石英陀螺中低谐波失真驱动电路的分析与设计

发布时间：2017-10-18 22:42

  本文关键词：石英陀螺中低谐波失真驱动电路的分析与设计

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【摘要】：随着微电子集成技术的高速发展,分立器件及系统的微型化和单片化已成为一种发展趋势,进而促进了微机电系统的发展。微机械陀螺作为微机电系统的成员,它主要用于惯性系统角速度的测量。微机械陀螺具有体积小、可靠性高等优点。鉴于其在军事和民用领域的巨大应用前景,微机械陀螺成为国际上的研究热点。目前大多研究机构在该领域仍处于研究与实验阶段。接口电路作为陀螺惯性系统的重要组成部分,其性能好坏直接影响陀螺检测的精度,而目前接口电路的实现多采用分立器件。为了减小成本与体积,有必要对接口电路进行集成化的设计。接口电路中驱动电路是微机械陀螺系统正常工作的基础,其驱动性能的好坏直接影响陀螺整体的性能。基于上述原因,本文结合谐波失真的相关分析,完成对石英陀螺的驱动环路的设计。本文首先结合音叉式石英陀螺的工作原理,利用其动力学方程,建立了驱动模态的等效电学模型,为后续驱动环路的设计奠定了基础;然后从驱动信号相位噪声和检测输出稳定性角度出发,分析了谐波失真对石英陀螺性能的影响,进而确定了低谐波失真驱动电路的驱动方式;随后针对课题的要求,比较模块的不同实现方式,完成了闭环驱动电路的系统级设计;接着结合相应指标,完成了电路级驱动环路的设计及相关性能的仿真,并针对谐波失真进行电路优化;最后结合电路级参数,完成石英陀螺驱动环路版图的设计,提取相应的寄生参数,进行后仿真,并与前仿结果进行对比,两者基本上保持一致。采用CSMC 0.5μm CMOS工艺,完成了石英陀螺的驱动电路的电路级和版图级设计。环路稳定振荡后,驱动信号的频率为118259Hz,峰峰值为5.642V,频率抖动为4Hz,频率稳定度为0.036%,另外,驱动信号的谐波失真为0.8%,驱动模态敏感输出信号的谐波失真为0.245%,满足课题的预期要求。
【关键词】：石英陀螺 接口电路 闭环驱动 谐波失真
【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】：TH824.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义8-9
• 1.2 石英微机械陀螺的研究现状9-12
• 1.3 微机械陀螺驱动电路的发展现状12-16
• 1.4 主要研究内容16-17
• 第2章 石英陀螺的原理及等效电学模型17-26
• 2.1 引言17
• 2.2 石英陀螺的工作原理17-20
• 2.2.1 压电效应17
• 2.2.2 哥氏力效应17-19
• 2.2.3 石英微机械陀螺的工作原理19-20
• 2.3 石英陀螺的等效电学模型20-25
• 2.3.1 石英陀螺的机械域模型20-22
• 2.3.2 驱动模态等效电学模型的建立22-24
• 2.3.3 等效电学模型的验证24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 石英微陀螺中驱动环路谐波失真的分析26-37
• 3.1 引言26
• 3.2 巴克豪森判据26-27
• 3.3 驱动信号类型27-28
• 3.4 驱动信号相位噪声的分析28-33
• 3.4.1 相位噪声的基本知识28-29
• 3.4.2 驱动环路的相位噪声模型29-33
• 3.5 检测电路输出稳定性的分析33-35
• 3.6 驱动电路谐波失真的分析与验证35-36
• 3.7 本章小结36-37
• 第4章 石英微机械陀螺中驱动电路的设计37-57
• 4.1 引言37
• 4.2 闭环驱动电路系统级设计37-41
• 4.2.1 驱动方式的选取37-38
• 4.2.2 敏感信号的读取38-39
• 4.2.3 可变增益放大器的设计考虑39-40
• 4.2.4 驱动电路系统结构的确定40-41
• 4.3 闭环驱动电路电路级设计41-53
• 4.3.1 运算放大器的设计41-45
• 4.3.2 跨阻放大器的设计45-46
• 4.3.3 自动增益控制电路46-48
• 4.3.4 可变增益放大器的设计48-50
• 4.3.5 后级功率放大器50-51
• 4.3.6 带隙基准的设计51-52
• 4.3.7 闭环驱动电路的整体仿真52-53
• 4.4 闭环驱动电路的性能优化53-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第5章 石英微机械陀螺中驱动电路的版图设计57-63
• 5.1 引言57
• 5.2 版图设计的基本规则57
• 5.3 版图的优化设计方法57-59
• 5.3.1 匹配性设计57-59
• 5.3.2 布局布线设计59
• 5.4 闭环驱动电路的版图设计及仿真59-62
• 5.5 本章小结62-63
• 结论63-64
• 参考文献64-68
• 攻读学位期间发表的学术论文68-70
• 致谢70

【共引文献】

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本文编号：1057575