石英陀螺中低谐波失真驱动电路的分析与设计

作     者：吕秋叶 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张宇峰

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：石英陀螺 接口电路 闭环驱动 谐波失真 

摘      要：随着微电子集成技术的高速发展,分立器件及系统的微型化和单片化已成为一种发展趋势,进而促进了微机电系统的发展。微机械陀螺作为微机电系统的成员,它主要用于惯性系统角速度的测量。微机械陀螺具有体积小、可靠性高等优点。鉴于其在军事和民用领域的巨大应用前景,微机械陀螺成为国际上的研究热点。目前大多研究机构在该领域仍处于研究与实验阶段。接口电路作为陀螺惯性系统的重要组成部分,其性能好坏直接影响陀螺检测的精度,而目前接口电路的实现多采用分立器件。为了减小成本与体积,有必要对接口电路进行集成化的设计。接口电路中驱动电路是微机械陀螺系统正常工作的基础,其驱动性能的好坏直接影响陀螺整体的性能。基于上述原因,本文结合谐波失真的相关分析,完成对石英陀螺的驱动环路的设计。本文首先结合音叉式石英陀螺的工作原理,利用其动力学方程,建立了驱动模态的等效电学模型,为后续驱动环路的设计奠定了基础;然后从驱动信号相位噪声和检测输出稳定性角度出发,分析了谐波失真对石英陀螺性能的影响,进而确定了低谐波失真驱动电路的驱动方式;随后针对课题的要求,比较模块的不同实现方式,完成了闭环驱动电路的系统级设计;接着结合相应指标,完成了电路级驱动环路的设计及相关性能的仿真,并针对谐波失真进行电路优化;最后结合电路级参数,完成石英陀螺驱动环路版图的设计,提取相应的寄生参数,进行后仿真,并与前仿结果进行对比,两者基本上保持一致。采用CSMC 0.5μm CMOS工艺,完成了石英陀螺的驱动电路的电路级和版图级设计。环路稳定振荡后,驱动信号的频率为118259Hz,峰峰值为5.642V,频率抖动为4Hz,频率稳定度为0.036%,另外,驱动信号的谐波失真为0.8%,驱动模态敏感输出信号的谐波失真为0.245%,满足课题的预期要求。