Integrated carrier oscillator for readout of a force balanced accelemeter

Abstract

Tässä diplomityössä on suunniteltu GmC-oskillaattori kantoaallon tuottamiseksi jatkuva-aikaisen voimatasapainoitetun kapasitiivisen kiihtyvyysanturin lukuelektroniikkaan. Työn alussa esitellään voimatasapainoitetun kiihtyvyysanturin lukuelektroniikkaa lohkokaaviotasolla sekä tyypillisimpiä megahertsien taajuudella toimivia integroituja oskillaattoreita. Kolme erilaista yleisesti käytettyä vaihekohinateoriaa käydään läpi ja näiden perusteella valitaan työssä käytetty vaihekohinan analysointimenetelmä. Erityyppisten oskillaattoreiden vaihekohinaominaisuuksia vertaillaan lyhyesti luetun kirjallisuuden pohjalta. GmC-oskillaattorit rakentuvat siirtokonduktansseista, joiden käytännönrakenteita ja linearisointimenetelmiä esitellään. Työn lopussa esitellään toteutetun GmC-oskillaattorin suunnittelu sekä mittaustulokset.

GmC-oskillaattori suunniteltiin toimimaan kolmen megahertsin taajuudella. Sekä taajuus että amplitudi tehtiin digitaalisesti säädettäväksi. Lämpötilavaihtelut minimoitiin käyttäen lämpötilasta riippuvaa virtareferenssiä sekä hyödyntäen transistorien luonnollista lämpötilariippuvuutta. Oskillaattorille suunniteltu puskurointipiiri mahdollistaa suuren kapasitiivisen kuorman.

Työssä toteutettiin GmC-oskillaattori 0,7 µm:n CMOS-puolijohdeprosessilla, jossa on käytössä kolme metallikerrosta. Mittausten perusteella oskillaattori toimii 2,4 - 5 MHz taajuudella amplitudin pysyessä 3 MHz:n taajuudella 7 %:n tarkkuudella säädetyssä arvossa lämpötila-alueella -40 - +85 °C.