石英陀螺中低谐波失真驱动电路的分析与设计

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CSMC0.5μm 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。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 石英微机械陀螺的研究现状

1.3 微机械陀螺驱动电路的发展现状

1.4 主要研究内容

第2章 石英陀螺的原理及等效电学模型

2.1 引言

2.2 石英陀螺的工作原理

2.3 石英陀螺的等效电学模型

2.4 本章小结

第3章 石英微陀螺中驱动环路谐波失真的分析

3.1 引言

3.2 巴克豪森判据

3.3 驱动信号类型

3.4 驱动信号相位噪声的分析

3.5 检测电路输出稳定性的分析

3.6 驱动电路谐波失真的分析与验证

3.7 本章小结

第4章 石英微机械陀螺中驱动电路的设计

4.1 引言

4.2 闭环驱动电路系统级设计

4.3 闭环驱动电路电路级设计

4.4 闭环驱动电路的性能优化

4.5 本章小结

第5章 石英微机械陀螺中驱动电路的版图设计

5.1 引言

5.2 版图设计的基本规则

5.3 版图的优化设计方法

5.4 闭环驱动电路的版图设计及仿真

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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