石英微陀螺正弦驱动带通滤波器设计

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石英微陀螺是一种测量角速率的微惯性传感器。实现石英微陀螺的正弦驱动对提高其检测的稳定性、分辨力、灵敏度等有重要意义。带通滤波器(BPF)是石英微陀螺正弦驱动电路的重要组成部分。本文分别设计了开关电容(SC)和跨导电容(OTA-C)带通滤波器。SC滤波器由于其精确度高、面积小在中低频领域有着广泛的应用,是重要的离散时间滤波器。连续时间OTA-C滤波器由于其工作频率高、参数可调等优点日益受到重视,成为研究的热点。本文系统研究了石英微陀螺驱动检测原理以及滤波器基本理论。在研究开关电容电路基础上用信号流图法设计了双二阶开关电容滤波器;根据Matlab系统设计得到满足设计要求的带通滤波器的阶数、传输函数;采用级联法实现四阶Elliptic SC带通滤波器。研究了跨导放大器(OTA)的原理,利用工作在线性区的MOS管结合Gain-boost技术、迁移率补偿技术实现了小跨导增益、大线性度的全差分OTA;利用该OTA实现不同Q值的二阶OTA-C带通滤波器;由Matlab完成高阶带通滤波的系统级设计并通过级联法实现六阶ButterworthOTA-C带通滤波器。本文采用0.5μm CMOS工艺在Cadence Spectre中对设计的电路进行仿真,仿真结果显示:四阶Elliptic SC-BPF在频率35.4kHz处增益衰减了55.6dB;总的负载电容为47.5pF,电容分布为27.5;由离散傅里叶变换(DFT)得到的频谱图显示总谐波失真(THD)小于-40dB。OTA的跨导增益为0.42μS,输入峰峰值为1V的差分信号跨导增益改变量小于0.01;六阶Butterworth OTA-C BPF在35.4kHz处的增益衰减了55dB,在通带内相位接近线性。SC和OTA-C滤波器均实现了设计要求,SC滤波器的频率精确度明显大于OTA-C滤波器,且阶数和电容都比较小,但是OTA-C没有时钟电路,设计更简单,且相位特性较好。
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