【摘 要】
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在现代工业之中,无论是医疗设备,航天飞机还是汽车,都需要一个时钟作为频率参考,时钟的性能高低影响着整个系统的好坏。基于微机电系统（MEMS）技术的振荡器凭借着易集成、低成本和频率可调等诸多优秀特性正在逐步抢占时钟市场份额。本文在对硅MEMS振荡器的工作原理,国内外发展现状进行充分调研的基础上,分别从MEMS谐振器的结构设计优化,接口电路的设计和温度补偿电路设计三个方面进行了研究。主要包括:（1）以
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在现代工业之中,无论是医疗设备,航天飞机还是汽车,都需要一个时钟作为频率参考,时钟的性能高低影响着整个系统的好坏。基于微机电系统（MEMS）技术的振荡器凭借着易集成、低成本和频率可调等诸多优秀特性正在逐步抢占时钟市场份额。本文在对硅MEMS振荡器的工作原理,国内外发展现状进行充分调研的基础上,分别从MEMS谐振器的结构设计优化,接口电路的设计和温度补偿电路设计三个方面进行了研究。主要包括:（1）以环形谐振器为基础,利用耦合梁构建谐振器阵列,设计了电容式六环MEMS谐振器。利用有限元分析软件对六环MEMS谐振器进行模态分析验证了结构的可行性,仿真频率与传统环形谐振器理论频率误差在0.23%～0.55%之间。对谐振器进行Q值仿真,通过锚点位置的设计减小锚点损耗并得到多项尺寸参数同Q值单调相关的规律。通过对工作原理展开深入探讨,分析得到六环MEMS谐振器的设计具有高Q值,低动态阻抗和低相位噪声的优点。并为六环MEMS谐振器构建了等效电路模型。（2）设计了基于正反馈回路原理的高性能差分接口电路,提出了完整的接口电路构建和元器件参数计算方法。整个电路包括前级处理电路,自动增益控制电路,相移电路和单端转差分电路四个模块。对电路进行仿真测试,整体电路可在48MHz处实现123d BΩ的跨阻增益,自动增益控制范围达到了25d B,相移范围达360°。在PCB上焊接电路构建MEMS振荡器,经测试,设计的接口电路可有效驱动四环MEMS谐振器并输出稳定的频率为48.008MHz的正弦信号。构成的振荡器具备了较为良好的频率稳定性,振荡器输出信号的相位噪声达到了-101.97d Bc/Hz@1k Hz,-107.16d Bc/Hz@1MHz,而阿伦方差最低达到了0.0065ppm。（3）硅MEMS振荡器的输出频率随温度变化偏移较大,较差的频率温度稳定性限制了其在无线通信和导航等高精度场合中的应用。本文设计了基于锁相环的有源开环补偿电路,电路包括锁相环,温度传感器和微处理单元。分析了各模块的设计和构建方案,并对电路进行焊接制作构成了具有温度补偿功能的MEMS振荡器。最后测试显示在-35℃至75℃温度范围内,硅MEMS振荡器的频率偏差由未补偿时的1821ppm至-1625ppm降低到补偿后的±12ppm,频率温度稳定性提升了144倍。具备这种频率温度稳定性的MEMS振荡器超过了Si Time在售的多款系列产品。
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