電容式硅微陀螺接口ASIC芯片集成技術研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的陀螺儀相比，基于MEMS工藝和CMOS技術的微機械陀螺具有低成本、輕體積、低功耗、高可靠性等特點，不僅在汽車電子、醫(yī)療器械、運動機械等民用領域需求廣泛，而且在戰(zhàn)術導彈、微型飛行器等等軍事領域也得到大量的應用。隨著應用范圍的不斷拓展，對電容式硅微陀螺系統(tǒng)提出了更高的要求。
　　電容式硅微陀螺系統(tǒng)中接口ASIC芯片的集成技術需要解決如下關鍵問題：接口電路中驅動模態(tài)和檢測模態(tài)都存在非線性，會對系統(tǒng)的靈敏度、穩(wěn)定性等關鍵性能產(chǎn)生影

2、響；對于微機械陀螺驅動電路而言，影響驅動穩(wěn)定性的重要因素是相位噪聲，目前研究缺乏多噪聲源相位噪聲的分析以及優(yōu)化手段；正交誤差和失調誤差等非理想因素是影響微機械陀螺性能提升的重要因素，而且正交誤差的反饋信號的耦合也影響電路檢測精度。本文針對上述問題進行了微陀螺接口電路非線性、閉環(huán)驅動多噪聲源相位噪聲模型、正交誤差和失調誤差補償?shù)汝P鍵技術的深入研究。
　　首先，本文通過理論分析對微陀螺接口電路各部分的非線性進行研究，微陀螺系統(tǒng)中驅動模

3、態(tài)的非線性主要是由驅動電壓到驅動位移的轉化過程中產(chǎn)生，檢測模態(tài)中的非線性主要是由檢測位移到前級輸出電壓以及接口電路中電壓信號的二次解調過程產(chǎn)生的，文中定性分析了包括驅動模態(tài)和檢測模態(tài)引起非線性的原因，定量分析了二次解調電路中解調參考信號對系統(tǒng)非線性的影響。針對相敏解調電路的正負傳遞特性不一致的問題進行了研究，提出了改進方案，并設計了高線性度的相敏解調電路。
　　其次，針對多噪聲源對驅動模態(tài)相位噪聲的影響，建立了多噪聲源自激驅動電路

4、相位噪聲耦合模型，該模型得出微陀螺閉環(huán)驅動電路中的相位噪聲主要影響源包括：接近直流的低頻干擾、驅動諧振頻率附近的噪聲、驅動信號多次諧波處的噪聲。針對前級電荷放大器進行了噪聲測試，并對驅動環(huán)路進行了噪聲注入實驗，實驗得出接近直流部分為低頻噪聲和驅動諧振頻率附近的噪聲是主要影響因素，通過減小低頻噪聲可降低相位噪聲。對電荷放大器噪聲模型進行了分析，得出了電路前級電荷放大器噪聲參數(shù)的折中關系，設計了基于電容匹配技術的低噪聲電荷放大器，降低了驅動

5、環(huán)路的相位噪聲，提高了驅動環(huán)路的頻率穩(wěn)定性。
　　再次，為了解決微陀螺系統(tǒng)正交耦合誤差的問題，在理論分析的基礎上建立了消除正交誤差的行為級模型，在該模型的指導下，提出了一種新穎的兼容無反饋電極的正交誤差消除電路，該電路在有效消除正交誤差的同時避免了信號耦合干擾增加等問題。
　　最后，設計了基于頻率調制原理的驅動電路，該電路可消除驅動信號對位移信號的同頻耦合，同時兼容低 Q值的陀螺結構。設計了基于二次解調原理的檢測電路。設計了