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作者：丛乐乐哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

最近几年有关微机电(MEMS)技术的更新与研究的速度正在突飞猛进。现如今的MEMS陀螺拥有诸多优点例如具有高工作精度并且越来越集成化和高速化等。因MEMS陀螺拥有如此多优势,从MEMS陀螺最开始被人们研发成功以来,这种系统就引起社会热烈... 详细信息

最近几年有关微机电(MEMS)技术的更新与研究的速度正在突飞猛进。现如今的MEMS陀螺拥有诸多优点例如具有高工作精度并且越来越集成化和高速化等。因MEMS陀螺拥有如此多优势,从MEMS陀螺最开始被人们研发成功以来,这种系统就引起社会热烈关注。在这种研发热潮与极高的关注度下,在未来的时间里MEMS陀螺将会越来越被人们所熟知和应用。伴随着微机电系统相关技术的快速发展,对微机电系统的探索与设计工作也在逐渐深入,这使得与MEMS数字陀螺相关的接口电路与传感电路的研究也变得尤为重要。本文设计的频率合成器结构主要运用于数字陀螺,采用锁相环结构。系统的设计首先从传统频率合成器各部分结构的工作原理入手进而对性能较好的结构进行深入研究与设计。在本文设计系统中既有模拟又有数字部分。而在陀螺传感器的电路设计中,模拟电路占据重要位置。针对MEMS陀螺接口电路的设计,频率合成器将在这部分电路中产生关键作用。但是目前各种系统应用中对MEMS陀螺的工作性能要求越来越高,模拟电路由于电路设计复杂调试困难等问题使其很难满足设计要求。而数字电路与模拟电路相结合不仅兼顾两种电路的优点还可以更好地满足系统各项设计要求。这种设计理念将显著提高系统工作性能。本文电路设计主要基于无死区效应的鉴频鉴相器、电流舵电荷泵、二阶无源环路滤波器、五级延迟压控振荡器和多级双模可编程分频器结构。通过运用这些结构使频率合成器产生的精确的输出频率信号。降低了噪声干扰及电路中其他不利因素的影响。在参数设计与MOS管级电路设计完成后,对系统进行版图绘制。电路设计在Cadence Spectre平台下进行而版图设计则使用Cadence Virtuoso。系统设计基于上华0.5um CMOS N阱工艺。系统工作于5V电源电压并且在输入4KHz至20KHz方波信号时输出频率信号可达1MHz至10MHz。经过仿真相位噪声在10KHz频偏处为-145d Bc/Hz。经仿真验证,运用于MEMS数字陀螺的频率合成器设计满足要求。

关键词： MEMS 数字陀螺锁相式倍频

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