关键词： 模数转换器   动态元素匹配   低功耗设计   脑电信号处理  

摘要： 在传感器接口电路、生物医学信号处理和音频应用中经常处理低频信号，且带宽低于 1kHz。这些低频信号的摆幅可能是几 μV 也可能是几 V，因此需要应用高动态范围（Dynamic Range，DR）（大于 120dB，即 20 位分辨率）和高线性度的模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）。由于这些应用中有许多涉及电池供电系统，如可穿戴医疗设备、便携式仪器等医疗电子产品，其中的 ADC 应具有极高的能源效率，并且功耗低于 1mW。传统类型的 ADC 已无法兼顾精度与功耗，因此对于高精度、低功耗的 ADC 研究越来越重要。　　因此本文设计一种应用于脑电信号处理的低带宽（＜1kHz）的高精度、低功耗的动态 Zoom ADC，主要由高速的异步逐次逼近（SAR）ADC 和全差分ΣΔ ADC 组成。SAR ADC 作为粗量化 ADC，动态调整Σ? 调制器的参考电压。通过调节过量程因数，避免调制器过载，使输入信号一直处在参考电压范围内。ΣΔ ADC 作为细量化 ADC，其输出的结果为整体输出的低位，决定整体ADC的转换精度。电容阵列采用开关电容结构，结合动态元素匹配（Dynamic Element Match，DEM）方法，改善电容阵列的线性度，对失配有一阶整形效果，完成 5bits 的 DAC 设计。ΣΔ 调制器选择二阶前馈求和积分器级联结构（Cascade of Integrators Feedback，CIFF）。由于粗转换的存在，对积分器中运放要求不高，因此采用基于反相器的共源共栅放大器，可以将电流全部贡献给带宽，第一级积分器输入端加入相关双采样技术（Correlated Double Sampling，CDS）减小运放的 1/f 噪声和直流失配。　　本文使用 MATLAB 软件搭建整体 ADC 的 Simulink 模型，确定系统方案并验证可行性;考虑非理想因素对精度的影响，确定各个模块的指标;最后，根据系统仿真结果，确定电路结构。本设计基于 1P6M 0.18μm CMOS 工艺对 Zoom ADC 进行电路设计、仿真并完成整体版图，版图面积为0.5mm2。在3.3V电源电压下，采样频率为1MHz，输入信号带宽为1kHz，共模电压为1.65V，差模电压为2V时，整体输出信噪比为134.4dB，有效位数为22.04bits，整体功耗为0.99mW。

关键词： 脉冲超宽带   发射机   非对称包络脉冲   功放   压控振荡器  

摘要： 物联网短距无线通信的需求迅速膨胀,超宽带技术以低功耗和高数据率的性能脱颖而出。脉冲超宽带技术抗多径效应好,凭借纳秒级级脉冲可以获得较高测距和定位精度,系统复杂度低,系统功耗低,相较于调频超宽带具有显著优势,在通信和测距系统中应用广泛。 本文针对混合型脉冲超宽带发射机创新性地提出了非对称包络脉冲信号,并采用跳频技术提高链路裕量,详细介绍了系统结构、电路实现和仿真结果,并基于65nm工艺正在进行流片验证。核心整体版图面积470μm x 460μm,后仿真结果显示,最大数据率达到500Mbs,能量效率达到11.5p J/bit。设计的发射机采用混合型结构,功耗低、鲁棒性强,混合型结构的发射机结合了基于模拟滤波器和延时链结构发射机的优点,数字包络信号与载波混频。通过动态控制功率放大器的数量生成所需要的对称形状,结构简单,对工艺角波动不敏感,并且功耗较低。本文提出非对称包络脉冲,打破了方波包络信号和三角波包络信号的折中关系,它具有陡峭的上升沿和缓慢的下降沿,因此具有较高的测距精度和较好的码间串扰的性能。在低数据率通信时提高链路裕量。使用跳频技术,使用12个80MHz带宽的相互重叠的子频带,打破了电源电压限制,提高链路裕量,提高超宽带通信系统的通信距离。 本文针对低功耗超宽带发射机系统,设计了在低电源电压下工作的关键电路模块压控振荡器和功率放大器。E类功率放大器采用差分结构滤除偶次谐波,基于变压器实现了7-9GHz超宽带频段的匹配,在0.5V电源电压下实现了3.7m W的最大输出功率、最大0.5d Bm的最大输出功率和30.3%的效率,实现了三档输出功率以适用于不同数据率的超宽带发射机。F类振荡器基于2:1变压器在基频和三次谐波处实现了阻抗峰值,实现了类似于方波的电压输出波形,具有良好的相位噪声性能。本文设计的F类压控振荡器工作在0.5V极低电源电压下,以7.6m W的功耗覆盖了7.75-8.25GHz的超宽带频段,1MHz频偏处相位噪声达到-118dBc/Hz。

关键词： LoRa   跨协议通信   工作模式   前导码   同步检验  

摘要： 随着计算机和物联网的不断发展,工作在同一频段的异构无线网络日益增多。为使得遵循不同通信协议的无线技术之间消除彼此干扰以及实现信息交互,跨协议通信(Cross-Technology Communication,CTC)应际而生。远距离无线电(Long Range Radio,LoRa)作为主流前沿的物联网通信技术,实现LoRa与其他无线技术之间的跨协议通信尤为重要。面向LoRa与其他同频段无线技术的通信需求,该文针对两路LoRa信号交织通过信号包络传递信息展开研究。该文的主要研究工作如下:首先,该文在LoRa跨协议通信系统背景下,结合LoRaWAN三种标准工作模式,提出在发送端和接收端之间存在的单方向性问题,并且基于质数的数学性质在发送端进行完备的时隙设计。该周期性设计相比持续发射降低功耗88.2%,数据包冲突率降低51.1%。此外,该质数周期时隙设计理论上能在多接收端情况下保证100%的接收端覆盖率,保证每个接收端都能成功接收到跨协议信号。其次,该文根据两路LoRa信号频率差等于复合信号包络频率这一数学依据,通过在时域上实现异种码元对齐,从而产生和同种码元对齐截然不同的信号特征。该文调整信号的可调前导序列数量,分析产生异种码元对齐的不同条件并从中选取最优方案。根据不同信号特征在接收端对复合信号的时域同步进行检验,并且根据接收情况对同步进行修正。最后,该文基于商用LoRa节点SX1278Z-TR4以及软件自定义无线电平台USRP N210搭建原型系统,对该文提出的LoRa跨协议通信系统设计方案进行验证和测试。实验结果表明,具备质数时隙设计的发射端相比随机发射或非质数周期具有更低的功耗、更高的覆盖度和更低的包冲突率。通过设计信号序列数量产生的异种码元对齐所具备的特殊特征和同种码元对齐时的特征具有显著区别,据此可以作为信号同步的判别依据。

摘要： 传闻2中国向俄罗斯禁运龙芯。求证：不属实。近日，有投资者咨询龙芯中科(688047)：“有报道称中国向俄罗斯禁运龙芯，请问是否属实？”对此，龙芯中科进行了否认。龙芯中科回复称，公司暂未收到禁运的通知。龙芯中科成立于2008年，前身出自中科院计算机所，2021年开始市场化运作，2022年6月在科创板上市。

关键词： 锁相环   自匹配电荷泵   动态偏置   寄生参数   图神经网络   长程链路插入  

摘要： 频率综合器是无线通信领域中的重要模块,当前的主流设计普遍采用数模混合锁相环(电荷泵锁相环)或全数字锁相环实现。为了降低整体电路运行功耗,降低工作电压是主要的技术途径之一;而低电压场景下要保证锁相环电路正常工作,且确保低相位噪声等性能指标,就对电路参数的设计优化提出了更高的要求。同时,为充分考虑寄生效应对电路性能的影响,需要反复进行后仿真、电路参数调节和版图重新规划的迭代,这对解决锁相环电路设计的优化收益与设计敏捷性之间矛盾提出了更大的挑战。 鉴于以上问题,本文聚焦低功耗锁相环的优化设计以及基于寄生参数预测的优化设计方法研究。本文的主要研究工作与创新点有:○1提出了模块电路自匹配、预分频器动态钟控及模块间自适应等设计方法,有效降低了锁相环功耗。在电荷泵设计中,设计了一种自匹配结构,配合轨对轨运放以减小失配;在分频器设计中,使用一种动态钟控结构,优化现有的2/3预分频器结构,实现了动态功耗的降低和高频下的有效收敛;在压控振荡器中,设计了一种动态衬底偏置结构,实现了C类压控振荡器设计,实现低电压起振和开环状态下的低相噪输出;使用随机序列生成器,设计了一类最大周期小数调制器,实现三阶噪声整形。○2面向锁相环电路敏捷设计需求开展寄生参数预测研究,针对电路中对耦合效应敏感的器件和复杂的线网分布,提出了基于随机长程耦合机制和有向图补充的预测模型,较好解决了训练过程中对耦合效应缺乏认知而造成的错误过拟合,提升了模型准确性。○3基于所提出的版图设计前寄生参数预测模型,针对前仿设计参数优化与后仿性能验证反复迭代的收敛问题,提出了一种基于寄生参数预测的改进模拟电路优化设计方法及流程,并以低功耗锁相环电路的参数优化为例,验证了该方法的有效性。 基于40 nm工艺,完成了一款用于BLE4.0蓝牙通信应用的小数分频锁相环电路设计和验证,在整数-N模式下,锁相环的相位噪声实测为-116.39 d Bc/Hz@1MHz和-86.7d Bc/Hz@100k Hz;在小数-N模式下,锁相环的相位噪声为-109.18 d Bc/Hz@1MHz和-85.94d Bc/Hz@100k Hz,该锁相环电路在0.7 V电源下的总功耗为1.6 m W,其中可编程分频器和电荷泵分别消耗0.163 m W和0.161 m W。本文寄生参数预测模型使用Pytorch和DGL框架实现,并且使用多个既有电路的数据进行训练和拟合,使用基于40 nm工艺设计的多种常用模拟集成电路的电路图和对应版图(包括运算放大器、比较器、间隙基准、低噪声放大器、电荷泵等)进行寄生参数预测精确度验证,均方误差小于1.83%,决定系数R2为0.89。针对锁相环电路中的压控振荡器模块,使用基于寄生参数预测的设计方法与传统的基于后仿真设计迭代的方法相比,首次版图设计下,压控振荡器的相邻频带混叠度优化提升2.1%,电荷泵的失调时间控制从82ps降低到70ps,完成相同的设计优化任务,所需平均迭代时间开销降低到原有方法的1/4。

关键词： 电阻式气体传感器   NO2   微观调控   室温检测   自供电  

摘要： 现代工业进步推动了应用于环境监测和安全检测的气体传感器的发展。传统的电阻式气体传感器存在功耗大、检测限高等缺点,借助金属氧化物与石墨烯的结合可以提高气体传感器的传感性能,然而其表面活性和传感特性尚未得到充分的利用,增强的室温气敏性能强烈依赖于材料的微观结构。为了得到理想的气体传感性能,实现低功耗、高性能的气体检测,必须进行精心的研究设计。本论文以Co3O4和石墨烯为主要研究对象,通过对材料的微观调控,研究其微观结构对气敏性能的影响,设计摩擦纳米发电机（TENG）的结构并利用其作用,在提高气敏性能的基础上,分别实现了对NO2的室温优异性能检测以及自供电检测。 本文的主要研究内容包括: 1、以金属有机骨架（MOFs）为前驱体,采用简单水热法制备在RGO表面包覆聚吡咯（PPy）的多孔超微Co3O4纳米晶体（Co3O4/PPy/RGO）。在室温条件下,基于Co3O4/PPy/RGO传感器的灵敏度及稳定性均优于PPy/RGO与Co3O4/RGO,与PPy/RGO和Co3O4/RGO相比,Co3O4/PPy/RGO具有较大的比表面积(108.4 m2 g-1)和多孔结构(孔径12.8 nm,孔体积0.4 cm3 g-1),有利于表面反应的进行和气体渗透,可作为灵敏的室温NO2气体传感器的传感材料,为MOFs衍生的大孔径、大表面积室温传感材料的设计提供了一种有效的策略。 2、通过简单的水热法和O2等离子体刻蚀的方法,制备了基于Co3O4-RGO气体传感器。经研究发现,基于Co3O4-RGO气体传感器的传感性能强烈依赖于气敏材料表面氧空位（OVs）的控制,基于Co3O4-RGO-60W气体传感器在室温下对20 ppm NO2的灵敏度最高（72.36%）。与Co3O4-RGO相比,O2等离子体刻蚀Co3O4-RGO-60W对NO2的吸附性能更佳,Co3O4纳米晶体（NCs）尺寸更小,比表面积、孔径更大,OVs更多。特别是OVs使NCs表面具有独特的化学状态,可以增加活性位点,改善对NO2的吸附性能。此外,p-p异质结（Co3O4和RGO）的影响和N原子的掺杂有助于改善NO2的检测性能。实现了室温条件下对NO2气体的低功耗监测。 （3）分析了TENG的不同摩擦电极在接触-分离时电子的产生及流动方向,借助TENG能够将外界的机械能转化为电能的作用,实现了基于MXene-SnO2与基于SnO2-RGO的气体传感器对NO2的自供电检测。

关键词： 物联网技术   边坡灾害监测   阈值报警   4G模块   JY901传感器   低功耗  

摘要： 我国地形复杂,滑坡、泥石流、塌方等地质灾害频繁且严重,高等级公路的建设发展迅速,但随之带来的边坡灾害也在增多,给公路的安全运行带来了巨大风险。因此,本文设计了基于物联网技术的边坡灾害监测系统,通过公路边坡监测点倾斜角度变化对边坡安全进行评判与阈值报警,防止灾害扩大,减少人员伤亡和财产损失。针对数据的定时采集、传输、分析、管理和报警一些关键性技术问题进行研究,提出了一种集成化的监测报警系统,主要工作如下:1、以JY901传感器为基础,通过STM32F103C8T6单片机定时采集边坡监测点的角度值并对角度的变化量做出阈值判定。监测设备铺设以后将X、Y轴角度置零,安全阈值角度范围设为±3°,超出阈值范围则判定该边坡可能发生了地质灾害,通过4G模块利用TCP协议将数据上传至上位机进行报警。针对电路与PCB进行了抗干扰设计,并对数据进行滤波处理,使其可以稳定地实现角度数据、电池电压的采集。2、系统采用7.4V锂电池进行供电,每十分钟采集一组监测点的角度信息并做阈值判定:超出阈值则进行上传,在阈值范围内则将数据储存,采集六次即一小时后测量一次电池电量信息并启动4G模块将采集到的数据全部上传。JY901传感器、ADC电压测量电路和4G模块在采集和上传完成后通过软件控制使其关断,此时STM32F103C8T6单片机处于停止模式并等待下一次闹钟唤醒。3、设计了上位机软件,通过socket来获取数据,对数据进行实时处理和分析,并对上传的每组角度数据进行安全阈值判定,超出阈值则进行灾害报警,并通过多窗体设计直观、清晰地展示数据和数据分析结果。使用log4net给该项目添加日志功能,将下位机各点所上传的信息以文本的形式进行保存,以便工作人员进行查看分析。系统测试实验结果表明,监测设备可以稳定运行和进行灾害报警,其功能与性能均可以满足设计要求,所用供电电池电量可以使监测设备持续工作在一年及以上。

关键词： 可视智能锁   图像处理   行人检测   YOLOv5算法   近场通信  

摘要： 随着社会的不断发展和科技的飞速进步，智能锁已经成为家庭安防中不可或缺的一部分。然而目前市场上现有的智能锁功能单一、固定且待机时间较短，不能满足客户的不同需求，特别是不能对长时间停留在智能锁前的行人进行整个的检测和抓拍。因此，我们设计了一款多功能低功耗的可视智能锁来满足市场上不同客户的需求。此款智能锁有密码、指纹识别、近场通信（NFC）、手机蓝牙等多种开锁方式，同时采用了两种不同的供电方式来延长其工作时间：视频模块使用锂电池供电，主板模块使用干电池供电并通过搭载的锂电池进行应急供电。我们使用开关电路和各个模块的信号作为基础设计实现了低功耗功能。此外，一旦有行人在智能锁前的监控区域内逗留一定时间，智能锁就开始工作，实现行人检测和抓拍。所有抓拍结果都会上传到云端保存，以保障用户家庭安全。本文所做的主要工作如下：　　1、智能锁的硬件设计，重点设计了视频板和主板的硬件电路。视频板以豪威科技OS02G10图像传感器，星宸科技SSC335数字信号处理器为主，并配以Wi-Fi模块Hi3861L进行无线网络通信;主板采用CCM4202S作为微控制单元。完成了这两块单板的电路原理图以及对应的印刷电路板的设计，并对最终制作完成的单板进行测试，确保其正常工作。　　2、行人检测算法的实现，以目前主流的行人检测算法YOLO（YouOnlyLookOnce）系列中的YOLOv5为基础，实现了行人检测功能。对校园、公司、医院、酒店等场景进行拍照并统计行人的识别率，验证了该算法的可行性和可靠性。　　3、智能锁的各项功能测试。测试了智能锁的指纹、近场通信（NFC）、密码以及蓝牙开锁功能，并对智能锁进行了射频测试、高低温测试、电磁兼容（EMC）测试。对智能锁的功耗进行了理论计算并检测了其实际待机天数。最后对智能锁的行人检测和抓拍功能进行了展示。　　通过以上工作，本文成功实现了智能锁的功能多样化和低功耗设计，满足了不同用户对于智能锁的需求，同时提高了用户居家安全性。这为后续智能锁的研究和设计提供了更广阔的空间。

关键词： WM-Bus   无线抄表系统   超声计量技术   时差法   低功耗  

摘要： 随着社会和经济的发展,水务行业的智能化需求日益增长,水表作为智慧水务系统的眼睛,也在随着科技的进步逐渐的往智能化发展,传统的人工抄表方式也就不再能满足人们的需求。为了提高供水管网数据采集与传输效率,解决城市用水量日益增长带来的水资源节约和管理需求,本文设计了基于WM-Bus(Wireless Meter Bus)的无线抄表系统,用于供水管网数据的精确采集和远程无线抄表。基于WM-Bus的无线抄表系统采用了WM-Bus无线通信技术和超声计量技术相结合的设计思路,该系统由智能水表终端、集中器和综合抄表平台组成,对应物联网三层系统架构。智能水表终端选择低功耗的STM32L073VZT6芯片作为主控单片机进行设计,控制由TDC-GP22芯片和换能器组成的超声计量电路检测超声信号,并使用卡尔曼滤波算法对数据进行处理,获取稳定的测量数据,再通过时差法进行流量数据计算。集中器使用STM32L433CCU6芯片作为核心,通过WM-Bus和4G通信技术对上下行通道的数据和行为进行处理和控制,是系统通信连接的桥梁。WM-Bus无线通信模块使用TI公司的CC1350单芯片方案,基于WM-Bus的星型网络结构采用终端主动上报的组网方式进行组网通信,并对WM-Bus通信协议进行设计,实现有效的数据抄读和后期维护功能。WM-Bus无线通信模块使用T模式或C模式的工作模式进行周期性的数据上报,通信工作频段为433MHz。综合抄表平台以Web网页管理系统的形式实现,用户可以通过网页登录综合抄表平台,并实时查看智能水表终端的用水数据和信息。为了安装和使用的便利,智能水表终端采用锂亚电池进行供电,所以硬件功耗也是系统设计需要重要考量的问题。主要方案是通过选择具有低功耗工作模式的主要芯片,对没有低功耗工作模式的主要电路进行电源控制电路设计,并在软件上控制芯片工作在低功耗模式和关闭不使用的电路电源,从而实现低功耗设计。最后,通过根据设计方案搭建完整的无线抄表系统和实验环境,对系统的计量采集性能、无线抄表功能、智能水表终端硬件功耗以及系统应用功能进行测试。测试结果表明,智能水表终端的计量性能达到国家标准1级精度要求;WM-Bus能够有效、可靠的读取数据并传输,通信距离较远;硬件功耗低,电池寿命可达十几年;系统运行良好,达到了预期目标,能够实现对城市用户用水数据的精确采集和无线抄表,具有实时性高和安全可靠等特点。

关键词： 低压差线性稳压器   电路设计   功耗控制   瞬态快速响应   移动终端  

摘要： 随着万物互联时代的深化，为无线技术应用提供了新一轮的发展机遇。根据数据显示，全球2023年WiFi芯片的出货数量预计达到50亿颗，在这其中射频发射模块占据着核心地位。而作为电源管理芯片中具有结构简易，低成本，低功耗，输出电压稳定等特点的LDO（Low-DropoutRegulator）广泛应用在微电子系统中。因此设计为移动终端供电用的功耗低、带载能力强，瞬态响应迅速的低压差线性稳压器，具有极大的市场价值和较高的科研价值。　　本文通过介绍LDO的基本原理，在无片外电容LDO的基础下，对LDO各项性能参数对比和分析。提出一款具有低功耗且快速瞬态响应、输出电压精度高的LDO电路。首先对LDO的瞬态响应和频率稳定性方面分别介绍了三类方法，经过对比分析，提出一种基于ClassAB结构的瞬态增强电路，将其放置在第二级的源极跟随器和功率晶体管之间。在不显著增加整体电路的功耗条件下，一方面，该电路加快了功率晶体管栅极处的充放电速度，对负载端轻载和重载的切换时的建立时间和输出电压产生上冲与下冲现象时，有效缩短其建立时间，改善输出电压上冲和下冲现象。另一方面，在一定带宽范围内，通过结合Miller补偿的方式将主次极点进一步分离，提高LDO环路稳定性，并且提升电源电压纹波抑制能力。设计了一种具备低功耗的带隙基准电路，在已有的cascode结构基础下，提出带三级cascode结构的带隙基准电路，进一步提升整体系统PSRR特性。通过研究和分析在低功耗和生产良率的折中下，保证设计的带隙电路的管子不进入亚阈值区，对带隙基准电路的管子的尺寸和比例进行优化实现低功耗的性能指标。　　通过上述分析与研究，本文基于GF_CMOS_SOI—0.13um工艺，设计了一款应用于移动终端具有低功耗且瞬态快速响应的LDO电路，设计的芯片总面积为540um*1350um，其中模拟板块面积为540um*560um，输入电压范围为3.1V—5V。仿真结果显示，输出电压为2.812V，满载下的压差电压为198mV。温漂为15.04ppm/℃。低频下LDO的环路增益为92dB，相位裕度为61deg，系统单位增益带宽在2.5MHz左右。低频下LDO的PSRR为-61dB。负载电流在0-60mA范围下的负载调整率为0.15mV/mA。设计的低功耗带隙基准电路在tt工艺角下静态电流小于5uA，在整体电路空载时静态电流不超过90uA的基础下，进行轻载到满载切换，提出的基于ClassAB结构瞬态增强电路，抑制了54%的上冲电压，提升了43%的下冲电压，瞬态响应恢复时间均在1.25us以内。经过流片验证后，得到的测试结果显示，LDO的输出电压为2.84V，负载调整率为0.2mV/mA，温度漂移系数为27.08ppm。测试结果表明芯片整体性能良好，具备一定的实用性。　　提出的应用于移动终端的LDO电路具有低功耗且较好的瞬态快速响应，比较高的输出电压精度和环路稳定性。