基于CMOS工艺的MEMS陀螺仪接口电路设计

摘要

陀螺仪是用来测量转动物体角速度的装置，随着MEMS技术的快速发展，MEMS陀螺仪逐渐成为近来的研究热点。与传统的角速度传感器相比，MEMS陀螺仪具有成本低、功耗小、体积小、重量轻、可靠性高、易于集成、适于批量生产和可实现智能化等诸多优点，被广泛应用于航空、航天、航海、汽车、生物医学、环境监控等领域和众多消费电子产品中。
　　 虽然MEMS陀螺仪具有广阔的应用前景，但是由于其输出角速度信号小，极容易受寄生参数和环境噪声的影响，难以被有效提取出来并进行处理，因此，设计出噪声抑制能力强、信号分辨率高的接口电路成为MEMS陀螺仪的关键和难点之一。本文的主要内容就是设计单片集成的电容式MEMS陀螺仪接口电路，与传统采用分立器件的方法相比，单片集成的接口电路在面积、功耗方面具有优势，且寄生参数不受外部干扰容易控制，更易于实现对微弱信号的高精度处理。
　　 本文详细分析了电容式MEMS陀螺仪的基本原理，根据MEMS陀螺仪模型的参数和系统指标确定了接口电路的实现方案，并对系统中各模块的具体实现方案和电路性能进行了详细分析，给出了相应的设计要点和电路仿真结果。为了方便整体电路的仿真和测试，本文还设计了MEMS陀螺仪模型的等效电路。本文设计的接口电路采用了全差分技术、相关双采样技术、底极板采样技术和LDO电源稳压等方法，以减小噪声、失调、开关电荷注入和共模干扰等因素对系统性能的影响。
　　 本文采用Chartered0.35μm标准CMOS工艺设计并实现了单片集成的横向电容式MEMS陀螺仪接口电路，芯片总面积为1.09mm×0.87mm。经后仿真验证，接口电路最小可分辨的动态敏感电容差为0.58aF，系统动态范围达99.7dB。测试结果表明，在满足系统增益精度要求的前提下，接口电路中相关双采样部分最高可工作在5MHz的驱动频率下，接口电路增益26.6mV/fF，总功耗20.4mW，达到系统设计指标要求。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 发展动态以及国内外研究现状

1．3 MEMS陀螺仪的工作原理

1．4 论文结构安排

第2章 MEMS陀螺仪接口电路的系统分析

2．1 MEMS陀螺仪接口电路参数与指标

2．2 接口电路的系统设计

2．3 MEMS陀螺仪模型的等效电路

2．4 本章小结

第3章 MEMS陀螺仪接口电路模块设计

3．1 灵敏电荷放大器设计

3．1．1 灵敏电荷放大器工作原理

3．1．2 快速建立开关电容放大器的设计

3．1．3 开关电容放大器的噪声分析

3．1．4 灵敏电荷放大器的参数选取

3．1．5 第一级放大器设计

3．1．6 第二级放大器设计

3．2 解调、滤波及缓冲电路设计

3．2．1 第一次解调电路

3．2．2 低通滤波电路

3．2．3 缓冲电路

3．2．4 第二次解调滤波电路

3．3 开关控制电路设计

3．4 LDO设计

3．4．1 LDO基本原理

3．4．2 LDO设计要点

3．4．3 LDO电路设计

3．4．4 LDO仿真结果

3．5 偏置电路设计

3．5．1 偏置电路原理

3．5．2 偏置电路仿真结果

3．6 静态敏感电容差的消除

3．7 本章小结

第4章 版图设计、后仿真与测试结果

4．1 版图设计

4．1．1 梯度效应与共质心布局

4．1．2 离子倾斜注入

4．1．3 电容的版图设计

4．1．4 输入差分对的版图设计

4．1．5 参考源分布

4．1．6 衬底噪声

4．1．7 接口电路版图

4．2 接口电路系统后仿真结果

4．3 接口电路系统测试结果

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文的主要成果

5．2 进一步的工作

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文