MEMS数字陀螺中频率合成器设计

发布时间：2020-07-15 01:43

【摘要】：最近几年有关微机电(MEMS)技术的更新与研究的速度正在突飞猛进。现如今的MEMS陀螺拥有诸多优点例如具有高工作精度并且越来越集成化和高速化等。因MEMS陀螺拥有如此多优势,从MEMS陀螺最开始被人们研发成功以来,这种系统就引起社会热烈关注。在这种研发热潮与极高的关注度下,在未来的时间里MEMS陀螺将会越来越被人们所熟知和应用。伴随着微机电系统相关技术的快速发展,对微机电系统的探索与设计工作也在逐渐深入,这使得与MEMS数字陀螺相关的接口电路与传感电路的研究也变得尤为重要。本文设计的频率合成器结构主要运用于数字陀螺,采用锁相环结构。系统的设计首先从传统频率合成器各部分结构的工作原理入手进而对性能较好的结构进行深入研究与设计。在本文设计系统中既有模拟又有数字部分。而在陀螺传感器的电路设计中,模拟电路占据重要位置。针对MEMS陀螺接口电路的设计,频率合成器将在这部分电路中产生关键作用。但是目前各种系统应用中对MEMS陀螺的工作性能要求越来越高,模拟电路由于电路设计复杂调试困难等问题使其很难满足设计要求。而数字电路与模拟电路相结合不仅兼顾两种电路的优点还可以更好地满足系统各项设计要求。这种设计理念将显著提高系统工作性能。本文电路设计主要基于无死区效应的鉴频鉴相器、电流舵电荷泵、二阶无源环路滤波器、五级延迟压控振荡器和多级双模可编程分频器结构。通过运用这些结构使频率合成器产生的精确的输出频率信号。降低了噪声干扰及电路中其他不利因素的影响。在参数设计与MOS管级电路设计完成后,对系统进行版图绘制。电路设计在Cadence Spectre平台下进行而版图设计则使用Cadence Virtuoso。系统设计基于上华0.5um CMOS N阱工艺。系统工作于5V电源电压并且在输入4KHz至20KHz方波信号时输出频率信号可达1MHz至10MHz。经过仿真相位噪声在10KHz频偏处为-145d Bc/Hz。经仿真验证,运用于MEMS数字陀螺的频率合成器设计满足要求。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN74
【图文】：

于宽频带要求的系统。与此同时，该种设计在微电子工艺中很难集成并且具有较高的相位抖动和相位噪声，产生的信号也不稳定。图1-1 直接式频率合成器结构图这图1-1结构不繁琐便于实现的优点外还有转换时间小、周期增量小的优点。尽管具有这几种优点，但是它的输出频率范围十分窄小不适用于宽频带要求的系统。与此同时，该种设计在微电子工艺中很难集成并且具有较高的相位抖动和相位噪声，产生的信号也不稳定。因此，该结构已经慢慢被采用另外两种结构的系统所代替[9-10]。目前以锁相环理论为主的频率合成器在各个领域的应用与研发技术中使用概率最大。运用这种设计理论的电路结构主要是通过反馈回路进行参考方波与反馈方波之间的信号锁定并最终得到需要的具有一定频率值的方波。直接数字频率合成(DDS) 技术是一种基于相位量化的频率合成技术

路组成[24-26]。这种结构的电路系统框图如下图 2-1 所示。在传统的基本锁中鉴

本文编号：2755787