基于带通调制器的微机械陀螺检测模态电路设计

发布时间：2020-05-31 02:59

【摘要】：微机械陀螺作为微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,简称MEMS)传感器中的一个重要分支,其性能随着集成电路工艺的发展不断提升,在军用和民用领域都扮演着重要的角色。作为微机械陀螺中的重要组件,陀螺接口电路的主要研究方向是集成化、数字化,相比于模拟接口电路,集成化的数字接口电路可以减少芯片外围器件,降低寄生参数影响,提高系统稳定性和精度。Sigma-Delta ADC(Analog to Digital Converter)在低速高精度数字化输出的陀螺接口电路中被广泛应用,本文设计了基于带通Sigma-Delta调制器的微机械陀螺检测模态电路。论文首先对接口电路的工作原理进行分析,确定检测模态接口电路的结构。电路中使用带通Sigma-Delta调制器实现模拟信号到数字信号的转换,采用自锁定时钟技术提供系统时钟,可与不同驱动频率的陀螺进行连接。检测模态电路中的主要电路模块包括带通Sigma-Delta调制器,锁相环电路,C/V变换电路和数字降采样滤波器。文章对调制器中的非理想因素和噪声源进行了定量理论分析,利用Matlab完成四阶单环反馈Sigma-Delta带通调制器系统级模型的设计与仿真,验证理论分析结果。采用0.35um CMOS工艺完成了带通Sigma-Delta调制器、锁相环、C/V变换电路的电路设计与仿真、版图绘制、后仿真验证,完成数字抽取滤波器的前端设计。仿真环境中,电源电压为5V,输入频率为10k Hz、幅度为-9.5d BFs的信号,后仿真结果显示检测模态电路解调前的信噪比为93.80 d B(带宽100Hz),解调后为96.45 d B(带宽50Hz),动态范围为101d B,1Hz动态范围为110d B,达到了本课题的指标要求。
【图文】：

在微机械陀螺接口电路方面，国外一些机构实现了陀螺敏感结构与外围接口电路的单片集成化，且已经实现了全数字闭环控制的结构。相比于数字电路来说，利用模拟电路实现陀螺接口电路相对简单，但会存在温漂、分布电容、环路延时等非理想因素，这在一定程度上影响了微机械陀螺性能的提高。全数字闭环控制电路的灵活性较高，且受到非理想因素的影响也比较小，是目前的主要研究方向。1.2.1 微机械陀螺研究现状2012 年，台湾大学的 Chun-Wei Tsai 等人报道了一种双解耦 MEMS 陀螺[12]，如图 1-1 所示。该陀螺在维持 Q 值不变的前提下，，通过机械结构的优化使得驱动和检测模态的谐振带宽增大。在陀螺的制造工艺出现偏差的条件下，谐振带宽的提升确保驱动和检测模态仍能实现很好的频率匹配。该陀螺可以在驱动模态和检测模态固有频率重合的任意频率处实现起振，起振频率的范围达到 240Hz。经过测试，当陀螺的角速度小于等于 18.71°/s 时，灵敏度为4.28mV/°/s。

图 1-3 MEMS 陀螺的敏感单元1.2.2 微机械陀螺接口电路研究现状2013年，A. Ismail 等人报道了一款基于 0.18um HVCMOS 工艺的数字输出高性能 MEMS 陀螺[15]，如图 1-4 所示。该陀螺的驱动模态和检测模态的闭合环路全部通过数字信号控制，环路的系数和参数通过可编程电容阵列生成。
【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】：2018
【分类号】：TN96

【参考文献】

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本文编号：2689170