关键词： 数字电路   低功耗设计   门控电源   多阈值电压   UPF  

摘要： 近年来随着集成电路行业的飞速发展,半导体工艺不断升级,晶体管加工使用的工艺尺寸越来越小。芯片的集成度不断提高,性能不断提升,系统的工作频率也跟随着需求变得越来越高。这些变化导致芯片的功耗密度越来越大,芯片的整体功耗也随之越来越大。较大的整体功耗会导致消费类电子设备的续航能力变差。较大的功耗密度会使热量在芯片上的局部堆积,进而导致芯片速度变慢,出错概率变高,同时这也对散热和封装技术提出了更高的要求,增大了散热封装的成本。因此为了应对功耗增大对芯片设计带来的种种不利影响,低功耗设计成了芯片设计中不可缺少的一环。本文先对芯片中动态功耗和静态功耗的来源进行了数值上的分析,探究了它们与工作电压、频率、阈值电压、开关活动性等参数之间的关系,并基于这些分析,介绍了RTL编码、门控时钟技术、多阈值电压技术、电源门控技术等常用的低功耗技术。接下来本文以实习期间公司的项目为依托,对这些低功耗设计方法进行了详细研究和综合应用优化。借助芯片设计相关的EDA工具,在综合应用这些低功耗设计方法之后,有效地将项目电路的整体功耗降低了36.1%,取得了一个良好的效果。在完成相关的低功耗设计后,进一步用Formality工具验证了低功耗设计前后设计的等价性。并用了Tessent工具和VCS工具,验证了低功耗设计对Scan电路的正常工作没有不良影响。本文成功达到了预定的目标,加工出来的产品功耗到达了市场的前列水平,即将投入量产。作者从零开始为公司搭建了低功耗设计的基本流程,编写了相关的自动化脚本,综合应用了多种不同的低功耗设计方法,所探讨的方法为后续其他的低功耗数字电路设计提供了良好的参考设计。

关键词： 模数转换器   Sigma-Delta调制器   高精度   低功耗  

摘要： 随着数字集成电路的规模越来越大,数字电路能够实现的功能也越来越复杂,因此当下集成电路的发展日益数字化,但是如果没有模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）作为接口给数字电路使用,基于先进数字电路的智能设备也难以感知模拟世界的信息。目前,随着生物电监测、Io T、智能电动汽车等新兴领域的快速发展,基于Sigma-Delta ADC的智能电子设备的需求也急剧增多。面向这些复杂的应用场景,高精度、低功耗、高能效的Sigma-Delta ADC成为学术和工业界研究的一大热点。因此,本设计针对应用于低速智能传感测量领域的高精度、低功耗Sigma-Delta ADC关键技术进行研究具有重要的意义。Sigma-Delta调制器和数字滤波器共同构成具有完整功能的Sigma-Delta ADC,由于ADC的性能由Sigma-Delta调制器直接体现,因此本设计重点研究Sigma-Delta调制器,同时也对数字滤波器进行了一定的研究。 首先,本文在系统层面上基于MATLAB/Simulink对Sigma-Delta调制器进行设计、建模以及行为级仿真。第一,通过分析Sigma-Delta调制器的拓扑结构,选择了更适合低功耗设计的CIFF架构;结合高精度的要求,调制器阶数取为三阶,且OSR取为1024。然后,设计了调制器的噪声传递函数,通过调整最大带外增益优化了高阶调制器的稳定性,并且通过动态范围优化和系数求解得到一组符合电路设计的系数。第二,分析了调制器中的非理想因素,并推导出了定量公式,结合这些公式给出非理想因素的行为级模型。然后在Simulink中搭建了包含有非理想因素的调制器整体模型,通过行为级仿真观察非理想因素对调制器的影响,得到电路层面的设计约束指标。第三,在行为级上对数字滤波器进行了设计和仿真,滤波器总体结构采用三级级联结构,提供1024倍降采样率。在行为级上与调制器的联合仿真结果表明:所设计的数字滤波器将带外噪声基本滤除干净,且不损失调制器的性能。 其次,基于GF 0.18μm BCD工艺在电路层面上对Sigma-Delta调制器进行了设计,针对高精度、低功耗分别给出了电路上的实施方案。第一,针对低频噪声影响调制器性能的问题,设计了斩波电路去抑制低频电路噪声。第二,针对调制器的功耗大部分来源于积分器中的运放这一痛点,本文研究了运放的低功耗实施策略,在电流效率高的套筒式共源共栅运放的基础上,把单一类型的输入对改为采用NMOS和PMOS互补的输入对,提出了一种电流效率更高的低功耗运放架构,有效的节省了功耗。并将这一结构在第二三积分器中运用,第一积分器由于对增益要求较高,在此结构的基础上还设计了增益自举运放。此外,本文还提出了一种比较器和前馈求和时序,消除了对比较器转换时间的限制。 最后,在版图上实现了Sigma-Delta调制器,芯片核心部分尺寸大小为1319μm×493μm,面积为0.65 mm2。后仿真结果显示:SNR为124.05 d B,SNDR为123.71d B,ENOB为20.26 bit,在5 V电源电压下,调制器核心功耗为1.776 m W,FoMs为175.2 dB,基本满足目标设计要求。

关键词： 低压差线性稳压器   电源抑制比   宽输入电压   高压前馈纹波抑制   低功耗  

摘要： 电子技术的发展给电源芯片的设计提出了新的指标要求,人们对电源芯片的追求逐渐过渡到高性能、低功耗、广适用性上。低压差线性稳压器（LDO）,因其外围电路简单,输出纹波较低等特点被广泛应用于智能穿戴、仪器仪表、家庭电器等电子设备中。目前学术界对于高电源抑制比LDO的研究集中在低压域下,而对高电源抑制比、宽幅输入电压LDO的研究相对较少,因此本文主要对高输入电压、高电源抑制比的LDO进行研究。 为了提高LDO的电源抑制比,本文从LDO的工作原理出发,分析了影响LDO电源抑制比的各种因素。根据分析,提高电源抑制比的方式就是减少开环状态下从输入端到输出端的增益。为了实现这个目标,本文提出了两种设计方式。其一是采用高压的前馈纹波抑制结构,不同于传统的低压前馈纹波抑制结构,考虑到在BCD工艺下功率晶体管栅极耐压问题,本文使用衰减-放大的设计思路实现了电流模式的高压前馈纹波抑制结构。其二是利用缓冲器的有限电源抑制特性,即缓冲器的输出电压会随输入电压变化,该特性可以实现功率管栅极电压随输入电压变化。通过使用PMOS作为功率管,可以保持栅源电压近似恒定,降低了从输入到输出的增益。同时,为了降低误差放大器和基准源对LDO电源抑制比的影响,并在芯片内部使用高低压分离技术来降低功耗,本文引入两级动态电压转换电路,将输入电压进行预稳压来对误差放大器和基准源供电。在环路设计中,本文设计了间接补偿结构和动态补偿结构来提高相位裕度。间接补偿结构通过消除传统补偿结构的前馈通路来消除右半平面零点,而动态补偿结构可以保证LDO在不同负载情况下都能保证近似恒定的相位裕度。本文同时还研究了LDO外围电路的晶体管级设计,具体包括保护电路、使能电路、Power-Good电路,并对这些结构的工作原理以及设计思路进行详细讨论。 基于180nm 40V BCD工艺,本文完成了整个电路的设计仿真和测试,实际版图面积为0.96×1.01mm2。本文提出的电路可以在3V～40V的输入电压下工作,输出电压大于1.2V且小于输入电压减去最小压差。该电路可以在最低1μF负载电容下保持稳定工作状态。LDO的环路相位裕度在全负载条件下均大于48.5deg。针对电源抑制比,低频满载时可以高达103d B,高频时可以达到35d B。当输入电压以1V的步长突然变化时,输出电压变化不会超过11m V,当输出电流发生100m A的突变时,输出电压的变化在48m V以内。本文提出的方法有效地提高了电路的电源抑制比,补偿结构也使电路在不同负载条件下能正常工作,满足设计要求。

关键词： 电弧故障采集   电弧故障检测   电弧故障定位   片上系统   全数字锁相环   逐次逼近型模数转换器   低功耗   低成本  

摘要： 电力系统中的电弧故障可能会对设备造成重大损坏,甚至导致电气火灾和人员危险。而传统的断路器无法及时有效地甄别出串联故障电弧,更无法进行定位和隔离。由此设计专用于串联交流电弧故障检测与定位的片上系统芯片有着重要的研究和应用价值,同时也能提高电弧故障检测系统的集成度,降低成本和功耗。围绕这一主题,论文针对电弧故障的采集、检测与定位等环节,从关键技术研究、关键模块和算法实现以及系统集成和开发三个层面开展,设计完成了用于串联电弧故障检测的低成本、低功耗的片上系统芯片,并基于该芯片平台实现了电弧故障的定位。具体的研究工作内容和创新点如下:(1)针对电弧故障检测片上系统对保障电弧故障准确采集、实时检测以及快速响应的时钟发生器的需求,提出了一种基于新型双调谐数控振荡器的高性能全数字锁相环。其中,数控振荡器采用具有粗调级和细调级的数模转换器控制阵列方案。整个锁相环电路在实现低抖动、快速锁定的同时,不需要任何附加电路、可完全采用自动布局布线流程,具有可移植性,且硬件开销小,可极大缩小芯片面积。利用所提出的双调谐数控振荡器,本文在标准55 nm CMOS工艺下完成了一款高性能全数字锁相环,芯片面积为0.001 mm。测试结果表明,设计的全数字锁相环在1.0 V电源电压下功耗为112.32μW,可在55个参考时钟周期内实现快速锁定。在输入参考频率10 MHz、预分频输出频率100 MHz的情况下,RMS jitter为14.4 ps,参考杂散为-48 d Bc,在1 MHz频率偏移下相位噪声为-82.06 d Bc/Hz。(2)针对电弧故障检测片上系统对低成本、低功耗电弧故障信号采集电路的需求,进行了高性能逐次逼近型模数转换器的研究和设计。为减少单位电容数量,减少硬件开销,提出了一种低功耗低成本的四分段电容阵列,基于此实现了一款逐次逼近型模数转换器。该转换器采用标准55 nm CMOS工艺流片验证,面积为0.0256mm,功耗为34.73μW,可实现57.16 d B的SNDR。为了进一步提高转换精度,论文对电容阵列进行改进,并引入不添加额外冗余电容的冗余技术,以及动态元件匹配和电容交换等技术,提出了一种免校准高性能电容阵列数模转换器结构,在满足高精度需求的同时,无需额外校准电路,电路结构简单,硬件开销少,降低了设计与制造成本。该数模转换器也采用标准55 nm CMOS工艺实现,与前一款采用的四分段结构相比,该设计无需额外校准电路,可以将模数转换器的SNDR提高16 d B,且实现了161 d B的Fo M,面积0.13 mm。(3)针对电弧故障检测与定位系统对小尺寸、低功耗、低成本和高集成度的需求,设计了一款电压电流双域电弧故障检测与定位片上系统芯片,其主要特点包括:a)基于逐次逼近型模数转换器的电弧故障信号采集电路,可以同时对低压配电系统中的电压信号和电流信号进行采集;b)基于全数字锁相环的时钟管理单元,可以保障电弧故障的准确采集、实时检测与快速响应;c)提出了一种电压电流双域电弧故障检测算法,通过离散小波变换对电弧故障电压信号与电流信号进行特征提取,并进行阈值比较。根据电流域的比较结果可对故障电弧进行判定,再根据电压域的比较结果,可对故障分支进行判别。该系统芯片在标准55 nm CMOS工艺下流片验证。测试结果表明,该芯片可在80 ms内对故障电弧进行快速检测,识别率为97.5%。与此同时,根据采集到的电压信号和电流信号中的异常情况,可以对电弧故障分支进行判别。(4)针对电弧故障检测与定位系统对低成本以及快速电弧故障定位方法的需求,提出了一种基于阻抗测距法的逐次逼近故障定位算法,在满足低成本需求的同时,可快速找寻故障点,为电力系统在运行模式下对串联电弧故障进行定位提供了可能性。结合实现的电弧故障检测与定位片上系统,提出了多支路复杂低压配电系统中实现电弧故障检测与定位的应用模型。本文通过分析发生串联电弧故障的配电线路等效模型,基于实现的电弧故障检测与定位片上系统芯片,建立配电线路故障位置与电流信号和电压信号的定位方程,基于逐次逼近思想快速地确定故障区间,并根据设定的搜寻精度确定故障点。该算法在Matlab中进行建模仿真,测试不同配电线路长度不同故障位置的相对定位误差,以及不同噪声工况条件下的故障定位效果。结果表明,在信号噪声比大于45 d B时,相对定位误差仍然小于设定的搜寻精度1%。

关键词： 雷达显控系统   OsgEarth   可视化显示   多线程  

摘要： 雷达显控系统是整个雷达系统中的重要组成部分。将显控系统连接架设在道路场景中的交通雷达,可实现对道路场景的监视。显控系统的基本需求包括:对交通车辆数据进行解析处理、统计分析、可视化显示存储以及对雷达的工作模式进行控制。对于复杂的道路交通场景,如何在场景中实现更好的数据可视化效果是显控系统开发的一个难点。为解决以上难点,本文设计了一款毫米波交通雷达显控系统,可在较为复杂的交通场景中进行综合性数据处理,且具有较强的可视化能力。本文的主要工作内容如下: (1)从毫米波交通雷达显控系统的特点和需求出发,制定整个显控系统的功能需求和结构组成。制定显控系统与雷达系统的通信协议,实现雷达系统参数调整以及目标数据接收的功能。 (2)使用日志文件和MySQL数据库对系统中的不同数据进行分类存储。可通过读取文件以及查询数据库的方式实现数据读取;可查询数据库中的历史交通参数信息生成各时间段的数据报表。使用事件过滤器和双缓冲绘图的方式实现显示界面图形绘制,可随着显示界面的切换在不同的显示窗口绘制图形,绘制的图元类型包括道路场景、车辆目标信息、车辆轨迹等。 (3)内嵌GIS组件搭建地图显示终端,实现雷达数据在三维地图中显示的功能。使用OsgEarth地图引擎构建三维地图,可实现对地图模型中各个数据及场景节点的精确便捷控制。采用分层LOD显示的方法加载离线地图和外部模型,实现交通监控场景的搭建和雷达检测目标的运动和更新,并提高在地图显示终端中对数据模型的加载效率。 本文设计的显控系统综合性高,可视化水平较强。配合毫米波交通雷达使用可在道路场景下对交通车辆信息进行可视化显示与数据分析,有一定的实用意义。

关键词： 无线   无电池   鼠标   低功耗   超外差接收机   温差发电  

摘要： 鼠标作为我们日常办公用品,与我们的工作和生活密切相关。但是有线鼠标每次使用都要连线插电,而无线鼠标需要用户定期更换干电池或者进行充电。为了降低鼠标功耗,延长干电池的使用寿命,一方面可以采用更低功耗的无线通信模块,但是目前市场成熟的无线通信模块功耗仍然处于较高水平。另一方面可以采用反向散射通信技术,但是传统无源反向散射标签的通信距离非常受限,而且环境中的微波能量源存在不稳定的现象;而传统的有源反向散射标签存在自干扰的问题和数据速率低的问题。因此针对以上问题,本文提出了一种新型的超低功耗无线无电池鼠标系统,其具体内容如下: (1)新型低功耗传感信息发射模块:针对现有鼠标无线通信模块功耗高的问题,本文使用隧道二极管制作鼠标的无线通信模块。隧道二极管制作的无线通信模块在230m V供电电压下,功耗仅为198μW,而其输出功率能够达到-11d Bm。同时本文设计的分压、稳压电路,能将单片机输出的基带信号进行分压和跟随,实现无线发射模块在高达1Mbps的OOK调制速率下输出功率达到-14d Bm以上。该新型低功耗传感信息发射模块功耗低、输出高。 (2)新型无线无电池鼠标实现架构:针对反向散射技术存在的自干扰问题,本文设计照射源频点与无线鼠标发射端频点分开。本文设计照射源在鼠标接收端,由电脑供电。本文设计的微波能量收集电路可以收集840MHz频段的微波能量,并且在输入功率为-10d Bm时的最佳能量转换效率为32%,在输入功率为5d Bm时的最佳转换效率为52%。 (3)温差发电模块设计:该模块实现采集人手心的温度能量并转换为电能存储和供电功能。该模块采用TEG温差发电片采集人手心温度并通过LTC3108芯片将温差发电片输出的低电压升压至后端电路所需电压并为后端电路供电,同时对多余的能量进行存储。经测试,在10℃温差、负载200Ω条件下,该模块能够稳定的输出50μW功率。 (4)鼠标接收与解调模块:接收端采用超外差接收机接收并利用单片机解调,本文设计的超外差接收机在500Hz调制速率下灵敏度达到-92d Bm,在200kbps调制速率下鼠标通信距离达到3米。 本文设计的无线无电池鼠标系统具有脉冲宽度调制功能且调制速率能够达到1Mbps。在调制速率为1Mbps,每100ms发送一个数据包的条件下,发射系统整体功耗仅为19μW。在调制速率为200kbps,每100ms发送一个数据包的条件下,发射系统平均功耗55μW。而提高鼠标的发送频率至10ms一个数据包,在1Mbps调制速率下,系统平均功耗152μW,处于领先水平。在微波能量供电条件下通信距离能够达到3米,且误码率不到千分之一;在TEG温差发电模块供电条件下,通信距离能够达到2米,且误码率不到千分之一。

关键词： 室内外定位   数据传输系统   模块化设计   窄带物联网   远距离无线电  

摘要： 随着当下生产生活环境日趋复杂，在生产安全和人员管理方面出现了许多值得关注的问题。例如学校、大型交通枢纽、矿山、化工厂等场所内的人群，常在室内外场景不断穿梭，人们也不再满足于单一的室外环境或室内环境下的定位服务。本文旨在设计一种低功耗的室内外定位数据传输系统，该系统在硬件设备上由定位信标、定位终端和定位基站组成，将室外卫星定位和室内蓝牙定位相结合，通过LPWAN技术实现定位终端与上层设备的通讯。主要工作内容如下：　　（1）定位数据传输系统总体设计。确认系统需求以及总体的框架结构并分别对系统硬件方案和软件设计进行阐述。　　（2）定位模块设计与实现。基于BLE主动扫描动作，为蓝牙信标设计了一种不影响系统定位精度的、低功耗的广播频率自适应工作模式。设计了具有重发、校验和超时机制的UART消息处理程序，实现终端主控芯片对GNSS模块的AT命令下发和回应接收功能。实现了一种高效的、低功耗的室内外定位方法无缝切换方法，克服室内外场景切换过程中的乒乓效应和卫星定位响应慢问题。　　（3）数据传输模块设计与实现。设计了NB-IoT和LoRa两种技术融合的高效高可靠定位数据传输方案。基于FreeRTOS系统对NB-IoT和LoRa定位终端程序进行开发。基于基站定时发送的同步包，LoRa 终端采用固定时隙的信道划分方法，实现了定位数据的可靠传输。通过级联基站方法，增加同一地点下的上行信道带宽，进而提高 LoRa 终端并发量，并开发了对应的基站同步方法规定LoRa终端通讯对象。　　（4）系统管理模块设计与实现。设计了一系列报警、GNSS 控制和配置命令与对应的处理子模块，拓展本系统的辅助功能。开发了本地数据管理子模块避免重要参数掉电丢失，通过蓝牙模块对参数便捷读取和配置。利用加速度传感器实现了低功耗子模块，大幅缩短终端正常工作时间。根据定位基站需要与服务器端进行网络通讯、维护基站运行稳定性和配置重要参数的额外需求，基于Linux程序设计了对应进程。

关键词： 低压差线性稳压器   带隙基准   稳定性   瞬态响应   低功耗  

摘要： 随着5G通信技术的快速发展,物联网系统已经成为一个广受关注的领域。在物联网系统中,各种传感器、智能设备和控制器都需要稳定可靠的电源供电。由于物联网设备本身的工作电流往往比较小,为了提高系统的效率和延长其运行时间,需要采用低静态电流的电源供应器件,从而实现高效稳定的电源转换。而低压差线性稳压器(Low dropout linear regulator,LDO)由于其低噪声、低波纹和低电磁干扰等优点而成为物联网系统中电源转换的主要选择之一。本文以5G物联网系统为背景,旨在设计一种低静态电流瞬态增强型线性稳压器,以保证物联网电源系统的低功耗和稳定性。在研究学习了LDO的基本理论知识后,设计了一款应用于5G物联网系统的低功耗瞬态增强LDO,主要包括基准电压源、误差放大器、功率管反馈级、自适应偏置补偿电路、过温保护和过流保护等模块。为了使系统在全负载范围内保持稳定,本文采用cascode补偿再结合自适应偏置技术环路补偿。为了增强线性稳压器的瞬态响应特性,设计了过冲抑制电路,可以有效防止输入端的过冲电压对后级电路造成的影响。为了减小功耗,采用低静态电流器件和电路结构。最终实现了在轻载时具备较低的静态电流,负载时具备良好的瞬态响应能力。此外,还设计了过温保护和过流保护电路可以有效提高电路可靠性。本文电路基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,设计了一款快速启动的带隙基准电压源,在3.5 V电源电压下稳定输出1.2 V零温度系数低温漂的参考电压,上电启动时间在18μs,其温度系数为11.88 ppm/℃。总电路的静态电流消耗为31.75μA,其中带隙基准电路静态电流为6.45μA,保护电路静态电流为4.21μA,LDO模块电路静态电流为20.89μA。输入电压范围在1.65-3.5 V,可以稳定输出1.5V。其负载能力最大为100 m A,从空载到重载的整个负载电流范围内,低频环路增益达到98 d B,最差相位裕度达到87度,线性调整率为0.0875 m V/V,负载调整率为8.49μV/V,瞬态响应中最大输出电压纹波为130 m V,恢复时间在4.3μs内,PSR在1k Hz处为-62 d B,输出负载电容为100 p F,可以直接集成在芯片内部,无需再添加片外电容。