应用于陀螺仪传感器的集成双频正弦信号源

论文摘要

在当今集成电路日新月异的高速发展时期,正弦信号源作为电路系统中的一个重要模块,具有越来越广泛的应用性,片上系统的发展对信号源的集成化也提出了要求。国内外许多研究者都致力于研究设计高性能的集成正弦信号源,其电路结构和性能的提升空间还很大。本文研究实现了应用于陀螺仪传感器系统的集成双频正弦信号源,为系统提供190kHz和310kHz两个频率的片内载波。正弦信号振荡电路种类较多,有RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器等。RC振荡器在集成电路应用领域具有很大的优势,可分为桥式振荡电路、双T型网络式和移相式等类型。由于本次陀螺仪传感器项目对正弦信号的失真度要求较高,采用了文氏电桥结构的RC振荡电路,配合后级的四阶有源RC带通滤波器和输出缓冲器构成整个电路模块。本文所研究的正弦信号源采用0.5μmBiCMOS工艺,充分利用了其中的双极型器件闪烁噪声较MOS器件低以及gm值较MOS器件高的特点,有效提高了整体电路性能。本论文的主要工作有:1.仿真实现了应用于集成电路系统的具有自动振幅控制功能的文氏电桥振荡器结构。2.仿真实现了应用于文氏电桥振荡器中的一种低噪声高带宽基于改进型AB类输出级的运算放大器。3.仿真实现了基于Delyannis-Friend结构的四阶有源RC带通滤波器。4.仿真实现了低失真、低噪声、高频率稳定度的集成双频正弦信号源系统。本论文首先介绍集成电路发展历程以及设计流程,再分别讲解每个模块的基本原理和设计实现方法,最后详细分析正弦信号源系统的级联设计、仿真方法、版图设计以及后仿真。通过对仿真数据的全面分析,确保了设计的稳定性、可靠性和可实现性,为系统级设计和流片提供了完整的数据支持。通过优化的版图设计方法,在0.5μmBi-CMOS工艺线上仅使用约0.9mm2的芯片面积实现了系统要求的双频正弦信号源设计指标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 集成电路的发展历程和国内现状
• 1.2 模拟集成电路简介及其发展动态
• 1.3 模拟集成电路设计流程
• 1.4 集成信号发生器介绍
• 1.5 滤波器简介
• 1.6 本论文完成的主要工作
• 第二章 文氏电桥振荡器设计
• 2.1 文氏电桥振荡器的理论分析
• 2.1.1 振荡器的起振条件
• 2.1.2 文氏电桥振荡器的微分方程分析法
• 2.2 文氏电桥振荡器的自动振幅控制
• 2.3 运算放大器参数的考虑
• 2.4 振荡电路的直流误差分析
• 2.5 设计中遇到的问题及解决办法
• 2.6 本章总结
• 第三章 Class-AB 运算放大器设计
• 3.1 集成运算放大器简介
• 3.1.1 运算放大器的分类
• 3.1.2 运算放大器性能参数介绍
• 3.1.3 运算放大器的选型
• 3.2 Class-AB 运算放大器设计
• 3.2.1 改进型AB 类输出级
• 3.2.2 集成电路器件噪声分析
• 3.2.2.1 MOS 器件的热噪声
• 3.2.2.2 MOS 器件的闪烁噪声
• 3.2.2.3 双极型器件的噪声
• 3.2.3 完整的Class-AB 运算放大器
• 3.2.3.1 输入级的设计
• 3.2.3.2 使用BJT 镜像恒流源作为有源负载
• 3.2.3.3 偏置电路的设计
• 3.2.3.4 总的噪声分析
• 3.2.3.5 带宽和频率补偿
• 3.3 仿真方法和仿真结果
• 3.3.1 运算放大器的频率响应
• 3.3.2 线性度和谐波失真
• 3.3.3 噪声
• 3.3.4 Class-AB 运算放大器详细参数
• 3.4 版图设计和后仿真
• 3.5 本章总结
• 第四章 有源RC 带通滤波器设计
• 4.1 带通滤波器介绍
• 4.2 滤波器逼近方法
• 4.2.1 逼近的数学概念
• 4.2.2 贝塞尔逼近
• 4.2.3 频带变换
• 4.2.4 有源滤波器综合
• 4.3 有源RC 带通滤波器电路设计
• 4.4 运算放大器的选择和设计
• 4.5 仿真结果和版图
• 4.6 本章总结
• 第五章 正弦信号源整体设计和仿真
• 5.1 整体结构及设计细节
• 5.2 前仿真
• 5.2.1 190kHz 正弦信号源仿真结果
• 5.2.2 310kHz 正弦信号源仿真结果
• 5.3 相位噪声分析
• 5.4 温度、电源电压和工艺参数的影响分析
• 5.4.1 对190kHz 正弦信号源的分析
• 5.4.2 对310kHz 正弦信号源的分析
• 5.4.3 小结
• 5.5 蒙特卡罗仿真
• 5.6 本章总结
• 第六章 版图设计和后仿真
• 6.1 版图设计和验证工具
• 6.2 版图设计中的匹配和优化
• 6.2.1 MOS 器件的匹配
• 6.2.2 电阻的匹配
• 6.2.3 电容的匹配
• 6.2.4 关联元件之间的优化设计
• 6.3 系统版图设计
• 6.3.1 文氏电桥振荡器版图
• 6.3.2 正弦信号源完整版图
• 6.4 后仿真
• 6.5 陀螺仪传感器系统版图
• 6.6 本章总结
• 第七章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果