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音叉式石英微陀螺CMOS集成检测电路设计

作　者: 张尔东
导　师: 曹一江
学　校: 哈尔滨理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 音叉式石英微陀螺 CMOS集成电荷检测高增益低噪声
分类号: V241.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

音叉式石英微机械陀螺是用于测量物体相对惯性空间转动的角速度或角度的装置,用来确定载体的方位或导航。由于其具有体积小、功耗低、可靠性高等特点,近年来,被广泛应用于军事和民用领域。但是,仅仅有微机械陀螺器件是不能检测出陀螺所测量的角速度信号的,还必须通过合理的检测电路把陀螺所产生的微小的电荷量转换为所需要的电压信号才能进行相应的后续处理,进而得出微机械陀螺器件所量测的角速度。因此如何设计好音叉式石英微陀螺检测电路至关重要。本文针对音叉式石英微机械陀螺进行检测电路设计,检测电路包括低噪声输入级、高增益放大级和满摆幅输出级。在电路设计中,采用PMOS差分输入和折叠式共源共栅结构,通过对晶体管参数的调整来降低噪声、提高增益;低噪声输入级的全差分输出结构与高增益放大级的全差分输入结构实现了良好的匹配,进而减小了系统的失调电压和失调温度系数;带启动电路的自举基准电流源和一种利用跨导和电容进行反馈频率补偿的新型结构增强了电路的精确度、抗电源干扰能力和稳定性。基于CSMC 0.5μm CMOS工艺模型对电路各个晶体管的参数进行了设定,运用H-Spice对检测电路及解调电路进行了仿真、参数调整和验证。得到检测电路性能仿真结果为:开环增益达128.13dB、相位裕度88°、SR为2V/μs、输出噪声在低频时小于40nV/ HZ、满摆幅输出。其输出信号仿真结果表明当输入电荷量每变化5×10?15C时,输出电压变化约1mV;并且经解调后电路得到的电压信号与输入角速度信号具有很高的线性度。从仿真数据可以看出该检测电路具有高增益、、高精度、低噪声的特点,从而能够更好的实现对音叉式石英微机械陀螺所产生的微小电荷量的检测,与后续电路可实现良好的匹配。最后,利用Cadence软件对检测电路进行了版图设计,充分考虑了器件之间的匹配性,减少了寄生效应,改善了电路性能,并通过设计规则检查和版图与电路图一致性比较,验证了版图设计的正确性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 课题背景  10
  1.2 石英微机械陀螺的发展与应用  10-12
    1.2.1 石英微机械陀螺的发展现状  10-11
    1.2.2 微机械陀螺的应用  11-12
  1.3 微机械陀螺检测电路的研究现状  12-13
  1.4 本课题研究的目的和意义  13-14
  1.5 本课题主要研究内容  14-15
第2章音叉式石英微陀螺及检测电路原理  15-24
  2.1 音叉式石英微陀螺的特点及优势  15
  2.2 音叉式石英微陀螺的工作原理  15-18
    2.2.1 Coriolis 效应  16-17
    2.2.2 悬梁耦合  17-18
    2.2.3 压电效应  18
  2.3 音叉式石英微陀螺检测电路工作原理  18-22
    2.3.1 石英陀螺等效电路  18-19
    2.3.2 检测电路工作原理  19-22
    2.3.3 相关解调原理  22
  2.4 本章小结  22-24
第3章音叉式石英微陀螺检测电路设计  24-40
  3.1 检测电路的设计  25-30
    3.1.1 低噪声输入级电路设计  25-27
    3.1.2 高增益放大级电路设计  27-29
    3.1.3 满摆幅输出级电路设计  29-30
  3.2 检测电路偏置电路设计  30-33
    3.2.1 带启动电路的自举基准电流源  30-32
    3.2.2 整体偏置电路设计  32-33
  3.3 频率补偿  33-36
  3.4 整体检测电路设计  36-37
  3.5 后级解调电路设计  37-39
  3.6 本章小结  39-40
第4章检测电路的仿真与分析  40-47
  4.1 检测电路性能的仿真与分析  40-44
    4.1.1 开环增益、相位裕度及增益带宽积  40-41
    4.1.2 转换速率(SR)  41
    4.1.3 输入共模范围  41-42
    4.1.4 输出摆幅  42-43
    4.1.5 电源抑制比(PSRR)  43
    4.1.6 输出噪声  43-44
  4.2 检测电路信号的仿真与分析  44-45
  4.3 解调电路及输出信号的仿真与分析  45-46
  4.4 本章小结  46-47
第5章版图设计与验证  47-56
  5.1 版图设计规则  47
  5.2 版图设计技术  47-51
    5.2.1 版图的匹配设计  48-49
    5.2.2 版图的可靠性设计  49-50
    5.2.3 器件形状、结构和布局对性能的影响  50-51
  5.3 版图的设计与验证  51-55
    5.3.1 检测电路主体部分版图设计  51-53
    5.3.2 自举基准电流源偏置电路版图设计  53
    5.3.3 检测电路整体版图设计  53-54
    5.3.4 检测电路版图的验证  54-55
  5.4 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-61
攻读硕士学位期间发表的学术论文  61-62
致谢  62

音叉式石英微陀螺CMOS集成检测电路设计

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