2016
[8]基于地磁和微惯性器件组合的姿态测量系统研究[D]. 伊程毅.哈尔滨工业大学 2013
[9]无人机航姿参考系统开发及信息融合算法研究[D]. 袁政.中南大学 2012
[10]高PSRR低功耗LDO的设计[D]. 许聪.复旦大学 2012
本文编号：3423745
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