摘要
陀螺仪是用来测量转动物体角速度的装置，随着MEMS技术的快速发展，MEMS陀螺仪逐渐成为近来的研究热点。与传统的角速度传感器相比，MEMS陀螺仪具有成本低、功耗小、体积小、重量轻、可靠性高、易于集成、适于批量生产和可实现智能化等诸多优点，被广泛应用于航空、航天、航海、汽车、生物医学、环境监控等领域和众多消费电子产品中。 虽然MEMS陀螺仪具有广阔的应用前景，但是由于其输出角速度信号小，极容易受寄生参数和环境噪声的影响，难以被有效提取出来并进行处理，因此，设计出噪声抑制能力强、信号分辨率高的接口电路成为MEMS陀螺仪的关键和难点之一。本文的主要内容就是设计单片集成的电容式MEMS陀螺仪接口电路，与传统采用分立器件的方法相比，单片集成的接口电路在面积、功耗方面具有优势，且寄生参数不受外部干扰容易控制，更易于实现对微弱信号的高精度处理。 本文详细分析了电容式MEMS陀螺仪的基本原理，根据MEMS陀螺仪模型的参数和系统指标确定了接口电路的实现方案，并对系统中各模块的具体实现方案和电路性能进行了详细分析，给出了相应的设计要点和电路仿真结果。为了方便整体电路的仿真和测试，本文还设计了MEMS陀螺仪模型的等效电路。本文设计的接口电路采用了全差分技术、相关双采样技术、底极板采样技术和LDO电源稳压等方法，以减小噪声、失调、开关电荷注入和共模干扰等因素对系统性能的影响。 本文采用Chartered0.35μm标准CMOS工艺设计并实现了单片集成的横向电容式MEMS陀螺仪接口电路，芯片总面积为1.09mm×0.87mm。经后仿真验证，接口电路最小可分辨的动态敏感电容差为0.58aF，系统动态范围达99.7dB。测试结果表明，在满足系统增益精度要求的前提下，接口电路中相关双采样部分最高可工作在5MHz的驱动频率下，接口电路增益26.6mV/fF，总功耗20.4mW，达到系统设计指标要求。
NETL