微陀螺接口ASIC全差分滤波器的设计

论文摘要

微陀螺是用来测量物体相对惯性空间转角或角速度的传感器,微陀螺以其体积小、重量轻、成本低、可批量生产等优点在军事、民用方面都有着巨大的应用潜力,因此,微陀螺接口ASIC的设计也成为各国的研究热点之一。滤波器是微陀螺接口ASIC中的重要组成部分,设计性能优良的滤波器具有重要的意义。依据科里奥利力原理,本文分析了振动式微陀螺及其接口ASIC的工作原理,给出了滤波器的原理及其在微陀螺接口ASIC中的应用,设计了应用于微陀螺检测电路的全差分滤波器,最后将全差分滤波器带入到微陀螺检测整体电路中进行仿真。在微陀螺的差分检测电路中,需要两次低通滤波,分别滤除高频载波信号和驱动信号。为了降低环境因素对滤波器的影响,本文设计了全差分跨导（Gm）运放和全差分跨导-电容（Gm-C）低通滤波器。跨导运放的跨导值可以方便的进行调节,利用这一点,本文设计了Gm-C低通滤波器的截止频率自动调谐电路,仿真结果表明,接入调谐电路后,滤波器的截止频率更加稳定,频率特性也明显提高。本文设计了平衡运放和R-MOSFET-C全差分高通滤波器。微陀螺的驱动信号对检测端的耦合信号的频率与驱动频率相同,所以在检测中会形成很大的耦合误差。因此,需要利用高通滤波器消除这些耦合误差和低频噪声,之后再进行解调滤波,从而得到角速度信号。经过Hspice仿真,得到截止频率分别为5.50kHz和135Hz两种低通滤波器,对高频载波和驱动信号的衰减分别为41.77dB和40.122dB。两次滤波的谐波失真分别为0.13%和0.17%,功耗分别为0.257mW和0.31mW。高通滤波器的截止频率为83.976kHz。当温度从-45°到125°变化时,加入调谐电路后,滤波器的截止频率变化范围由最初的40.49Hz缩小到14.93Hz,达到了稳定滤波器截止频率的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外综述
• 1.2.1 微陀螺国内外综述
• 1.2.2 全差分滤波器国内外发展现状
• 1.3 本课题的目的和意义
• 1.4 课题的主要内容
• 第2章 微陀螺接口ASIC分析
• 2.1 微陀螺的工作原理
• 2.1.1 科里奥利力
• 2.1.2 微陀螺的工作原理
• 2.2 微陀螺接口ASIC的工作原理
• 2.2.1 微陀螺的静电驱动
• 2.2.2 微陀螺的检测原理
• 2.3 滤波器的原理和应用
• 2.3.1 基本滤波器的传输函数
• 2.3.2 低通滤波器的表征方法
• 2.3.3 滤波器在微陀螺接口ASIC中的应用
• 2.4 本章小结
• 第3章 全差分放大器的分析与设计
• 3.1 引言
• 3.2 全差分跨导运放的设计
• 3.2.1 跨导单元的基本概念
• 3.2.2 跨导电路的结构
• 3.2.3 跨导运放的设计与仿真
• 3.3 全差分运算放大器的设计
• 3.3.1 平衡运放的特点
• 3.3.2 平衡运放的设计约束
• 3.3.3 平衡运放的设计与仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 全差分滤波器的分析与设计
• 4.1 引言
• 4.2 Gm-C全差分低通滤波器的设计
• 4.2.1 Gm-C积分器分析
• 4.2.2 Gm-C全差分低通滤波器的设计与仿真
• 4.2.3 滤波器的自动调谐电路分析
• 4.3 R-MOSFET-C全差分高通滤波器的设计
• 4.3.1 全差分R-MOSFET-C积分器分析
• 4.3.2 R-MOSFET-C全差分高通滤波器的设计
• 4.3.3 R-MOSFET-C全差分高通滤波器的仿真
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢