高精度硅陀螺接口电路集成技术研究.pdf

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1、国内图书分类号：TN432学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文高精度硅陀螺接口电路集成技术研究博士研究生：付强导师：陈伟平教授申请学位：工学博士学科：微电子学与固体电子学所在单位：航天学院答辩日期：2018年2月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN432U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONINTERFACECIRCUITFORHIGHPRE

2、CISIONSILICONMICROMACHINEDGYROSCOPECandidate：FuQiangSupervisor：Prof.ChenWeipingAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MicroelectronicsandSolid-StateElectronicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：February，2018Degree-Conferring

3、-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要陀螺作为角速度测量器件，在航天、国防和工业应用中发挥重要作用。微机电系统（MEMS）硅陀螺具有高集成、高精度及批量生产优势，应用越来越广泛。硅陀螺接口电路集成化能够实现自恰性调试、MEMS器件特性与电路系统性匹配以及高可靠性，对陀螺性能提升至关重要。国外已经实现接口电路集成化。而我国陀螺接口电路研究开展较晚，与国外相比存在明显差距，成为硅陀螺研究的瓶颈问题。硅陀螺接口ASIC芯片包括驱动电路、敏感检测电路以及抑

4、制陀螺结构非理想特性的专用电路。而驱动电路的相位噪声、检测电路噪声、耦合、陀螺的寄生哥氏力、正交误差和温度特性等因素将显著影响陀螺输出性能。为解决相应问题本文研究了低失真闭环自激驱动、低噪声敏感检测、耦合干扰抑制以及温度补偿等集成技术，采用正向设计、自主研发接口ASIC芯片，并通过测试对相关技术进行了验证。陀螺自激驱动系统是利用自动增益控制原理保证驱动力幅值稳定，是非线性系统，由于系统内热噪声和1/f噪声产生的电荷注入在时间上是随机的，由其产生的相位噪声在高精度陀螺设计中已不可忽略，通常的线性噪声

5、分析无法满足要求。本文建立了针对电容式硅陀螺的非线性时变模型取代现有线性时不变模型分析相位噪声，得到了驱动环路低频噪声和高次谐波处噪声对驱动相位噪声影响的数学解析模型，给出量化相位噪声的方法。提出优化驱动环路性能的电路拓扑结构和电路参数优化方法，设计了基于非线性自动增益控制电路的正弦驱动电路，该电路兼具正弦驱动的低相位噪声优点和方波驱动的快速启动优点。影响陀螺输出稳定性的最重要因素是电路的噪声，通过对检测电路噪声源分析得出检测电路前端的电荷放大器的热噪声、解调参考信号的相位噪声和低通滤波器的1/f

6、噪声是系统最重要的噪声源。针对几种噪声源建立更加完备的噪声源数学模型。通过对电荷放大器结构优化和参数调整，实现接口ASIC检测电路低噪声，通过采用正弦驱动降低系统相位噪声。针对品质因子较低的硅陀螺，设计了基于闭环幅值控制的正弦高频载波的方法进一步优化系统噪声，在有效降低噪声的同时，解决了谐振信号同频耦合的问题。分析了寄生哥氏力、正交耦合、电学耦合以及信号相移和参数失配等因素对输出稳定性的影响，建立了稳定性数学解析模型，提出了提高输出稳定性的综合优化方法。硅陀螺温度适应性是其能否实用化的重要条件，本

7、文针对硅陀螺零位温度漂移，研究了陀螺敏感结构温度特性和电路温度特性，建立了刻度因数温度模型和-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文零位输出温度模型。针对品质因数不十分高的陀螺，提出了基于交流驱动幅值拟合的温度补偿原理，并首创性地采用数字电路控制熔丝阵列的方法实现片上温度补偿，设计了低温漂恒定跨导运算放大器，有效降低全温信号相位移动，设计了低温漂电压基准，消除了电路对零位输出的影响。并对低温漂电路和温度补偿方法进行了仿真。根据相关集成技术研究和数学模型，设计了具有闭环自激驱动和开环微弱信号检测功能的接

8、口ASIC，采用0.35μm线宽四层金属双多晶BCD工艺设计硅陀螺接口ASIC芯片版图并流片，芯片面积约为4.5mm×4.0mm。芯片测试结果显示：检测电路的前级相对电容分辨率达到1.8×10-9，全温相移小于0.1°。陀螺整机实现了低失真快速自激驱动，角速度检测功能，零位短期稳定性为1.12o/hr，全温区零位温度漂移为29.48o/hr。测试结果证实了理论分析、建模以及电路集成设计的正确性，体现了集成电路的优势，电路性能达到高精度陀螺接口电路要求。关键词：MEMS陀螺；接口AS