基于频率调制的微机械陀螺闭环驱动电路研究

摘要

微电子机械系统(MEMS)成为近几十年内广泛研究和发展的主题。好的微机械陀螺接口电路能够使陀螺正常工作，精确的反应输入信号，最大限度的消除噪声，修正陀螺结构设计中的不足。如果接口电路设计不当，陀螺就无法正常工作，即使是好的结构设计也不能够实现信号检测。
　　目前，在微机械陀螺接口电路中存电学耦合，它导致陀螺的输出结果与输入信号的非线性度已接近30％，严重影响微陀螺的性能。在传统的接口电路中，由于驱动信号与检测信号频率相同，因而这种电学耦合很难消除，必须研究新的驱动原理。通过对陀螺结构的频谱分析得知，陀螺的频率特性是窄带带通。本文基于此，设计了新的驱动方法，即将驱动信号进行频率调制，使驱动信号与检测信号的频率相分离，通过滤波器将耦合信号消除。
　　本文首先搭建了系统模型，对系统进行仿真，根据仿真结果进行优化。再对优化后的系统进行晶体管级设计，设计出驱动电路的电荷放大器、90°移相器、乘法器、二阶滤波器、直流比较器和加法器。Hspice仿真结果表明，实现了自激驱动，起振时间为0.22s。驱动信号的直流分量最终稳定值为5.9453V。幅度稳定性为0.027%，频率稳定性为0.009%。又对电路进行了 ASIC版图设计，提取版图参数，对电路进行后仿，后仿结果与前仿一致，进行流片。流片后又对芯片进行了测试，给出了部分测试结果，为正在进行的其他部分测试提供参考数据。

目录

基于频率调制的微机械陀螺 闭环驱动电路研究

RESEARCH OF FREQUENCY MODULATION CLOSED-LOOP DRIVING CIRCUIT OF MICROMACHINED GYROSCOPE

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 微陀螺驱动电路概述

1.4 研究的目的和意义

1.5 本课题主要研究内容

第2章 微陀螺工作原理及电学耦合分析

2.1 科氏力原理

2.2 微陀螺动力学方程

2.3 微陀螺静电驱动原理

2.4 微陀螺电容检测原理

2.5 耦合误差分析

2.6 陀螺频率特性分析

2.7 本章小结

第3章 频率调制电路系统设计

3.1 闭环驱动电路系统分析

3.2 微陀螺驱动模态等效电路模型

3.3 频率调制的闭环驱动原理分析

3.4 本章小结

第4章 频率调制电路晶体管级设计

4.1 极板电荷变化量到电路的等效

4.2 电荷放大器

4.3 90°移相器

4.4 乘法器

4.5 二阶滤波器

4.6 直流比较器

4.7 加法器

4.8 放大器与比较器

4.9 整体电路仿真结果分析

4.10 本章小结

第5章 版图设计与芯片测试

5.1 电荷放大器版图设计

5.2 整体电路版图设计

5.3 ASIC 芯片测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录 1

附录 2

附录 3

附录 4

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢