MEMS数字陀螺中开关电容检测电路的设计

发布时间：2017-04-06 10:02

  本文关键词：MEMS数字陀螺中开关电容检测电路的设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：数十年来,由于微电子技术与制造工艺的不断创新和发展,使得IC产业不断壮大。基于微机械系统MEMS的产品越来越来普遍的进入到军事与民用产品中。微机械陀螺仪作为MEMS器件中重要的分支之一,微机械陀螺仪已经成长为一种最具发展潜力的陀螺仪。因此,对于微机械陀螺的研究具有重要的国防价值和广阔的市场前景。微机械陀螺可以分为机械部分和电学部分两个部分构成。机械部分是指陀螺仪的机械敏感结构,本文主要是针对电容式敏感结构。电学部分是指陀螺接口检测电路。陀螺接口检测电路能够检测出微小电容的变化,转化为可以被处理的电压信号,经过后级信号处理电路,输出和角速度同样变化的电压信号,实现对角速率的检测。本文对微机械陀螺检测原理,检测方式进行了分析,建立了微机械陀螺电容敏感结构的等效模型,并给出了开关电容检测电路的系统结构和噪声分析。然后分模块对整体检测电路进行低噪声设计。设计的检测电路主要包括电荷敏感放大器,次级放大器、采样保持电路和二阶低通滤波电路,并加入相关双采样电路来降低失调和低频噪声的影响。除此之外,还设计了一些辅助电路,包括前级开关电容放大电路的时钟控制电路,两相不交叠电路,带隙基准源电路和参考电压产生电路。通过仿真可以得到带隙基准源及其参考电压产生电路稳定工作电压范围为4.4V-5V,输出电压分别为2.5V,2V和1.2V,温度系数分别为2.14ppm/oC、1.678ppm/oC、1.477ppm/oC,对检测电路仿真可以得到电路刻度因子为28.81m V/ff,经补偿后刻度因子温度系数为86.7 ppm/oC,相对分辨率为7.76 x10-9,整体功耗为9.935m V,经版图后仿真,可以得到刻度因子温度系数为88.8 ppm/oC,相对分辨率为8.96 x10-9。
【关键词】：微机械陀螺 开关电容 相对电容分辨率 温度系数
【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】：TN96
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 微机械陀螺的发展概述10-13
• 1.3 微机械陀螺检测电路的发展现状13-17
• 1.4 研究的目的与意义17
• 1.5 主要研究内容17-19
• 第2章 微机械陀螺系统分析与建模19-37
• 2.1 机械敏感单元的电容式检测工作原理19-24
• 2.1.1 科氏效应与科氏力19-20
• 2.1.2 微机械陀螺机械结构分析20-21
• 2.1.3 微机械陀螺机械结构建模与仿真21-24
• 2.2 微机械陀螺机械电容检测电路结构分析24-25
• 2.2.1 电容检测方式的区别24
• 2.2.2 开关电容检测方式24-25
• 2.3 开关电容检测电路的非理想特性25-28
• 2.3.1 沟道电荷注入效应25-27
• 2.3.2 时钟馈通效应27
• 2.3.3 运算放大器的非理想特性27-28
• 2.4 非理想特性的减少与消除28-31
• 2.4.1 开关结构的优化28-29
• 2.4.2 相关双采样技术29-31
• 2.5 检测电路噪声分析31-36
• 2.5.1 运算放大器噪声32-33
• 2.5.2 开关热噪声与KT/C噪声33-34
• 2.5.3 参考电压源噪声34-35
• 2.5.4 折叠噪声35-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第3章 开关电容检测电路的系统级设计37-44
• 3.1 开关电容检测电路整体结构设计37-38
• 3.2 开关电容检测电路整体电路实现38
• 3.3 前级开关电容放大电路38-41
• 3.4 后级信号处理电路41-43
• 3.4.1 采样保持电路41-43
• 3.4.2 二阶低通滤波43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 电路设计与仿真44-64
• 4.1 时钟控制电路44-47
• 4.1.1 二分频电路44-45
• 4.1.2 两相不交叠时钟电路45
• 4.1.3 时钟控制时序的实现45-47
• 4.2 带隙基准电压源47-51
• 4.3 电荷敏感放大器51-58
• 4.3.1 运放结构选择与低噪声设计51-53
• 4.3.2 辅助运放的分析与设计53-54
• 4.3.3 共模反馈与偏置电路54-55
• 4.3.4 电荷敏感放大器的仿真分析55-58
• 4.4 输入共模反馈放大器58-59
• 4.5 次级放大器59-60
• 4.6 前级开关电容放大电路整体仿真60-61
• 4.7 后级信号处理电路61-63
• 4.7.1 采样保持电路61-62
• 4.7.2 二阶低通滤波参数的确定62-63
• 4.8 本章小结63-64
• 第5章 整体电路仿真与版图设计64-70
• 5.1 整体电路的实现与仿真64-67
• 5.2 版图设计67-69
• 5.2.1 版图设计规则67-68
• 5.2.2 版图设计与后仿真68-69
• 5.3 本章小结69-70
• 结论70-72
• 参考文献72-77
• 致谢77

【参考文献】

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中国博士学位论文全文数据库 前2条

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本文编号：288658