【摘要】：微機械陀螺作為微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems,簡稱MEMS)傳感器中的一個重要分支,其性能隨著集成電路工藝的發(fā)展不斷提升,在軍用和民用領(lǐng)域都扮演著重要的角色。作為微機械陀螺中的重要組件,陀螺接口電路的主要研究方向是集成化、數(shù)字化,相比于模擬接口電路,集成化的數(shù)字接口電路可以減少芯片外圍器件,降低寄生參數(shù)影響,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度。Sigma-Delta ADC(Analog to Digital Converter)在低速高精度數(shù)字化輸出的陀螺接口電路中被廣泛應(yīng)用,本文設(shè)計了基于帶通Sigma-Delta調(diào)制器的微機械陀螺檢測模態(tài)電路。論文首先對接口電路的工作原理進行分析,確定檢測模態(tài)接口電路的結(jié)構(gòu)。電路中使用帶通Sigma-Delta調(diào)制器實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,采用自鎖定時鐘技術(shù)提供系統(tǒng)時鐘,可與不同驅(qū)動頻率的陀螺進行連接。檢測模態(tài)電路中的主要電路模塊包括帶通Sigma-Delta調(diào)制器,鎖相環(huán)電路,C/V變換電路和數(shù)字降采樣濾波器。文章對調(diào)制器中的非理想因素和噪聲源進行了定量理論分析,利用Matlab完成四階單環(huán)反饋Sigma-Delta帶通調(diào)制器系統(tǒng)級模型的設(shè)計與仿真,驗證理論分析結(jié)果。采用0.35um CMOS工藝完成了帶通Sigma-Delta調(diào)制器、鎖相環(huán)、C/V變換電路的電路設(shè)計與仿真、版圖繪制、后仿真驗證,完成數(shù)字抽取濾波器的前端設(shè)計。仿真環(huán)境中,電源電壓為5V,輸入頻率為10k Hz、幅度為-9.5d BFs的信號,后仿真結(jié)果顯示檢測模態(tài)電路解調(diào)前的信噪比為93.80 d B(帶寬100Hz),解調(diào)后為96.45 d B(帶寬50Hz),動態(tài)范圍為101d B,1Hz動態(tài)范圍為110d B,達到了本課題的指標要求。
【圖文】：

在微機械陀螺接口電路方面，國外一些機構(gòu)實現(xiàn)了陀螺敏感結(jié)構(gòu)與外圍接口電路的單片集成化，且已經(jīng)實現(xiàn)了全數(shù)字閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)。相比于數(shù)字電路來說，利用模擬電路實現(xiàn)陀螺接口電路相對簡單，但會存在溫漂、分布電容、環(huán)路延時等非理想因素，這在一定程度上影響了微機械陀螺性能的提高。全數(shù)字閉環(huán)控制電路的靈活性較高，且受到非理想因素的影響也比較小，是目前的主要研究方向。1.2.1 微機械陀螺研究現(xiàn)狀2012 年，臺灣大學的 Chun-Wei Tsai 等人報道了一種雙解耦 MEMS 陀螺[12]，如圖 1-1 所示。該陀螺在維持 Q 值不變的前提下，，通過機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使得驅(qū)動和檢測模態(tài)的諧振帶寬增大。在陀螺的制造工藝出現(xiàn)偏差的條件下，諧振帶寬的提升確保驅(qū)動和檢測模態(tài)仍能實現(xiàn)很好的頻率匹配。該陀螺可以在驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)固有頻率重合的任意頻率處實現(xiàn)起振，起振頻率的范圍達到 240Hz。經(jīng)過測試，當陀螺的角速度小于等于 18.71°/s 時，靈敏度為4.28mV/°/s。

圖 1-3 MEMS 陀螺的敏感單元1.2.2 微機械陀螺接口電路研究現(xiàn)狀2013年，A. Ismail 等人報道了一款基于 0.18um HVCMOS 工藝的數(shù)字輸出高性能 MEMS 陀螺[15]，如圖 1-4 所示。該陀螺的驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的閉合環(huán)路全部通過數(shù)字信號控制，環(huán)路的系數(shù)和參數(shù)通過可編程電容陣列生成。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN96

【參考文獻】

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本文編號：2689170