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振动式微机械陀螺系统噪声分析及低噪声电路设计

作　者: 田野
导　师: 陈伟平
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微陀螺系统 接口电路 噪声分析 低噪声设计
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


微陀螺系统是一种能够测量物体相对惯性空间角速度的传感器,它是基于哥氏加速度检测原理而工作的,在军事、导航领域有着广泛的应用。随着MEMS技术的不断成熟,微机械陀螺传感器结构的加工技术已日趋成熟,而接口电路的设计则成为制约微机械陀螺产品化的瓶颈。目前国外研制的微陀螺系统的分辨率大都在1 /h以内,但是国内的微陀螺系统分辨率还在100/ h左右,而微陀螺的输出信号幅度很小,噪声或外界干扰会严重影响微陀螺检测的分辨率,对微陀螺系统噪声的分析是十分重要的。本文基于闭环驱动全差分振动式微机械陀螺系统,从微陀螺的工作原理出发,分析得到陀螺驱动模态和检测模态的动力学方程,并通过分析驱动电路和检测电路的工作原理,利用基本的噪声理论和噪声分析方法,建立了接口电路的整体噪声模型和前置放大器、增益级以及开关相敏解调电路的噪声模型,深入、详细地分析接口电路的噪声。通过对结构噪声和检测电路噪声的对比,分析确定了电路的噪声是系统噪声的主要贡献部分,并通过对检测电路的噪声分析,确定了前置放大器是对接口电路和微陀螺系统噪声贡献最大的模块。经过分析计算得到检测电路的输入参考噪声电压为3.79μV/ Hz1/2 ,机械热噪声在检测电路输入端等效噪声电压为32nV/ Hz1/2 ,检测电路的输出噪声电压为3.6mV,为后续低噪声优化设计提供理论基础。闭环自激驱动电路中相位噪声会影响驱动信号频率的稳定性,本文在分析闭环自激驱动电路的工作原理的基础上对驱动电路的相位噪声进行了具体分析,得到相位噪声为-51.4dBc/Hz1/2。最后,本文根据对检测电路的分析结果,通过对前置放大器中T型电阻网络和运算放大器结构的改进,大大减小了前置放大器的噪声,将前置放大器的噪声从3.79μV/ Hz1/2降低到148.68nV/ Hz1/2 ,检测电路的输出噪声电压降低到153μV ;采用多路同相器并联的结构取代单纯的运算放大器结构,将其噪声降低到4.03nV/ Hz1/2 ;同时,设计了一种低噪声运算放大器,其噪声为9.86nV/ Hz1/2。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-19
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-18
    1.2.1 微陀螺概述  10-13
    1.2.2 陀螺接口电路概述  13-18
  1.3 课题的目的和意义  18
  1.4 论文的主要工作  18-19
第2章 微机械陀螺及接口电路工作原理  19-29
  2.1 振动式微陀螺结构工作原理  19-22
  2.2 振动式微陀螺动力学分析  22-25
  2.3 微陀螺接口电路工作原理  25-28
    2.3.1 驱动电路工作原理  25-26
    2.3.2 检测电路工作原理  26-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章 电路噪声分析  29-47
  3.1 噪声  29-32
    3.1.1 热噪声  29-30
    3.1.2 闪烁噪声  30
    3.1.3 散粒噪声  30-31
    3.1.4 爆裂噪声和雪崩噪声  31
    3.1.5 基本噪声模型  31-32
  3.2 机械热噪声分析  32-33
  3.3 检测电路噪声分析  33-43
    3.3.1 检测电路整体噪声分析  33-34
    3.3.2 运算放大器噪声分析  34-37
    3.3.3 前置放大器噪声分析  37-40
    3.3.4 后级电路噪声分析  40-43
  3.4 驱动电路噪声分析  43-46
    3.4.1 相位噪声  44
    3.4.2 驱动电路相位噪声分析  44-46
  3.5 本章小结  46-47
第4章 电路的低噪声设计  47-62
  4.1 T型电阻网络的噪声优化  47-48
  4.2 多路同相放大器并联低噪声结构  48-52
  4.3 运算放大器的噪声优化  52-58
  4.4 低噪声前置放大器的整体仿真结果  58-59
  4.5 外部噪声的抑制方法  59-61
    4.5.1 外界电磁干扰的抑制方法  59-60
    4.5.2 电源噪声及其抑制方法  60
    4.5.3 地噪声及其抑制方法  60-61
  4.6 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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