陀螺仪是用来检测角速度的传感器,在科学、技术、军事等各个领域都有着广泛应用。与传统的陀螺仪相比,基于MEMS工艺和CMOS技术的硅陀螺具有低成本、小体积、低功耗、高可靠性、易批量化生产等特点,不仅在民用领域需求广泛,在军事领域也得到了大量的应用。国外硅陀螺接口电路已经实现芯片集成化,相比PCB电路可以实现更小的体积,与敏感结构更好的匹配性,更高的可靠性和更好的电学特性,而国内还没有实现硅陀螺的芯片集成,因此开展硅陀螺芯片集成化接口电路的研究具有重要的研究意义和应用价值。高性能的硅陀螺芯片在研究中还存在以下关键问题:现有的驱动环路稳定性分析方法无法分析系统的动态特性,对系统稳定性的分析不够准确;现有的噪声分析方法不够完善,影响了陀螺噪声性能的提高;缺乏对数字接口电路中非线性的研究,会使硅陀螺输出中存在谐波失真;国内硅陀螺接口电路仍使用分立器件PCB集成,接口电路的芯片集成化亟需解决。为了解决上述问题,本文对硅陀螺接口电路驱动环路稳定性、噪声和非线性等关键技术开展以下研究:首先,本文介绍了硅陀螺自激驱动的原理,并对硅陀螺接口电路驱动环路的稳定性进行了研究,建立了硅陀螺接口电路驱动环路的线性化幅值控制稳定性模型,得到了系统零极点图,并定量分析了多个系统参数对系统上升时间、建立时间等动态特性的影响。根据稳定性模型对环路参数进行优化设计,实验表明优化后的系统起振时间明显减小,验证了模型的正确性。其次,对硅陀螺噪声进行分析,确定主要的电路噪声来源,得出了系统等效输入噪声的解析式,分析了前级电路噪声对量化噪声的影响以及采样频率对量化噪声的影响。提出了一种硅陀螺接口电路系统噪声降噪方法,根据该降噪方法对接口电路进行了优化。测试结果表明,所提出的降噪方法能够使检测电路前级噪声降低24dB,验证了方法的有效性。最后,本文基于质量块位移到电容变化的非线性和电容的非线性,解析出非线性的静电力反馈关系式。分析了 ∑△硅陀螺检测电路中的非线性,将其用输出信号中的谐波失真分量进行表征并定量解析。提出了一种静电力反馈线性化的方法来降低非线性。测试结果表明,所提出的方法使硅陀螺输出信号中的二次谐波和三次谐波分别降低了 9.3dB和12.9dB,验证了方法的有效性。基于以上研究,本文采用正向设计,自主研发了具有闭环自激驱动和数字输出功能的硅陀螺接口 ASIC芯片,采用0.35μm线宽四层金属双多晶BCD工艺进行了流片。芯片面积为4.5×4.0mm2。ASIC芯片与敏感结构组成的硅陀螺传感器的测试结果为:检测电路的前级相对电容分辨率达到1.8×10-9,传感器量程为±200°/s,零位稳定性1.14°/h,非线性0.017%,噪声0.0005°/s/Hz1/2。测试结果证实了理论分析、建模及电路集成设计的正确性,实现了硅陀螺的芯片集成,对高性能MEMS陀螺实用化和批量化应用具有重要作用。