关键词： 金属氧化物气体传感器   磁控溅射   微热板   氧化锌   有限元分析  

摘要： 由于监测气体污染源和量化排放水平器件的需求量不断增加,关于气体传感器的相关研究已经引起了产业界和学术界的广泛关注。其中金属氧化物半导体气体传感器凭借出色的响应性能被广泛关注。氧化锌(ZnO)基气体传感器因其具有电荷迁移率高、化学性质稳定、无毒、以及成本低等优点成为最有前途的气体传感器之一。然而,该类气体传感器在用于检测微量气体时,存在一定的选择性差、灵敏度低、工作温度高等问题。(1)由于传感器对气体的响应明显受温度的影响,温度分布又影响器件的机械稳定性和使用寿命。因此在四悬梁臂微热板,微热板的铂加热电阻设计了等宽和变宽的两种结构,使用COMSOL软件进行有限元分析,结果表明沿悬梁臂传导的热量比较少,高温区域主要在中心位置;在相同的加热电压下变宽的微热板臂比等宽的中心温度高一些;同时优化二氧化硅和氮化硅层厚度的配比,实现最小的机械形变,制备了机械性能稳定、温度分布均匀的基板。(2)以ZnO敏感材料制作传感器,通过形貌优化、异质结构建、贵金属修饰等方法提升了传感器的气敏性能,并初步探讨了所制备传感器的气敏机理。首先,本文通过磁控溅射、涂覆法分别制备了ZnO膜材料,对其纳米结构、形貌和传感性能进行了系统的研究,并分析了气敏机理。测试结果表明,基于磁控溅射的ZnO的气体传感器的性能与市面常见的传感器相比性能更好。磁控溅射法制备了100、200、300 nm厚度ZnO构建气体传感器,200 nm厚的ZnO薄膜对甲烷响应最好,450℃的最佳工作温度下对10000 ppm甲烷响应值高达31。此外,该气体传感器重复性、响应速度、长期稳定性等性能都表现不俗。其次,使用涂覆法制作的ZnO膜,与磁控溅射相比,在低温下的响应略有提升,使用涂覆法制作的传感器,明显提高了线性度。将两种器件的结构、形貌都进行了表征,并系统分析了两种方法制作的ZnO膜对甲烷的传感性能。另外对磁控溅射的ZnO薄膜使用了金或氧化铝掺杂,并研究了掺杂ZnO的响应性能,Au的加入改善了对CO的响应。针对其气体敏感特性进行的气敏机理分析发现,单一贵金属催化异质结构可以显著提高传感器的气敏性能。结果说明,贵金属Au颗粒是一种优秀的催化增感剂。使用协同增敏机制提高纳米材料吸附和活化性。综上所述,纳米微观结构的改进、异质结构的构筑、贵金属的有效负载作用均能有效降低ZnO基气体传感器的工作温度、提高响应值、改善选择性,论文对丰富ZnO基气体传感器的理论基础研究和推进实际产业化应用提供了依据。

关键词： 微控制器   低压差线性稳压器   低静态电流   电源管理  

摘要： 降低能耗以延长电池使用寿命,是现代生活中普遍存在的便携式设备的重要需求之一,尤其针对包括智能手机、可穿戴设备、植入式医疗、以及智能物联网硬件模块等在内的远程或电池供电无线设备。而电源管理集成电路作为当今电子系统中最基本的组件,能够为电池供电设备中的核心MCU（Microcontroller Unit）提供所需电源轨与能源间的转换。由于MCU所需的节能特性,电源管理集成电路也需要更具高能效和高集成度的系统级解决方案。通过以片上低压差线性稳压器LDO（Low Dropout Linear Regulator）为核心构建的MCU电源管理系统,能够满足低功耗、易集成、快速响应与高电源电压抑制等性能需求。本文针对MCU实际应用情况,将LDO系统分为休眠与工作两种模式,并分别采用不同结构的LDO实现。其中休眠模式下采用工作在亚阈区的NMOS型两级架构LDO来提供1.1V电压输出,3V电压下静态电流为85.6n A,负载能力为100μA。该LDO在MCU休眠模式下,为其内部实时时钟和部分存储器提供工作电压,以保证MCU的实时唤醒能力;工作模式下采用PMOS型的三级架构LDO并输出1.2V电压,最大负载能力为30m A,3V电压下过冲与下冲电压均小于300m V,同时电压恢复稳定时间小于5μs。该模式下主要为MCU内部数字内核、内外部高速振荡器、各类存储器、I/O接口以及相关外设等供电。基于0.18μm的CMOS工艺设计了LDO电路系统,针对内部子模块以及整体分别进行了设计与仿真验证。为了提升系统的适用范围与灵活性,LDO系统还包含了如带隙基准、上电/掉电复位、过温保护、过流保护等其它电路模块。内部带隙基准模块可提供温度系数小于30ppm/~oC的0.9V基准电压并引入电压绝对值与分段补偿修调模块,该基准同时能够对MCU内部提供基准电流。LDO系统工作电压范围为1.8V～3.6V,上电复位与掉电复位阈值分别为1.76V与1.68V。系统休眠模式下输出电压为1.1V,静态电流为254n A;工作模式下输出电压为1.2V,静态电流为129.4μA。在整体瞬态仿真中,LDO系统在快（慢）上电过程中均能正常工作并输出稳定电压,同时在工作模式与休眠模式间进行切换直到输出电压稳定所需时间均小于50μs。该LDO系统能够满足初始设计指标,在MCU不同使用需求过程中能够迅速完成模式切换并进一步降低休眠模式功耗以提升电池使用寿命。

关键词： 高性能   逐次逼近型模数转换器   低功耗   参考电压驱动  

摘要： 高速发展的片上系统SOC(System On Chip,SOC)技术对逐次逼近型模数转换器(Successive Approximation Analog to Digital Converters,SAR ADC)提出了高性能低功耗的要求。SAR ADC中的电容型数模转换器(Digital to Analog Converters,DAC)会在转换过程中从参考电压上汲取或者馈入电荷,进而引起参考电压的抖动。然而,参考电压作为SAR ADC中量化的“标尺”,其稳定性、精度以及噪声等性能都会直接影响到SAR ADC的性能。在高速的SAR ADC中,较易集成的传统有源参考电压驱动会有很高的功率消耗,这对于低功耗的设计要求是相悖的。此外,通过外接一个大的片外解耦电容,可以来降低传统有源参考电压驱动的功率消耗,但由于开关电容的快速切换,导致参考电压的电荷馈入,造成片内参考电压的震荡。为了使参考电压快速恢复到精度的要求,需要很大片的内解耦电容来吸收电荷,这将会占用很大的片内面积,无法满足集成度的要求。高性能SAR ADC的参考电压驱动技术已成为决定SAR ADC能否实现高性能的关键技术之一。 通过分析现有参考电压驱动技术,总结出参考驱动技术受限原因是SAR ADC中参考电压上的电荷损失,从而导致参考电压的精度不准确。本文所设计的参考电压驱动采用一个独立的解耦电容作为无源参考电压驱动,避免了传统有源参考电压驱动带来的高功耗或大面积的问题,并对电荷损失进行分析和补偿,在补偿DAC驱动作用下,恢复了SAR ADC的线性度,实现一个具有面积小、逻辑简单的优化补偿DAC参考电压驱动的方案。通过Matlab基于10 bit SAR ADC的架构下仿真,采用15倍DAC阵列总电容大小的独立解耦电容作为无源参考电压驱动,并在优化补偿DAC驱动的作用下,实现了SAR ADC性能指标无杂散动态范围与信噪失真比约有20 d B与10 d B的提升,同时降低了补偿电路设计的难度。在电路模拟仿真结果中,SAR ADC的性能表现出与行为级模拟仿真结果相似的提升趋势。此外,将此方案分别拓展到12 bit与13 bit SAR ADC的架构下仿真,无杂散动态范围与信噪失真比分别有约30 d B与20 d B以上的提升,以及补偿DAC所需补偿电容数量有明显的下降。

关键词： 低功耗   逐次逼近   模数转换器   电容阵列DAC  

摘要： 模数转换器（ADC）,作为模拟信号与数字信号间的桥梁,在有线/无线通信、生物医学、测量仪器等诸多领域有着广泛的应用。然而,使用传统ADC的无线传感网络由于其ADC功耗较高的问题,导致该类设备的电池供电时间缩短,运行效率降低,需要频繁更换电池,操作较为繁琐。逐次逼近型ADC是一种热门的ADC类型,其不仅具有结构简单、易于实现、面积小、便于集成等优点,更重要的是其功耗相对较低。本文的研究目标是进一步优化逐次逼近型ADC在功耗方面的表现,主要工作如下:首先,本文对模数转换器的主流结构进行分析。为了设计性能更强的逐次逼近型ADC,横向比较了不同类型ADC的工作原理及性能参数,并阐述它们适配的应用场景。此外,为了获得低功耗的SAR ADC,本文还分析了数模转换器、保持/采样开关、比较器和逻辑控制电路的基本结构及影响性能的因素。其次,在基于共模电压(Vcm-based)开关切换策略的基础上,对DAC电容阵列结构进行改进。为减少总电容值,降低电路功耗,本文设计的DAC电容采用全差分输入结构,可以有效抑制共模干扰,并且DAC电容阵列的最后三位权重电容设计为由两个或者四个相同容值的电容串联组成。相比于Vcm-based开关切换策略,改进后的DAC电容阵列总电容值降低75%,有效降低电路功耗,且节约芯片面积。最后,在前置放大器与锁存器的基础上进行改进,从而减少了静态功耗的影响。采用新型栅压自举采样开关,保证了自举开关的栅源电压始终为恒值,且降低了开关的非线性。基于TSPC改进的逻辑控制电路,实现了信号的分频以及对DAC电容阵列开关的控制,保证了SAR ADC按照时序正常的工作。本设计基于CMOS180nm的工艺对10位的逐次逼近型模数转换器进行设计。其仿真结果为:当输入信号电压为1.8V,频率为2.890625MHz的条件下,有效位数ENOB为9.84bit,SNDR为60.98d B,SFDR为72.91d B,平均功耗为88.72μW。

关键词： 近似计算   近似压缩器   近似乘法器   图像处理  

摘要： 近年来,嵌入式设备和移动终端设备的功能逐渐复杂化和多样化,对电路功耗和电池寿命提出了挑战。加载人脸追踪、图形识别等功能的设备对精度的冗余度较高,适当降低计算精度不会影响识别准确率,且其主要计算为乘法运算,因此设计具有近似运算功能的乘法器可以有效降低系统功耗、延长使用寿命。 本文提出了两种不同精度的高能效低功耗近似乘法器(Energy-efficient and Lowpower Approximate Multiplier,ELAM)以适应不同精度需求的应用,分别为ELAM-M1和ELAM-M2。两种近似乘法器均基于进位截断技术,其中ELAM-M1乘法器基于自主设计的近似4-2压缩器,主要用于精度需求较高的应用;在该4-2压缩器基础上,本文进一步简化运算和电路复杂度,提出了近似4-1压缩器,并设计了ELAM-M2乘法器,以应用于精度需求较低的应用场景。通过分析压缩器的错误特征,提出了基于最大误差概率补偿算法,降低近似压缩器引入的误差。此外,提出了两种对应的部分积压缩策略以减少补偿算法引起的资源消耗。本文提出的近似乘法器在Nangate 45nm工艺库下进行了验证,实验结果表明,ELAM-M1与现有的近似乘法器相比有明显的精度提升;相比于精准乘法器,ELAM-M1的延时、面积、功耗以及延时功耗积分别降低了10%、7%、12%以及21%,实现了精度与硬件消耗之间的最佳平衡。ELAM-M2与精准乘法器相比,其延时、面积、功耗以及延时功耗积分别降低了16%、28%、35%以及45%,并且ELAMM2的误差分布为双边误差分布,可以缓解单边误差分布在乘累加运算中引起的错误累计。 为了进一步说明本文设计的近似乘法器的有效性,本文在图像融合和边缘检测应用场景下分别进行了验证。ELAM-M1的图像峰值信噪比(Peak Signal-To-Noise Ratio,PSNR)在两种应用中分别达到了69.55和inf,与其他高精度近似乘法器处理得到的PSNR值相比,其PSNR值提升了9%-25%。而在两种应用中使用ELAM-M2处理得到的PSNR值分别为50.23和40.61,也达到了优秀图像质量的标准。因此,提出的近似乘法器在降低计算功耗的同时,保证图像质量,在图像处理领域具有良好的应用前景。

关键词： 模数转化器   低功耗   运放共享   无采样保持运放   行为建模  

摘要： 本篇论文以无刷直流电机作为应用背景,而无刷电机稳定工作需用数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）来控制,而作为DSP中的交互桥梁——模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）,其设计至关重要。本文设计了一款12位混合结构的流水线ADC,并在ADC前端加了可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier,PGA）以提升精度。本文的主要工作包括: （1）调查研究了流水线ADC的国内外发展情况,概述了流水线ADC的工作原理,并且还分析了流水线ADC的误差来源。 （2）分析了ADC的功耗来源并从系统和电路两方面着手降低功耗,在系统层次上,缩减采样电容并将流水线ADC级数进行最优化;在电路层次上,移除采样保持电路以及相邻流水级共用一个运放,但会带来输入范围变小、孔径误差、输出冲突以及量化出错等问题,通过改进比较器结构、匹配两条信号路径、增加共享开关以及采用subranged SAR结构来解决上述问题,最后还对流水线ADC系统建模以指导电路设计。 （3）设计了一个PGA以提升ADC的精度,较原来的ADC精度,最小可分辨精度从0.8 m V变为0.03 m V,实现了16位ADC的精度。 （4）完成了ADC信号处理模块的设计,包括电路和版图设计,最后还参与了所负责模块的流片测试。 基于SMIC 40 nm工艺流片,整个ADC信号处理模块面积为1.42 mm,其中PGA模块面积为0.19 mm×0.08 mm,ADC模块面积为1.3 mm×1.08 mm。测试结果表明:3.3 V电源供电下,5.714 MS/s采样率时,无杂散动态范围为84.26 d B,信噪失真比为67.60 d B,模块功耗为45.54 m W,符合低功耗和设计指标要求。

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： 深度强化学习   NB-IoT   LoRa   资源优化   软件无线电平台  

摘要： 近年来,随着物联网时代的快速发展及普及,万物互联在未来将成为必然趋势。为了更好满足业界物联网通信需求,物联网领域延伸出多种通信技术分支。其中,低功耗广域物联网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)作为物联网一大重要分支已被广泛应用于智慧城市、智慧电表等。根据工作频段不同,LPWAN又可进一步分为授权频段和非授权频段。其中,又以授权频段下的NB-IoT和非授权频段下的LoRa瓜分了绝大部分的市场份额。 但随着业务需求的不断增加下,物联网接入设备将呈指数级增长。不管是设备数量还是业务需求的多样化,都将给通信带来不小的负担。通信资源不仅会因为设备数量的增加而遭到挤兑,因业务需求的多样化也会造成资源碎片化现象,即通信资源因资源分配策略的不当造成许多小资源碎块无法被得到利用的情况。这一现象不仅会造成网络延迟的加大,而多次的重传更会提高终端设备的能耗水平。 针对上述问题,本文提出基于深度强化学习的无线资源调度算法,拟对LPWAN下的网络资源进行优化。包括LPWAN下授权频段的NB-IoT和非授权频段下的Lo Ra。本文首先分析了LPWAN的通信特点,选取以DDQN作为算法基础,搭建了基于DDQN的LPWAN资源调度算法框架。其次,本文分别对NB-IoT和Lo Ra的上行信道进行了问题建模及虚拟通信场景的搭建,通过将资源调度算法嵌入到NB-IoT及Lo Ra的通信仿真中,实现对信道资源的分配优化。结果表明,基于DDQN的NB-IoT动态资源分配算法在资源利用率、平均传输速度、终端平均等待时延上均优于传统算法,资源利用率在稳定后相比于传统调度算法有7%左右的提升。在非授权频段Lo Ra上,所嵌入的DDQN资源调度算法相比原有的空口时间算法和距离优先算法降低了近30%的资源碰撞率,同时其总能耗也与距离优先算法相接近,从而有效的提升了Lo Ra无线网络的网关容量。在此基础上,为了进一步测试算法在实际场景下的表现,本文结合了电网企业项目研究,基于软件无线电搭建了多融合仿真通信测试平台,本文基于该平台开发了Lo Ra仿真通信场景,并进一步进行了算法的基础测试,为后续落地部署奠定基础。

关键词： 直流电机   泵电路供电   宽电源电压范围   低功耗   自适应死区时间  

摘要： 直流电机由于控制方式灵活,具有良好的启动特性和调速特性,在工业控制、智能家居、新能源汽车等众多领域得到广泛应用。直流电机驱动芯片作为直流电机控制系统中的核心部件,其性能指标关系到电机能否稳定安全运行。针对便携式电子设备中的直流电机,由于是电池供电,其电压变化范围较宽,同时满足低功耗需求,因此对直流电机驱动芯片电源电压范围和功耗的研究具有重要意义。 本文基于SMIC 0.18μm BCD工艺设计了一款宽电源电压范围、低功耗的直流电机驱动芯片,可用于小功率直流电机控制系统。该芯片采用双电源供电,逻辑电源VDD工作范围1.8～5.5 V,电机电源VM工作范围0～15 V,能够实现PWM和PH/EN两种控制模式,分别控制H桥的不同工作状态,同时芯片还提供低功耗睡眠模式。芯片包括电源电路、泵电路、栅极驱动电路、自适应死区电路、保护电路、H桥电路等模块。 本文采用薄栅氧N型LDMOS管作为H桥的功率管,相同尺寸下,与P型LDMOS相比具有更强的电流驱动能力。为了拓宽电机驱动芯片的电源电压范围,本文设计了新型的栅极驱动电路供电方式,采用高效率泵电路,使驱动芯片保证功率管在低压下仍具有较低的导通电阻和较大的输出驱动电流,在高压情况下功率管栅源不会击穿。为了降低电机驱动芯片的功耗,本文设计了泵电路时钟控制电路,泵电路只在其所控制的功率管需要导通时才工作,减少了泵电路的工作时间。由于传统固定死区时间电路存在死区时间设置过长,能量损耗过大等问题,本文设计了一种自适应死区时间电路,通过检测高、低边功率管栅极电压是否下降到“0”,作为另一个功率管导通的必要条件,实现死区时间的自适应调节,提高功率管的转换效率。芯片中的保护电路包括欠压保护电路、过温保护电路和过流保护电路,对电机驱动芯片的工作状态进行检测,保证芯片正常稳定的工作。 利用Cadence软件完成电机驱动芯片的电路与版图设计,并对关键指标进行前后仿真对比。仿真结果表明,典型情况下,芯片内部半桥高边+低边功率管的导通阻抗为219.6 mΩ,睡眠模式下功耗为28.71 nA,输入50 KHz PWM信号时的静态功耗为934μA,高边管关闭死区时间为132 ns,低边管关闭死区时间7 ns。在低电源电压下,功率管栅极电压高于现有供电方式。综上所述,本文设计的电机驱动芯片满足宽电源电压范围和低功耗的性能设计要求。

关键词： 超再生接收机   低噪声放大器   包络检波   低功耗   接收芯片  

摘要： 物联网技术的出现使得人-物交互、物-物交互成为可能,近几年来物联网技术的不断发展在很大程度上改变了人们的工作和生活方式,为人们提供便利的同时也为信息技术的发展趋势指明了新的方向。无线通信技术作为物联网的核心技术之一,射频、蓝牙、wi-fi和红外等无线通信技术被广泛应用到生活中。与其他技术手段相比,射频技术凭借其原理简单易于实现、通信距离远、抗干扰能力强以及成本低廉等优势,成为消费类电子产品的主要通讯方式。 本文研究和设计了一颗基于CMOS工艺的sub1G无线接收芯片,芯片主要工作频率为315 MHz或433 MHz,主要面向玩具遥控车、小家电控制以及电动车防盗的消费电子市场。相较于目前市场上已有的无线接收机芯片,论文设计的芯片无需外接晶振,无需外接高精度电容电感,外围只需要一个普通电感,通过控制电容阵列中的电容是否接入振荡电路来改变接收机工作频率,可通过MCU自主完成频率校准工作,无需人工校准,大大提升此类芯片使用的便捷性。考虑到工程应用低成本、低功耗的要求,芯片整体采用超再生接收机结构,内部主要模块包括带隙基准、低压差线性稳压器、低噪声放大器、超再生振荡电路、包络检波电路、猝熄电路以及电容阵列等模块。 芯片工艺采用0.5μm CMOS工艺,整体芯片版图面积为805μm*582μm,使用电路仿真软件Virtuoso完成仿真及版图设计。实物芯片测试数据显示,在5 V电源电压工作条件下,能够通过电容阵列对芯片工作频率进行校频,315 MHz对应校频范围为38 MHz,433 MHz对应校频范围为43 MHz,接收灵敏度为-90 dBm,接收距离约为50-60 m,正常工作时工作电流为2.5-2.8 mA,能够满足工程应用的要求。