硅微陀螺读出电路低噪声设计

论文摘要

微电子机械系统在过去二十年中发展迅速,微机械陀螺随着微电子机械系统技术的发展也在不断进步。微机械陀螺尺寸很小,通常在微米量级,输出信号小。而微机械陀螺检测电容变化量则非常小,对读出电路的灵敏度、分辨率、线性范围的要求非常高。对绝大多数体硅微加工的陀螺来说,系统的总噪声主要是来自于读出电路,因此使用高精度电容检测电路方案对于实现微小电荷读出来说非常重要。针对微小电容读出电路的低噪声要求,本文提出了一些方案来实现这一目的,并进行了理论分析和仿真验证。本文硅微陀螺读出电路为连续时间差动式检测读出电路。这种电路抗外界干扰能力强,易于实现。微机械陀螺主要噪声来源于电路热噪声和闪烁噪声。本文建立了前置放大器噪声模型来对前置放大器中MOS管的宽长比进行低噪声优化设计,同时根据检测电路等效模型对放大器输入管进行了电容匹配最优化设计。优化后的前置放大器输入参考噪声为10.1nV/√Hz,开环增益为96dB,相位裕度60°,电源抑制比低频时为98dB,相关性能能够满足读出电路低噪声要求。另外本文对微机械陀螺读出电路其它模块也进行了低噪声优化设计,并提出了减小寄生电容,抑制外部噪声,使用SIGMA-DELTA调制器等其他低噪声设计手段。仿真结果表明,本文读出电路整体噪声为51.156nV/√Hz,相比实验室原有读出电路噪声大大降低。最后,对读出电路进行了ASIC版图设计,该版图基于18V0.5μm双阱COMS工艺,整体面积为4499μm×1940μm。运算放大器工作频率噪声后仿时为16.5nV/√Hz,整体电路噪声后仿结果为59.691nV/√Hz,能够满足微陀螺整体电路低噪声的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 硅微陀螺研究现状
• 1.2.3 微小电容读出电路研究现状
• 1.3 研究的目的和意义
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第二章 读出电路结构研究及噪声分析
• 2.1 引言
• 2.2 微陀螺动力学原理
• 2.2.1 科里奥利斯力原理
• 2.2.2 微机械陀螺动力学方程
• 2.2.3 微机械陀螺静电驱动原理
• 2.2.4 微机械陀螺电容检测原理
• 2.3 微陀螺读出电路结构
• 2.3.1 读出电路检测电容的区别
• 2.3.2 读出电路检测方式的区别
• 2.3.3 开关电容读出电路
• 2.4 微陀螺读出电路方案
• 2.5 微陀螺读出电路噪声分析
• 2.5.1 热噪声
• 2.5.2 闪烁噪声
• 第三章 低噪声前置放大器设计
• 3.1 前置放大器噪声分析与输入管选择
• 3.1.1 电容检测原理
• 3.1.2 噪声分析与输入管选择
• 3.2 前置放大器结构选择
• 3.3 前置放大器噪声计算与仿真
• 3.3.1 前置放大器噪声分析
• 3.3.2 前置放大器噪声仿真
• 3.4 前置放大器分析与仿真
• 3.4.1 开环增益与相位裕度
• 3.4.2 共模抑制比
• 3.4.3 电源抑制比
• 3.4.4 输入参考噪声
• 3.4.5 总体性能指标
• 第四章 读出电路其它模块低噪声设计
• 4.1 微机械陀螺结构模型
• 4.2 寄生电容检测与低噪声设计
• 4.3 T型电阻网络的低噪声设计
• 4.4 对外部噪声的抑制
• 4.4.1 对电磁干扰的抑制
• 4.4.2 对电源噪声的抑制
• 4.4.3 对地噪声的抑制
• 4.5 SIGMA-DELTA带通调制器设计
• 第五章 整体电路仿真与版图设计
• 5.1 整体电路仿真
• 5.2 版图设计
• 5.2.1 版图设计的布局
• 5.2.2 版图设计的可靠性
• 5.2.3 具体版图设计
• 5.2.4 整体版图设计
• 5.2.5 后仿真结果
• 5.3 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