電容式硅微陀螺接口ASIC芯片集成技術(shù)研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的陀螺儀相比，基于MEMS工藝和CMOS技術(shù)的微機(jī)械陀螺具有低成本、輕體積、低功耗、高可靠性等特點(diǎn)，不僅在汽車電子、醫(yī)療器械、運(yùn)動(dòng)機(jī)械等民用領(lǐng)域需求廣泛，而且在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、微型飛行器等等軍事領(lǐng)域也得到大量的應(yīng)用。隨著應(yīng)用范圍的不斷拓展，對(duì)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(shù)需要解決如下關(guān)鍵問題：接口電路中驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)都存在非線性，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的靈敏度、穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能產(chǎn)生影

2、響；對(duì)于微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)電路而言，影響驅(qū)動(dòng)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(diào)誤差等非理想因素是影響微機(jī)械陀螺性能提升的重要因素，而且正交誤差的反饋信號(hào)的耦合也影響電路檢測(cè)精度。本文針對(duì)上述問題進(jìn)行了微陀螺接口電路非線性、閉環(huán)驅(qū)動(dòng)多噪聲源相位噪聲模型、正交誤差和失調(diào)誤差補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)的深入研究。
　　首先，本文通過理論分析對(duì)微陀螺接口電路各部分的非線性進(jìn)行研究，微陀螺系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)模

3、態(tài)的非線性主要是由驅(qū)動(dòng)電壓到驅(qū)動(dòng)位移的轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生，檢測(cè)模態(tài)中的非線性主要是由檢測(cè)位移到前級(jí)輸出電壓以及接口電路中電壓信號(hào)的二次解調(diào)過程產(chǎn)生的，文中定性分析了包括驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)引起非線性的原因，定量分析了二次解調(diào)電路中解調(diào)參考信號(hào)對(duì)系統(tǒng)非線性的影響。針對(duì)相敏解調(diào)電路的正負(fù)傳遞特性不一致的問題進(jìn)行了研究，提出了改進(jìn)方案，并設(shè)計(jì)了高線性度的相敏解調(diào)電路。
　　其次，針對(duì)多噪聲源對(duì)驅(qū)動(dòng)模態(tài)相位噪聲的影響，建立了多噪聲源自激驅(qū)動(dòng)電路

4、相位噪聲耦合模型，該模型得出微陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)諧振頻率附近的噪聲、驅(qū)動(dòng)信號(hào)多次諧波處的噪聲。針對(duì)前級(jí)電荷放大器進(jìn)行了噪聲測(cè)試，并對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)路進(jìn)行了噪聲注入實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得出接近直流部分為低頻噪聲和驅(qū)動(dòng)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(duì)電荷放大器噪聲模型進(jìn)行了分析，得出了電路前級(jí)電荷放大器噪聲參數(shù)的折中關(guān)系，設(shè)計(jì)了基于電容匹配技術(shù)的低噪聲電荷放大器，降低了驅(qū)動(dòng)

5、環(huán)路的相位噪聲，提高了驅(qū)動(dòng)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(chǔ)上建立了消除正交誤差的行為級(jí)模型，在該模型的指導(dǎo)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(shí)避免了信號(hào)耦合干擾增加等問題。
　　最后，設(shè)計(jì)了基于頻率調(diào)制原理的驅(qū)動(dòng)電路，該電路可消除驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)位移信號(hào)的同頻耦合，同時(shí)兼容低 Q值的陀螺結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了基于二次解調(diào)原理的檢測(cè)電路。設(shè)計(jì)了