基于带通∑△调制器的微陀螺仪数模混合测控电路设计

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随着微陀螺仪性能的不断提升,对接口电路的要求也不断提升。与模拟接口电路相比,微陀螺仪接口电路的数字化设计可以增加电路的灵活性,减小复杂度。同时,接口电路的集成化设计可以降低电路面积,减小寄生参数的影响,提升系统精度。本文对基于带通∑△调制器的微陀螺仪数模混合驱动回路进行系统级仿真,实现微陀螺仪驱动回路的数字化设计。同时,本文利用0.5umCMOS工艺完成微陀螺仪数模混合电路及其版图设计,电路模块主要包含:开关电容CV接口电路,锁相环电路和四阶带通∑A调制器电路。论文首先综述了微陀螺仪接口电路的集成化、数字化设计的国内外发展现状,为深入进行微陀螺仪数模混合电路的机理分析,可行性论证提供有益的借鉴与指导。其次,本文简要介绍了Nyquist模数转换器和过采样模数转换器的工作原理,并比较了低通∑△调制器和带通∑A调制器的优缺点。在此基础上,确定本文设计的四阶带通调制器的结构为单环负反馈形式。此外,本文对理想带通EA调制器模型进行了行为级建模及仿真,仿真结果表明调制器模型的信噪比约为86.4dB,有效位数约为14位。另外,本文对调制器电路中各种非理想因素进行分析,建立了带通调制器的非理想模型,确定电路设计最优参数。本文还建立了基于带通EA调制器的微陀螺仪数模混合驱动回路系统模型,成功实现微陀螺仪数模混合驱动回路的数字闭环控制,仿真结果表明,微陀螺仪数模混合测控电路方案切实可行。本文还采用时钟自锁定技术,通过比较器和锁相环电路对陀螺仪驱动模态振动信号进行倍频,从而为带通调制器提供系统采样时钟。最后,本文在0.5um的CMOS工艺下,利用Cadence软件对锁相环电路中的鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、无源低通滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)、分频器,带通∑△调制器中的全差分运算放大器(OTA)、比较器、开关、一位DAC反馈电路、时钟电路、带隙基准源,还有开关电容CV接口电路进行设计与仿真验证。通过将所有电路模块联调仿真,得到调制器电路级的信噪比约为74.1dB,有效位数约为12位。
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