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微硅陀螺检子系统集成电路的研究与实现

作　者: 安建宏
导　师: 张鹤鸣
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微硅陀螺电容检测锁定放大器微弱信号 BiCMOS
分类号: TN492
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

在硅材料上采用氧化、光刻、腐蚀、键合等微机械加工技术制作出来的微机械惯性传感器具有批量生产成本低、体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、易于与微电子电路集成实现数字化和智能化等优点。它成功地把旋转或者非旋转的惯性传感器从宏观概念向微观世界推进了至关重要的一大步。微硅机械振动陀螺仪是微机械惯性传感器乃至整个微机械研究领域内一项重要课题。微硅机械陀螺仪在航天航空器惯性制导、汽车自动导航和安全系统、武器火控系统、雷达天线稳定、机器人姿态控制、工业生产自动化、医用电子学等领域都有广阔的应用。本文在分析差动电容式传感器工作原理的基础上,设计了音叉电容式微硅陀螺仪检测系统。电容检测电路采用电荷放大器方案。对电容检测电路的输出信号进行了分析,设计了信号检测电路,利用锁定放大技术检测微小信号。在锁定放大器前级设计高阻抗、低噪声、高增益放大器,使用开关式乘法器电路进行相关检测,根据锁定放大的特点,设计了二阶无源带通滤波器、有源低通滤波器,有效的分离出了输入角速度。通过对电路性能的分析、陀螺主要参数的估算,确定所设计的电路可以达到基本要求。本文的最后,采用BiCMOS工艺技术完成了芯片的工艺设计以及版图设计并进行了一系列相关的版图验证工作。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章绪论  8-12
  1.1 微硅陀螺仪的研究与发展意义  8-9
  1.2 国内外研究现状及分析  9-10
    1.2.1 国外研究现状及分析  9-10
    1.2.2 国内研究现状及分析  10
  1.3 本课题研究的目的与意义  10-11
  1.4 本文研究的主要内容与安排  11-12
    1.4.1 主要研究内容  11
    1.4.2 论文内容安排  11-12
第二章微弱信号检测理论与技术  12-22
  2.1 噪声  12-15
    2.1.1 噪声的统计特性  12-14
    2.1.2 白噪声  14-15
  2.2 相关检测技术  15-18
    2.2.1 相关原理与相关函数  15-16
    2.2.2 相关接收技术  16-18
    2.2.3 锁定接收法  18
  2.3 锁定放大器  18-21
    2.3.1 锁定放大器工作原理  19-20
    2.3.2 锁定放大器结构  20-21
    2.3.3 锁定放大器中的信号相关原理  21
  2.4 小结  21-22
第三章微硅陀螺仪传感器结构及检测原理分析  22-33
  3.1 音叉电容式微硅陀螺仪的工作原理  22-28
    3.1.1 振动式陀螺仪  22-23
    3.1.2 音叉式振动陀螺仪  23-24
    3.1.3 差动电容式陀螺仪的实现原理  24-28
  3.2 几种常见的微小电容检测方法  28-31
    3.2.1 采用开关电容电路的微电容测量  28-29
    3.2.2 基于电容充/放电原理的微电容测量  29-30
    3.2.3 电荷放大器电容检测方案  30-31
  3.3 音叉电容式微机械陀螺接口电路的研究  31-32
  3.4 小结  32-33
第四章微硅陀螺仪检测系统设计  33-64
  4.1 检测系统设计方案  33-34
  4.2 差分电容检测  34-36
    4.2.1 电荷放大器工作原理  34-35
    4.2.2 差分电容检测原理  35-36
  4.3 低噪声、高增益电荷放大器设计  36-50
    4.3.1 差分输入级  37-38
    4.3.2 中间放大级  38-39
    4.3.3 输出级  39-41
    4.3.4 电路的频率响应和相位补偿  41-43
    4.3.5 噪声分析  43-49
    4.3.6 仿真与分析  49-50
  4.4 带通滤波器的设计  50-53
    4.4.1 频率响应  50-52
    4.4.2 仿真与分析  52-53
  4.5 相关器的设计  53-59
    4.5.1 开关式乘法器  53-55
    4.5.2 低通滤波器  55-56
    4.5.3 相敏检波的信号频谱迁移与窄带滤波抑制噪声  56-59
  4.6 检测系统的总体设计  59-61
  4.7 微硅陀螺检测系统模拟仿真验证  61-63
  4.8 小结  63-64
第五章版图设计与验证  64-73
  5.1 工艺分析  64-66
  5.2 版图的设计流程  66-68
  5.3 版图中提高电路性能的设计  68-71
    5.3.1 MOS管的匹配设计  68-70
    5.3.2 版图中减小噪声的设计  70
    5.3.3 预防闩锁效应(Latch-up)的设计  70-71
  5.4 版图的DRACULA验证  71-72
    5.4.1 设计规则检查（DRC）  71-72
    5.4.2 版图与电路图一致性检查（LVS）  72
    5.4.3 版图验证文件的编写  72
  5.5 小结  72-73
第六章结束语  73-74
  6.1 论文工作总结  73
  6.2 进一步工作的建议  73-74
致谢  74-76
参考文献  76-78
研究成果  78

微硅陀螺检子系统集成电路的研究与实现

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