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研究生:羅啟銘
研究生(外文):Chi-Ming Lo
論文名稱:微型角速率計驅動感測電路研究
論文名稱(外文):The Study of Sensing and Driving System for Gyroscope
指導教授:李順裕
指導教授(外文):Shuenn-Yuh Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立中正大學
系所名稱:電機工程所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:陀螺儀電容感測電路
外文關鍵詞:GyroscopeCapacitor readout Circuit
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論文主要是設計一個角速率感測電路(An angular rate sensing circuit),此感測電路可將陀螺儀(Gyroscope)系統內部之位移變化,透過調變器(Modulator)及電容感應放大器(Capacitive sensing preamplifier)將檢測訊號放大,並經由濾波器(Filter)將訊號解調還原,此訊號再經由類比與數位轉換器(Analog-to-digital converter)將其量化,以提供後級數位訊號處理,做為自動校正之依據。
本論文晶片使用TSMC 0.35μm 2P4M 混合訊號製程實現,為完成上述之檢測弁遄A本論文之系統將包含一可以提供系統所需調變訊號之振盪器,電容檢測放大器,類比濾波器,及類比數位轉換器四個主要方塊,除個別將完成各個方塊之積體電路製作外,未來將整合角速率計為一單晶片以進行系統分析與測試。
This thesis is intended to develop an angular rate sensing circuit, the sensing circuit can detect the displacement in the gyroscope system. The detecting signal will be modulated by 200KHz and amplified by capacitive sensing preamplifier, and then be demodulated and filtered by low-pass filter wish 20kHz bandwidth to recover as an original signal. In addition, the analog-to-digital converter is required to further quantize the analog signal for the digital signal processing, the digital data can be used to calibrate the gyroscope system.
This chip has been implemented by using TSMC 0.35μm 2P4M Mixed Signal process. In order to accomplish the sensing function, the system in this project has five circuit blocks including an oscillator to provide the required modulated signal, a capacitive sensing preamplifier, switched-capacitor demodulator, analog filter, and analog-to-digital converter. The object of this thesis not only designs and implements the integrated circuits of the subsystem blocks, but also will integrates the whole system including angular rate as a single chip to achieve a high-quality and low-cost product in the future.
目錄
摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 ix
第1章 簡介 1
1.1節 研究背景 1
1.2節 研究動機與目的 7
第2章 微型陀螺儀系統之感測原理與架構 9
2.1節 振動式陀螺儀感測原理 10
2.2節 慣性元件等效模型 13
2.3節 微型陀螺儀感測系統架構 15
第3章 電容感測電路 17
3.1節 交流電橋搭配電壓放大器感測電路 17
3.2節 轉阻放大器感測電路 21
3.3節 同步偵測電路架構探討 23
3.4節 切換電容感測電路 25
3.5節 切換電容感測電路的誤差 28
3.5.1節 閃爍雜訊(1/f noise、flicker noise) 28
3.5.2節 KT/C雜訊 30
3.5.3節 放大器偏移電壓(Amplifier offset voltage) 30
3.5.4節 電荷注入(Charge injection) 30
3.5.5節 熱雜訊(thermal noise) 31
3.6節 雙取樣校正電路機制(Correlated Double Sampling CDS) 32
第4章 電容感測電路之設計 38
4.1節 單端電容感測電路架構 38
4.1.1節 單端輸出操作放大器設計 38
4.1.2節 電壓電容轉換器與前置放大器 42
4.1.3節 切換電容低通濾波器 42
4.1.4節 模擬結果 48
4.1.5節 電路佈局 50
4.1.6節 量測結果 51
4.2節 全差動式電容感測電路架構 55
4.2.1節 雙端輸出CMOS運算放大器設計 56
4.2.2節 全差動式電容電壓轉換器及前置放大器 59
4.2.3節 全差動式六階切換電容帶通濾波器設計 60
4.2.4節 電路模擬 70
4.2.5節 電路佈局 73
4.2.6節 Post-simulation 74
第5章 結論與未來工作 76
參考文獻 79


圖目錄
圖 1 1 陀螺儀在飛航上之應用 2
圖 2 1 振動式陀螺儀 10
圖 2 2 指叉式電容陣列 10
圖 2 3 科氏效應 11
圖 2 4 電容與位移轉換原理之差動架構加速計 13
圖 2 5 陀螺儀之等效電子模型 14
圖 2 6 微型陀螺儀系統感測架構圖 15
圖 3 1 交流電橋搭配電壓放大器電路 17
圖 3 2 感測器電子介面圖 18
圖 3 3 感測器等效電路圖 19
圖 3 4 Boot-strapping 19
圖 3 5 轉阻放大器感測電路 21
圖 3 6 同步感測電路架構 23
圖 3 7 同步偵測電路訊號流程圖 24
圖 3 8 切換電容感測電路 25
圖 3 9 切換電容感測電路電荷轉換圖 25
圖 3 10 雙取樣校正機制之切換電容感測電路 26
圖 3 11 氧化層和矽基板的不連續鍵結 28
圖 3 12 轉角頻率說明圖 29
圖 3 13 bottom-plate sampling技術 31
圖 3 14 傳統的切換電容感測電路 33
圖 3 15 雙取樣校正機制之切換電容感測電路 33
圖 3 16 雙取樣校正電路之工作原理 34
圖 4 1單端輸出之雙取樣校正感測系統架構圖 38
圖 4 2 CMOS 雙級運算放大器 39
圖 4 3 DC gain 40
圖 4 4 Phase Margin 40
圖 4 5 Output swing 40
圖 4 6 Slew rate 41
圖 4 7 單端電容電壓轉換器以及前置放大器 42
圖 4 8 RLC低通濾波器 43
圖 4 9 五階低通濾波器之訊號流程圖 44
圖 4 10 Matlab訊號流程圖 45
圖 4 11 Matlab模擬結果 45
圖 4 12 非反相積分器 46
圖 4 13 反相積分器 46
圖 4 14 五階切換電容低通濾波器 47
圖 4 15 單端切換電容感測電路模擬結果 48
圖 4 16 五階切換電容低通濾波器模擬波形圖 49
圖 4 17 五階切換電容低通濾波器之頻率響應圖 49
圖 4 18 單端電容感測系統佈局圖 50
圖 4 19 C/V converter & Preamp.量測環境 51
圖 4 20 輸出訊號 52
圖 4 21 濾波器量測環境 53
圖 4 22 濾波器10KHz與30KHz輸入訊號與輸出訊號 53
圖 4 23 濾波器輸入訊號與輸出訊號 54
圖 4 24 濾波器頻率響應圖 54
圖 4 25 全差動式電容感測電路架構 55
圖 4 26 全差動式運算放大器 56
圖 4 27 Wide-swing current mirrors + constant gm bias circuit 57
圖 4 28 共模回授電路 57
圖 4 29 Wide-swing current mirrors + constant gm bias circuit模擬波形 58
圖 4 30 運算放大器之直流增益與相位邊限模擬波形圖 58
圖 4 31 全差動電容電壓轉換器與前置放大器 59
圖 4 32 RLC三階低通濾波器 60
圖 4 33 六階帶通濾波器S-domain訊號流程圖 63
圖 4 34 主動RC二階濾波器之電路圖 63
圖 4 35 主動RC二階濾波器之訊號流程圖 64
圖 4 36 六階帶通濾波器S-domain模型之頻率響應 64
圖 4 37 V1主動RC積分器 65
圖 4 38 Vout主動RC積分器 65
圖 4 39 V1之交換式電容積分器 66
圖 4 40 Vout之交換式電容積分器 66
圖 4 41 Low-Q值二階交換式電容濾波器 67
圖 4 42 Low-Q值二階交換式電容濾波器之訊號流程圖 68
圖 4 43 Low-Q值二階交換式電容濾波器訊號流程圖 69
圖 4 44 Low-Q值二階交換式電容濾波器訊號流程圖之模擬波形 69
圖 4 45 六階交換電容帶通濾波器 70
圖 4 46 C/V & Preamp. 模擬結果 71
圖 4 47 C/V & Preamp. 雙端輸出相減之模擬結果 71
圖 4 48 Bandpass filter模擬結果 72
圖 4 49 Bandpass filter Matlab模擬結果 72
圖 4 50 全差動電容感測系統之佈局圖 73
圖 4 51 C/V & Preamp. Post-simulation之模擬結果 74
圖 4 52 C/V & Preamp. Post-simulation模擬結果相減 74
圖 4 53 六階切換電容帶通濾波器Post-Simulation之頻率響應圖 75
圖 5 1 Sigma-Delta Interface 77
圖 5 2 One-bit force-feedback schematic 77


表目錄
表 2 1 系統需求列表 16
表 4 1 全差動交換式運算放大器之規格列表 39
表 4 2運算放大器規格表 41
表 4 3 切換電容低通濾波器規格表 43
表 4 4 全差動式運算放大器規格表 59
表 4 5 全差動感測系統之規格表 60
表 4 6 六階切換電容帶通濾波器規格表 60
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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