基于锁相环原理的mems硅陀螺闭环驱动电路设计

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1、硕士学位论文基于锁相环原理的MEMS硅陀螺闭环驱动电路设计DESIGNOFCLOSEDLOOPDRIVINGCIRCUITSFORMEMSSILICONGYROSCOPEBASEDONPLL江文宁哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TN432学校代码：10213国际图书分类号：621.38密级：公开工程硕士学位论文基于锁相环原理的MEMS硅陀螺闭环驱动电路设计硕士研究生：江文宁导师：叶水驰教授申请学位：工程硕士学科：集成电路工程所在单位：微电子科学与技术系答辩日期：2015年6月30日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedI

2、ndex:TN432U.D.C:621.38DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNOFCLOSEDLOOPDRIVINGCIRCUITSFORMEMSSILICONGYROSCOPEBASEDONPLLCandidate：JiangWenningSupervisor：Prof.YeShuichiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：IntegratedCircuitEngineeringAffiliation：D

3、ept.ofMicroelectronicsScienceandTechnologyDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要硅陀螺仪已经在航天、军事以及民用方面展现了其巨大的价值。近年来，随着MEMS技术的日益发展成熟，MEMS硅陀螺仪已经成为研究领域的重点和热点。MEMS硅陀螺仪主要包括陀螺传感器和接口电路两部分，接口电路的性能对硅陀螺仪整体性能有非常重要的影响。本论文主要对MEMS硅陀螺

4、闭环驱动电路进行研究，设计一种基于锁相原理的闭环驱动电路，实现闭环自激驱动，并对其相位噪声等性能进行分析优化。本论文首先分析静电驱动电容式硅陀螺工作原理，利用其动力学方程，建立驱动电路等效电学模型。对该驱动电路等效电学模型进行分析，通过仿真验证发现：驱动信号频率与等效硅陀螺传感器的RLC并联等效电学模型谐振频率相等时，得到的驱动检测敏感电流最大。硅陀螺在驱动方向发生谐振时，驱动电压与驱动方向的敏感电流的相位和频率完全一致，而锁相环技术可以实现对相位和频率的精确锁定。基于硅陀螺接口电路的以上特性和锁相原理，本课题设计了一种基于锁相原理的硅陀螺闭

5、环驱动电路。主要设计内容包括：闭环驱动电路Matlab行为级设计仿真验证，晶体管级电路实现，以及锁相环电路部分版图级实现以及后仿真。通过仿真验证基于锁相原理的硅陀螺闭环驱动电路的可行性，以及对其建立时间、频率稳定性、相位噪声等性能的分析和改进。本论文主要的电路设计模块包括C-V转换电路，90°移相电路，三阶高增益运放，锁相环电路。通过C-V转换电路将陀螺检测敏感电流转换成电压信号，经过90°移相电路对信号进行相位和幅值调整，该信号作为锁相环电路输入参考信号，经过锁相锁频，输出同频同相的驱动控制信号对硅陀螺进行驱动，由于频率的一致性，驱动电路谐

6、振，快速实现稳定自激振荡。通过仿真验证，该驱动电路在100ms后频率误差不超过1Hz，精确锁定在硅陀螺的谐振频率2.7739kHz处。关键词：硅微机械陀螺；闭环驱动电路；锁相环电路-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractTheprodigiousvalueofSiliconMEMSgyroscopehasspreadoutinmilitary,aerospaceindustryandcivilfields.Intherecentyears,asthegrownoftheMEMStechnology,MEMSgyroscopehas

7、becomethehotresearchpoint.MEMSgyroscopeconsistofsensorandinterfacecircuit,thewholeperformanceofMEMSgyroscopedependsmuchontheinterfacecircuit.Aclosedloopdrivecircuitbasedonphaselockinglooptheoryisproposedinthethesis,theclosedloopself-excitationdrivecircuitisrealizedfortheMEM

8、Sgyroscope,andtheperformanceoftheinterfacecircuitisanalyzed.Firstly,thethesisintro