全对称微机械陀螺全差分检测ASIC设计

论文摘要

由于微机械陀螺具有成本低、体积小等特点,因此微机械陀螺广泛应用于消费类电子产品中。本文首先建立全对称微机械陀螺的系统模型,分析其调制信号的特点。接着分析了高阶低通滤波器的特点,通过比较巴特沃兹滤波器和贝赛尔滤波器的性能,最终确定在二次解调方案中,第一级滤波采用六阶巴特沃兹低通滤波器,而第二级采用八阶贝赛尔低通滤波器。同时,利用Simulink建立了二次相关双采样解调电路、二次开关相敏解调电路和二次乘法器解调电路的系统仿真模型。然后利用MATLAB进行仿真分析,验证了三种解调方案的正确性。而且分析了当驱动信号频率不稳定时,三种不用解调电路的性能。通过对比发现,尽管在驱动频率漂移和抖动时,三种电调电路系统的性能都会下降,但是开关相敏解调电路的性能最稳定。在电路设计方面,首先设计出两种全差分运算放大器,并对其性能进行对比。接着利用设计好的运算放大器设计出T型电阻网络全差分积分器、六阶巴特沃兹低通滤波器和八阶贝赛尔低通滤波器,并分析其性能。利用已经设计好的电路模块,首先构造出二次相关双采样解调电路,利用HSpice对这个电路进行仿真。结果表明,当两级解调电路的采样电容都为20pF时,电路的灵敏度为0.7880mV/(°/s)。通过改变第二级解调电路的采样电容的大小,发现电路的灵敏度与采样电容的大小成正比,其比例系数为4.433μV /(°/s)/pF。同样,可以利用设计好的电路模块构造出二次开关相敏解调电路。对于利用普通全差分开关构成的二次开关相敏解调电路,利用HSpice仿真,结果表明,其灵敏度只有0.7616mV/(°/s)。为了改进电路性能,提出二次交叉耦合开关相敏解调电路,经过仿真分析,发现电路灵敏度能提高到2.697mV/(°/s)。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 微机械陀螺检测技术研究现状
• 1.2.1 国外研究状况及分析
• 1.2.2 国内研究状况及分析
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 微机械陀螺检测电路的基本原理
• 2.1 振动式微机械陀螺的基本工作原理
• 2.1.1 传感器结构工作原理
• 2.1.2 闭环驱动工作原理
• 2.1.3 二次解调的基本原理
• 2.2 三种解调方案的基本原理
• 2.2.1 开关相敏解调
• 2.2.2 乘法器解调
• 2.2.3 相关双采样解调
• 2.3 本章小结
• 第3章 微机械陀螺系统分析
• 3.1 微机械陀螺机械传感器结构模型
• 3.2 微机械陀螺二次解调电路系统分析
• 3.2.1 高阶低通滤波器的设计
• 3.2.2 二次相关双采样解调
• 3.2.3 二次开关相敏解调
• 3.2.4 二次乘法器解调
• 3.2.5 驱动频率的稳定性对电路性能的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 微机械陀螺二次解调电路设计
• 4.1 全差分运算放大器的设计
• 4.1.1 平衡输出两级运算放大器的设计
• 4.1.2 平衡输出折叠全差分运算放大器的设计
• 4.1.3 两种运算放大器的性能对比
• 4.2 全差分低通滤波器的设计
• 4.2.1 双二阶滤波器
• 4.2.2 全差分高阶低通滤波器电路
• 4.3 二次相关双采样解调
• 4.4 二次开关相敏解调
• 4.4.1 普通全差分开关相敏解调
• 4.4.2 交叉耦合开关相敏解调电路
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢