电容式微机械陀螺仪读出电路研究与设计

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MEMS技术的应用可以使陀螺仪微型化,制造出微机械陀螺仪,它具有体积小、成本低、功耗小的特点,更重要的是微机械陀螺仪可以大规模地批量生产,由于这些特点,微机械陀螺仪对导航系统、汽车电子、消费电子领域有着广泛的应用前景。然而,微型化的后果导致传感器信号非常微弱,读取如此小的信号是非常困难的,是高性能的陀螺仪设计所面临的一个挑战。本文针对解决这个问题设计了一个读出电路。为了检测到非常微弱的角速率信号,信号需要经过正确的放大和解调。但是,放大如此小的信号需要一个低噪声、高灵敏度的前端放大器,而且设计这样的放大器是非常困难的。为解决上述问题,本文提出了一种改进的连续时间前端的读出电路,其前端结构为一个以T型电阻网络为反馈电阻的电荷敏感放大器(CSA),为了减小前端放大器的噪声,对输入晶体管的尺寸做了相应的优化。另一方面,在解调过程中,由于来自比较器的解调时钟信号通常有一定的相移,这将会造成输出信号中存在误差。对于这个问题,本文提出了一种简单有效的误差校正算法,经仿真验证,此算法能够有效地减小输出角速率信号的误差率。本文在0.25μm BiCOMS工艺下实现了所提出的读出电路设计。在陀螺表头电容变化量为100fF、信号带宽为100Hz的情况下,仿真结果表明,前端放大器的输出噪声和灵敏度分别为75.6 nV/Hz和2 mV/fF,读出电路的参考输入噪声电容和输出灵敏度分别为0.776 aF/Hz和6.36 mV/fF,信噪声比为82.2 dB。经过误差校正算法后,误差率由13.7%降到了0.3%。
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