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硅微陀螺仪是现代惯性导航及控制系统的核心组件,与传统陀螺仪相比,其具有体积小、重量轻、低成本、低功耗、易与电子电路集成等优点,因此硅微陀螺仪无论在民用还是军用领域都具有广阔的应用前景。虽然在近二十年间硅微陀螺仪的性能有了巨大的提升,已经实现了10°/h以内的零偏稳定性,但目前其精度仍然距离独立惯性导航的要求存在较大差距。实现测控电路的低噪声专用集成化是进一步提高硅微陀螺仪精度,降低其功耗及成本的关键技术。本文以实现短期惯性导航精度的硅微陀螺仪为目标(零偏稳定性＜1°/h),开展了高精度硅微陀螺仪CMOS测控电路关键技术的研究。 论文对已报道的硅微陀螺仪CMOS测控电路的研究工作进行总结,明确短期独立惯性导航精度的硅微陀螺仪CMOS测控电路设计中待解决的难点和存在的挑战。即如何实现与敏感结构匹配的低噪声、低温度误差前置接口电路,如何解决晶体管电路中固有的闪频噪声对硅微陀螺仪检测精度的影响,如何设计基于陀螺驱动频率的高精度温度提取电路并提出适合所研究硅微陀螺仪的温度误差补偿算法。本文的研究工作将围绕上述三个问题进行展开。 首先,根据短期独立惯性导航的精度要求及Allan方差的评价方式,明确了硅微陀螺仪的角度随机游走和零偏不稳定性设计指标。在此基础上,对陀螺敏感结构及测控电路中的噪声(白噪声、闪频(1/f)噪声)和温度误差来源及转化机理进行研究分析,并提出了高精度硅微陀螺仪CMOS测控电路的设计要点。 其次,对硅微陀螺仪闭环驱动电路进行了系统级设计。提出了一种新型带通式驱动前置接口电路,解决了传统跨阻式接口电路中增益带宽积、电流噪声、直流失调误差及输入电容敏感性间的矛盾,该接口电路实现了42MΩ的跨阻增益,输入电流噪声为57fA/√Hz,相位误差小于0.5°。为了解决闪频噪声对硅微陀螺仪零偏不稳定性的制约,提出了一种全差分结构的幅度控制电路,利用斩波器消除了幅度提取电路和误差放大器中的加性闪频噪声,并提出了一种新型的V-I转换电路作为误差放大器的输入级,消除了来自尾电流源的乘性闪频噪声。 第三,为了降低硅微陀螺仪角度随机游走误差,提出了一种新型连续时间域电荷放大器做为其检测前置接口电路,利用伪电阻网络提供直流反馈,在不消耗额外功耗的情况下解决了直流失调误差对输出摆幅及输入电流噪声的制约问题。该电路实现了75MΩ的I-V转换增益,输入电流噪声仅为6.6fA/√Hz,其相位误差小于0.5°。为了避免相敏解调及低通滤波电路中的闪频噪声对硅微陀螺仪零偏不稳定性的影响,设计了一种具有三阶量化噪声整形功能的∑△ADC对驱动及检测前置接口电路的交流输出进行数字化,在数字域完成角速度解调,从根源上消除了相敏解调及低通滤波电路中闪频噪声的影响。该∑△ADC的采样率为1MHz,量化噪声约200nV/√Hz,等效位数12位。 第四,根据所研究的硅微陀螺仪,提出了针对其标度因数和零偏的温度误差补偿方法。利用硅微陀螺仪温度误差的直接影响量驱动频率、驱动幅度及解调相位差等进行补偿,抑制由于测温延时造成的温度滞回效应,并降低温度曲线非线性对补偿精度的制约。为了获取驱动频率作为温度补偿的基准,提出一种具有高阶量化噪声整形功能的频率读出电路,该电路将边沿计数器与锁相环相结合,对输入信号在相位域进行量化,并利用锁相环中的环路滤波器对量化噪声进行整形,实现了三阶量化噪声整形效果。相比于传统频率测量电路,该电路在保证同等测量精度的情况下将计数时钟频率降低了100倍以上,极大的降低了系统功耗。所提出的频率读出电路满足了10mHz频率测量精度的要求,可分辨小于0.1℃的温度变化。 最后,对采用该CMOS测控电路的硅微陀螺仪样机进行了测试,该硅微陀螺仪实现了0.008°/√h的角度随机游走及0.08°/h的零偏不稳定性,5小时零偏稳定性为0.7°/h,为已报道的采用CMOS测控电路的硅微陀螺仪中的最高精度。在±300°/s的量程范围内其非线性为1800ppm,带宽大于100Hz。在-20℃至+60℃的温度范围内,零偏温度系数为2.5°/h/℃,标度因数温度系数为32.5ppm/℃,该样机的系统功耗为8.5mW,满足了短期惯性导航的应用需求。