转子式微陀螺asic接口检测电路设计

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1、硕士学位论文（工程硕士）转子式微陀螺ASIC接口检测电路设计ROTORMICROGYROASICINTERFACEDETECTSCIRCUITDESIGN王頔哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：V241.5学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文转子式微陀螺ASIC接口检测电路设计硕士研究生：王頔导师：刘晓为教授申请学位：工程硕士学科：集成电路工程所在单位：航天学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V241.5U.D.C:621.3DissertationfortheMas

2、terDegreeinEngineeringROTORMICROGYROASICINTERFACEDETECTSCIRCUITDESIGNCandidate：DiWangSupervisor：Prof.XiaoweiLiuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：IntegratedCircuitsEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefenceJune2016Degree-Conferring-Institution：Harbin

3、InstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着惯性器件的发展，陀螺仪在各个领域尤其是军用领域和民用领域里扮演了越来越重要的角色，因此也驱动了各个科研机构对陀螺仪的研发改进和性能的完善以满足陀螺仪对不同环境的适应性。哈工大MEMS中心提出了一种新型的球碟转子式陀螺结构，其基本原理是通过对差分电容随外界变化而变化的检测从而确定角速度等物理量，检测电路的性能决定最终输出结果的精度，所以检测电路对于整个系统的重要性不言而喻。本论文首先对陀螺系统的原理进行综述，详细介绍检测电路的工作原理，重点对整体系统进行模块划分，深入了解球碟-转子式陀

4、螺驱动电路和检测电路各个模块的工作原理与设计要求，具体完成球碟-转子式陀螺检测电路的各个功能模块的设计。检测电路包括正弦发生器，高频调制器，开关相敏解调电路，具有放大功能的有源低通滤波器，无源低通滤波器等。具体设计思路为通过高频载波发生器产生的高频载波对陀螺进行驱动，经过电荷放大器转换为电压信号，然后对信号二级放大防止噪声对信号的影响。输出信号经过反相比例放大器反相得到差分信号，利用开关相敏解调器对信号进行解调，然后对解调出的信号进行低通滤波滤除噪声和高频载波得到输出电位。根据指标要求对电路基本结构进行设计，电路基本结构确定后利用Candence仿真软件对电路结

5、构的参数指标进行验证，综合电路的各个指标要求实现各个模块的基本功能。通过系统整体信号输出和性能指标要求可以得到检测电路的电容分辨率。对输出信号进行线性拟合并对数据进行处理可以得到刻度因数和非线性因数。对输出高频载波进行傅立叶频谱分析得到谐波失真相关指标。对不同温度下电路的刻度因数的分析得到温度系数。对各个模块进行优化处理并基于0.35μmCMOS工艺完成系统整体的版图绘制，并对系统整体进行后仿验证分析和完善。通过对电路的设计和完善，最终设计出的高频载波发生器的频率为200kHz，起振时间为8.77ms，振幅为7.36V，谐波失真为-110dB，高增益多级运算放大

6、器的增益为115.29dB，相位裕度为80.93°，带宽为3.3MHz，电容相对分辨率为4.5×10-9pf，非线性因子为5×10-5，检测电容范围是4.5×10-8pf到5×10-2pf，温度系数为67ppm/℃，各个模块参数满足性能指标。关键词：球碟-转子式陀螺；电荷放大；电容检测；差分电容；线性化处理I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofinertialdevices,gyroscopesinvariousfields,especiallyinthefieldofmilitaryandcivilianare

7、asplayanincreasinglyimportantrole,andthereforedrivethevariousresearchinstitutionstoimprovegyroperformanceimprovementsandresearchanddevelopmenttomeetthegyroscopeadaptabilitytodifferentenvironments.HITMEMSCenterpresentsanewtypeofballrotordiscgyroscopestructure,thebasicprincipleiswithth

8、eoutsideworl