关键词： 时间交织   逐次逼近ADC   失配校准   LMS算法  

摘要： 随着数字信息时代的开启,数字信息处理技术得到了空前的提升,而自然界中的信号几乎都是以模拟量的形式存在的。因此,作为连接自然世界和人类数字世界的桥梁,模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)在各类数字通信系统中均起着至关重要的作用。然而随着无线通信的发展,传统的模数转换器在性能上已经呈现局限性,采用时间交织(Time-Interleaved)技术的ADC可以通过多通道交替工作,在保证转换精度的情况下,大幅提升ADC的采样速率。相对于其他架构,时间交织ADC在高速领域处于领先地位,尤其是子通道采用SAR ADC的TI ADC,在功耗上有巨大优势。本文以时间交织SAR ADC为研究方向,通过系统地研究和设计,提出了关键模块和校准方法。对于单通道SAR ADC,本文从多个方面进行了优化:采用能耗更低的转换策略来降低DAC转换功耗;增加衬底偏置效应消除结构来提高采样开关线性度;改进高速动态比较器以获得更低的功耗和噪声;采用自适应采样异步SAR逻辑来减少时间间隔浪费。对于时间交织SAR ADC,本文分析了工作原理和主要失配问题,并提出了基于MATLAB的LMS算法进行校准的方案。最终采用TSM65nm标准CMOS工艺成功设计了一个8通道12位800MS/s的时间交织SAR ADC电路,其中子ADC为12位100MS/s SAR ADC。这些优化措施可以提高ADC的精度和稳定性,在实际应用中具有重要意义。本文完成了时间交织多通道SAR ADC电路设计、版图绘制、校准算法研究以及仿真验证等工作,并且电路核心面积仅为728um×709um。在奈奎斯特输入频率,tt工艺角下,单通道前仿结果为:SNDR为71.1d B,SFDR为79.9d B,ENOB为11.53bit,功耗1.92m W;单通道后仿结果为:SNDR为66.1d B,SFDR为72.9d B,ENOB为10.69bit,功耗2.13m W;8通道交织SAR ADC前仿结果为:SNDR为70.5d B,SFDR为83.6d B,ENOB为11.41bit,功耗17.81m W。8通道交织SAR ADC后仿结果为:SNDR为64.9d B,SFDR为73.9d B,ENOB为10.48bit,功耗19.42m W。

关键词： 电容转换电路   delta-sigma调制器   chopper技术   低功耗   大动态范围  

摘要： 近年来,随着生物植入式遥测、可穿戴式智能医疗和环境监测等大动态范围应用的不断发展,电容传感器的需求逐渐增加。而植入式和可穿戴式应用同时要求信号检测系统具有低功耗特点,因此,与电容传感器适配的低功耗且高性能读取电路设计具有重要意义。本文基于delta-sigma调制器设计了一款低功耗且大动态范围的二阶电容数字转换器（CDC）,实现了最大电容信号为35p F的直接数字转换输入。本文首先利用Matlab软件,在充分考虑非理想因素的影响下搭建了delta-sigma调制器非理想系统级模型,通过噪声传递函数及稳定系数分析,确定调制器各级增益系数。在此基础上,将传感器C作为该调制器的第一级采样电容,并通过采用4bits补偿电容C与C的反相激励驱动,使CDC等效输入电容为(C-C),进而降低第一级电路对运放的要求,利用斩波技术降低第一级运放的输入失调电压,最后实现低功耗且高分辨率的CDC设计。文本最后采用Verilog实现与CDC适配的数字滤波器,以测试CDC对C分辨能力。该CDC采用中芯国际（SMIC）0.18μm CMOS工艺完成电路设计,芯片面积为1950×1200μm。电路供电电压为1.2V,整体功耗为30μW,实现了误差1%以内且频率为16k Hz和8k Hz的片上时钟信号。其中16k Hz为CDC的采样信号频率,8k Hz为斩波信号频率。CDC的FFT仿真结果显示其具有delta-sigma的噪声整形特点,当转换时间为16ms时,分辨率为1.85f F,Cx测量范围为0～35pF,且数字滤波器输出与Cx变化实现了较好的线性度。

关键词： 碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)   低功耗   电平转换触发器   锁存器加固   电路优化  

摘要： 如今各种便携式电子产品十分流行,这些产品对续航能力的要求很高。另外,在一些特定的环境中(如航空航天、车载芯片),对芯片的抗干扰能力要求比较高,这些因素促进了低功耗高性能、高可靠性芯片设计的发展。时钟网络的功耗在芯片总功耗中占比很大,而触发器是时钟网络的重要组成部分,它影响着芯片的各项性能。因此,设计低功耗、高性能的触发器是整个芯片系统设计的重要环节。随着摩尔定律的发展,硅基MOSFET特征尺寸已经接近物理极限,研究人员不得不开始寻找新材料来代替硅基MOSFET。CNTFET因为具有低功耗、高速度以及高可靠性等优势,被认为是硅基MOSFET最有潜力的替代者。为了促进CNTFET技术的发展与应用,本文主要研究基于CNTFET的低功耗高性能触发器的设计,具体的内容如下:(1)针对芯片内部的电平转换问题,本文首先提出了一种新型双边沿脉冲信号发生器,并在此基础上,本文进一步采用条件充电技术设计了新型CNTFET脉冲型电平转换触发器DBS-LCFFCC,采用预充电技术设计了新型CNTFET脉冲型电平转换触发器DBS-LCFFP。(2)针对数字电路中由单粒子效应引起的软错误问题,本文首先提出了一种新型双节点自恢复加固单元DNSR-DICE,并在此基础上,通过三个DNSR-DICE单元互锁连接,设计了一种新型的三节点翻转自恢复锁存器HLTNURL,能够有效解决单粒子效应引起的软错误。(3)为了使所设计的两种CNTFET电平转换触发器性能达到最优,本文首先研究了碳纳米管的数量、直径以及间距值等参数对CNTFET的输出特性和转移特性的影响,在此基础上,提出了CNTFET触发器电路的优化方法。利用HSPICE软件对上述研究内容进行了仿真分析,具体结果如下:在相同的工艺条件和开关转换几率下,与现有的电平转换触发器相比,所设计的DBS-LCFFCC的PDP降低了19.2%～67.2%,而DBS-LCFFP的PDP降低了41.6%～76.3%。此外,DBS-LCFFCC具有更小的功耗,更适合低功耗设计;而DBS-LCFFP具有更低的延迟,更适合高速电路设计。PVT波动分析实验结果表明,在任意PVT波动条件下,DBS-LCFFCC的功耗都是最低的,而DBS-LCFFP的延迟都是最低的,这表明它们鲁棒性更好。在不同工艺下的仿真结果表明,CNTFET工艺下的DBS-LCFFCC和DBS-LCFFP功耗更低,延迟更小。在相同实验条件下,与现有的三节点翻转自恢复锁存器相比,所设计的HLTNURL的功耗平均减少了32.51%、延迟平均减少了79.73%,面积平均减少了1.32%,APDP平均降低了88.37%,表明HLTNURL适合低功耗高性能设计。此外,HLTNURL对PVT波动不敏感,适合可靠性要求较高的数字电路设计。在不同工艺下的仿真结果表明,CNTFET工艺下的HLTNURL功耗更低,延迟更小。利用本文所提出的CNTFET触发器电路的优化方法,对所提出的两种CNTFET电平转换触发器进行了电路优化。仿真结果表明,优化后的DBS-LCFFCC的功耗降低了13.07%、延迟降低了20.06%、PDP降低了30.5%,而优化后的DBS-LCFFP的功耗降低了14.29%、延迟降低了19.46%、PDP降低了30.97%,表明本文提出的CNTFET触发器电路的优化方法是可行的。

关键词： 国产处理器   龙芯2K1000   车载中控系统   高速电路设计   EMC防护  

摘要： 随着我国科技的不断发展,芯片国产化的趋势已经势不可挡。但在车载领域,绝大部分处理器方案仍然被国外垄断。尽管目前国产处理器的性能和稳定性与国外相比还有差距,但熟悉和使用我们自己的处理器是始终要走且重要的一步。本文调查了目前主流车载中控系统的主要功能,以国产龙芯2K1000处理器为核心,尽量选择国产芯片为前提,对主流车载中控系统的功能进行硬件电路设计。在原理图设计中,先对最小系统进行了描述,包括系统的电源、时钟、复位启动和存储等。之后对外围接口功能进行了详细设计。该系统通过HDMI屏幕显示。支持多种上网需求,包括4G、WIFI以及以太网。支持耳机的使用,留出USB接口和M2 B KEY座子支持常用外设。支持导航定位以及CAN总线接口进行通讯等。为了稳定,在电源输入口增加了雷击浪涌防护,在经常插拔的USB接口增加了静电防护。在PCB设计中,列出了基本层叠、布局以及布线的原则。由于涉及到很多高速信号线,为了保证设计的严谨,提出了可能遇到的信号完整性和电源完整性问题以及解决方法,并通过ADS软件进行仿真验证。最后完成对板卡的焊接调试,验证了板卡功能以及EMC防护的有效性。功能调试及EMC测试结果表明此次设计基本实现了功能上以及EMC防护上的目标。此次设计加强了对国产龙芯处理器设计思路的理解,对于类似的原理设计,PCB优化以及EMC防护也有一定的参考意义。

关键词： 低功耗   隧穿场效应晶体管   双边沿触发器   阻塞毛刺   正偏P-I-N电流  

摘要： 随着CMOS工艺的不断进步,器件的特征尺寸也在不断下降。电路性能提升的同时,功耗问题成为当下限制集成电路发展的重要因素之一,尤其是进入到深亚微米和纳米制程之后,静态功耗的快速增加成为低功耗领域越来越关注的问题。降低功耗最直接的办法就是降低电源电压,然而金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)在低电压下会导致其电流开关比下降、延迟增大,这些局限性限制了MOSFET在超低功耗领域的发展。相比于MOSFET,隧穿场效应晶体管(Tunneling Field Effect Transistor,TFET)的亚阈值摆幅能够突破60m V/dec的界限,在低电压下依然能够处于稳定的工作状态。此外,TFET器件较小的泄漏电流使得TFET比MOSFET有着更低的静态功耗。 触发器作为时序逻辑单元的重要组成部分,低功耗的触发器设计对于降低整个数字集成电路的功耗起着关键作用。本文设计了两种基于TFET器件的阻塞毛刺双边沿触发器TBDET和EBDET。其优势在于TBDET双边沿触发器在应用TFET器件时无正偏PI-N电流问题,而EBDET双边沿触发器则有效的减弱了TFET器件过冲电压对输出信号的影响。电路功能方面,新型双边沿触发器避免了锁存结构的信号竞争问题,有效的降低了电路的动态功耗。同时,电路阻塞毛刺的能力可以通过降低电路的开关活动性来达到低功耗的目的。 在性能上通过与一些典型的双边沿触发器进行对比,使用TFET器件模型在Cadence软件下进行仿真分析。实验结果表明,本文所提出的双边沿触发器TBDET和EBDET具有较低的平均功耗和功耗延迟积(Power delay product,PDP)。相较于对比电路,在无毛刺干扰的情况下,TBDET和EBDET的平均功耗最大下降了79%和78%,功耗延迟积最大下降了78%和75%。在不同的毛刺干扰下,TBDET电路的平均功耗最大下降了72%到79%,功耗延迟积最大下降了66%到67%。EBDET电路的平均功耗最大下降了65%到73%,功耗延迟积最大下降了53%到54%。此外,TBDET和EBDET双边沿触发器在不同的温度和电压下都具有较好的稳定性。

关键词： 可穿戴式医疗设备   逐次逼近型模数转换器   低功耗   集成电路设计  

摘要： 在社会快速发展的今天,人们对于物质生活的需求不断得到满足,使得大家对于健康和医疗问题的关注度也大幅提升。人们想要监测自身的健康情况,只能通过医院临床上的医疗监测设备来实现。而传统医疗监测设备的体积和功耗大,制造成本也高,不利于实现长期的、实时的健康监测。此时可穿戴式医疗设备应时而生,由于较短的续航能力减缓了其发展速度。本文旨在提出一种长期实时监测人体健康状况的应对方案。与传统的医疗设备相比,可穿戴式医疗设备可以在不影响人们基本生活状态的情况下对人体生理状况进行长期、实时的监测。可穿戴式医疗设备的本质是发展低功耗、低成本的微型集成电路系统。模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)作为可穿戴式医疗设备中主要的能耗电路之一,减小其功耗可以大幅度提升可穿戴式医疗设备的续航能力。在本论文中,逐次逼近(Successive Approximation Register,SAR)型模数转换器凭借结构简单、高能效的特点被用作进行高性能低功耗模数转换器的设计,主要工作内容如下:(1)首先阐述了选择逐次逼近型模数转换器作为可穿戴式医疗设备重要组成模块的原因。然后介绍了传统逐次逼近型模数转换器的基本工作原理和较其它模数转换器结构独有的优势,最后给出本设计中逐次逼近型模数转换器的整体架构。(2)详细分析了逐次逼近型模数转换器中各组成模块的基本电路结构。根据高性能和低功耗的原则对每个模块进行了结构和参数的优化。研究了常用采样开关的结构特点以及影响精度和速度的因素,在自举采样开关的基础上进行了结构改进,比传统自举采样开关的SFDR提高了20 d B以上。通过计算常规电容阵列数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)的开关电平切换的能耗,总结出高性能低功耗DAC的结构特征以及电容控制开关方案,选用了分段且逐位分裂的DAC电容阵列结构。比较器选择了有两种工作状态的动态比较器,采用前置预差分放大器和锁存比较级的结构,根据动态锁存比较器和双尾流比较器的特点,设计出适用于低电压且低功耗的动态比较器,并且通过输出失调存储技术减小比较器电路中的误差。(3)针对传统的SAR同步时序控制逻辑电路,本文采用异步时序控制逻辑电路。根据比较器输出结果的特点,进行逻辑比较产生时钟信号,以此作为逐次逼近模块的时钟信号。这可以有效的保证DAC电容阵列的极板电压在比较完成后才进行电容极板电平的切换,避免出现对比较器输出结果误判的情况。本论文采用SMIC 0.18μm CMOS 1P5M工艺进行电路仿真和版图设计。对电路进行寄生参数提取后的仿真结果显示,在电源电压为0.8 V,电路采样率为200KS/s时,设计的电路性能可达到有效位数为11.35位,功耗为3.45μW,品质因数为5.7f J/con-step,其整体电路版图面积为650μm×370μm,该ADC结构适合用于高性能低功耗可穿戴式医疗设备中。

关键词： 耳标   Lo Ra技术   低功耗   肉牛  

摘要： 牲畜体温是表征牲畜个体健康的重要参数之一,其对牲畜的健康生长具有重要作用。我国是畜牧大国,但在自动化养殖、智能化疾病检测等方面与发达国家差距较大,智能化程度低已经严重制约了我国畜牧养殖企业产品质量和效益的提升以及行业规模的发展。牲畜个体健康信息的自动感知技术,是畜牧产业信息化的重要组成部分。本文利用传感器、物联网等技术的优势,设计了一款基于LoRa(Long Range)的肉牛智能测温耳标及其系统。该系统主要由测温耳标模块、数据传输模块、分机数据管理模块和主机数据上传模块组成,其有利于提升我国肉牛信息化养殖的生产效率和市场竞争力。我们开展的主要工作和取得的重要结果如下: 1.在测温耳标模块中,我们设计了采集节点、数据收发节点和低功耗传输的最优方案。采集节点由温度传感器模块构成,其可以实现牲畜体温的有效采集。数据收发节点由单片机和LoRa无线射频模块组成,其负责发送温度数据和接收命令。经过大量测试分析,在串口模块的工作频率为433MHz,通信带宽为25.5MHz的条件下,由锂电池供电的测温模块,其在单次充电后可稳定工作一年。 2.在数据传输模块中,我们设计了系统组网方式和通讯协议。(1)我们针对性的设计了一种低功耗的数据汇聚方案:首先,采用树状结构网络来部署测温耳标模块;其次,使用基于状态机的数据交互协议来提升数据处理的速度,并通过数据传输的自适应调节机制和数据防碰撞退避算法来降低数据传输的能耗,进而可以有效的解决测温数据上传时延长、能耗高的问题。(2)我们针对性的设计了一种适合系统工作的通讯协议:通过将数据链路层中无用的数据单元删除,只保留了最简单的有效单元,由此可以极大的提高通讯效率,并同时降低数据传输的误码率。 3.在分机数据管理模块中,我们实现了肉牛圈舍环境温湿度的采集以及肉牛个体体温数据的汇聚、存储和分析。我们针对性的设计了一种数据管理策略:分机数据管理模块在完全接收一次数据后会给数据添加时间标签,用以记录数据测量的时间;该模块在每次数据存储前,会对于之前存储的数据进行查重和分析,进而防止存储资源的浪费。测试结果表明,该数据管理策略具有稳定性强、可靠性高和运算速度快等优点。 4.在主机数据上传模块中,我们设计了一种主机数据上传处理策略,用于对分机数据管理模块发出数据的汇集、存储与上传。(1)针对分机数据管理模块数据量大、时延高等问题,设计了一种高效的数据上传云端的方案。该方案采用了分时复用的多路数据上传方式来降低数据传输中的高时延,并通过拨码的方式与各分机数据管理模块进行数据交换,然后将数据上传至云端。(2)根据环境温度和湿度对肉牛个体体温的影响,我们建立了温度和湿度对体温变化的预测模型,经过与实测值对比,我们发现该模型能够达到满意的预测效果。 综上所述,本文设计的肉牛智能测温耳标及搭建的系统具有功耗低、平稳性好、抗干扰能力强等优势,其为畜牧养殖行业提供了一种高效、精准的体温测量新方案,亦对提高畜牧养殖业疾病早发现、早治疗的能力有着一定程度上的促进作用,因而其具有广阔的应用前景。

关键词： 低功耗模数转换器   逐次逼近寄存器   电容失配校正技术   模拟校正算法   冗余电容阵列  

摘要： 逐次逼近寄存器型(Successive Apporoximation Register,SAR)ADC作为一种高精度、低功耗的模数转换器(Analog-To-Digital Converter,ADC),在各种领域中得到了广泛的应用,如通信、仪器仪表、医疗设备、汽车电子、航空航天等。相较于其他种类的ADC,SAR ADC具有数字化程度高、能量效率高、结构简单等优点,因此更能够适应先进工艺。SAR ADC在低功耗、高速、高精度等方面的矛盾性要求,也提出了一系列技术难题,研究这些难题有助于提高整个混合信号系统的性能和可靠性,推动电子技术的创新和发展。电容失配是SAR ADC的一个重要限制因素,对其精度和分辨率都会产生负面影响。如果不采取有效的电容失配校正技术,那么SAR ADC的有效位数将很难超过12 bit,即使采用更精密的电容阵列也难以有效提高其分辨率。本文的研究重点在于SAR ADC的电容失配校正技术,提出了一种基于冗余的模拟校正算法。该算法利用冗余位提取DNL误差,判断误差正负后,使用校正电容阵列对主电容阵列进行修正。本文使用MATLAB建模验证了该算法,并对其存在的缺陷进行了理论分析,包括稳定性、收敛方式和搜索范围等问题。在针对这些问题进行进一步优化后,获得了较好的校正效果。本文在28 nm工艺0.9V的电源电压下设计了一款14 bit 7 MS/s SAR ADC,对算法作进一步的验证。详细介绍了各个模块采用的电路结构,并分别进行了性能优化。最后将MATLAB校正后的电容阵列带入到原电路中进行仿真,在校正之后ADC的有效位数为12.22 bit,SNDR和SFDR分别为75.32 d B和85.01 d B。ADC核心功耗为130.5μW,Fo M值为3.9 f J/conv-step。

关键词： 油菜   施肥   随速控制   模糊PID   多线程  

摘要： 长江中下游地区是我国油菜的主产区,主要施肥方式仍多为固定转速施肥,施肥过程未充分考虑农机作业速度变化的影响,施用效率低下。针对油菜施肥作业过程中,作业速度与实际转速控制不匹配导致的肥料施用量大,施肥精量调节困难的问题,本文结合长江中下游地区油菜精量施肥的现实需求,以2BYQ-8型油菜直播机为作业平台,设计了油菜直播机施肥随速控制系统,并通过田间试验,验证该系统作业性能。主要研究内容如下:(1)开展了油菜直播机施肥随速控制系统总体方案设计。在查阅、对比分析了国内外研究文献的基础上,以实现油菜施肥作业随速控制、提高施肥精量程度为目标,确定了油菜直播机施肥随速控制系统通过测速雷达获取作业速度、高精度编码器反馈离心式排肥器转速、系统控制器闭环控制输出的系统逻辑,并开展了控制系统的总体方案设计、驱动方案设计和相关部件选型。(2)开展了油菜直播机施肥随速控制系统控制器设计。设计了控制器的硬件部分,确立了控制器内部硬件模块的组成,结合系统供电需求和实际作业情况,设计了控制内部电路和PCB,并为控制器的各个模块实现系统集成和封装,提高了控制器于田间工作的稳定性;基于模糊PID控制算法,搭建了系统控制模型,求得了系统传递函数,以实际田间施肥需求为依据,建立了模糊三参控制规则,并使用MATLAB Simulink与传统PID算法进行对比和分析,仿真结果表明模糊PID较PID算法稳态时间提前了约70%,稳态误差降低了约88%,具有较优的响应性能;设计了控制器的软件程序,结合Linux系统下多线程编程技术,通过线程通信的方式,实现控制器的硬件通信、信号解析、界面显示、人机交互以及算法处理等功能。(3)开展了油菜直播机施肥随速控制系统试验与分析。标定了测速雷达的误差范围,结合试验对比和误差数据分析,确定了测速雷达对于速度获取的精确程度,保证了控制系统速度信息输入的准确性。开展了田间随速施肥试验,静止状态系统响应试验结果表明了系统响应性能较优,以600kg/hm和1.5m/s作业速度作为参数输入,系统于2.8s实现上线,4.4s实现稳态控制,超调量6.3%,均优于传统PID算法;恒定作业速度试验表明,系统能完成较为准确速度跟随,单公顷施肥误差于4.150%～8.552%之间;动态作业速度试验下,单公顷施肥量误差于10%以下;通过三种试验结果可以看出随油菜直播机随速施肥控制系统具有良好适应性和作业性能,可实现油菜施肥的随速作业,为后续的控制系统改进和集成化研究提供了参考。