电容式微机械陀螺仪新型信号检测电路设计与仿真

"电容式微机械陀螺仪信号检测电路 (2013年) - 工程技术 论文" 电容式微机械陀螺仪（Capacitive Vibratory Micro-Gyroscope，简称CMG）是现代惯性导航系统中的关键元件，用于测量物体的角速度。该技术基于微电子机械系统（MEMS）技术，通过检测微小的质量块（proof mass）在旋转力矩作用下的振动来实现角度测量。本文主要介绍了一种创新的电容式微机械陀螺仪信号检测电路设计，旨在简化电路结构并提高检测精度。 传统的电容式微机械陀螺仪信号检测通常涉及将信号调制到高频，以降低噪声并增强信号传输。然而，这种方案复杂且需要额外的滤波和解调步骤。与之相比，本文提出的方案采用了不同的策略。该方案直接在质量块上施加稳定的直流电压，然后将产生的电容变化转换为电压信号，通过敏感前端的电荷-电压（CV）转换电路进行检测。这种设计简化了信号处理过程，同时能有效地消除由于电容匹配不均导致的直流偏移（DC offset），从而减少误差并提高系统稳定性。 电路噪声性能是陀螺仪性能的关键因素之一。文章对所设计的电路进行了深入的理论分析和推导，探讨了噪声源及其对系统性能的影响。通过对电路的噪声性能研究，作者展示了该电路如何实现低的等效输入噪声，这对于提高陀螺仪的灵敏度和动态范围至关重要。 电路设计是在Cadence环境下进行的，利用标准的0.25微米互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺模型。经过仿真，该电路成功实现了1.2阿法法（aF）的电容分辨率，这是一个非常出色的指标，意味着电路能够检测到极微小的电容变化，进一步提高了陀螺仪的角速度测量精度。 这项工作为电容式微机械陀螺仪的信号检测提供了一个简洁而高效的解决方案，不仅简化了电路结构，降低了噪声，还提升了整体性能。这将对微型惯性传感器的发展和应用，特别是在航空航天、汽车导航、智能手机以及虚拟现实等领域的应用，产生积极影响。