关键词： 宽输入   低功耗   低压差线性稳压器   瞬态响应  

摘要： 随着电子设备更新换代,电源管理芯片需要兼容更多不同的应用场景中的不同的直流母线电压,于是电源管理芯片能否处理更宽范围的输入电压成为了一个重要的性能指标。此外,随着国内电池技术和传感器的普及和发展,电池容量有限与电路功能复杂化的矛盾愈发严重,对低功耗电路设计提出了很高的要求。为了应对上述需求,本文针对电源管理低压差线性稳压器(LDO)芯片,在宽输入、低功耗电路设计方面展开研究。宽输入及低功耗电路设计的难点为:电路稳定性差、响应速度慢。为了解决传统宽输入低功耗LDO稳定性差的问题,本文采用了嵌套弥勒补偿、动态零点补偿、电容-电阻对补偿等补偿方案,使全负载条件、全温区的典型相位裕度达到40°左右,最劣相位裕度达到30°。针对传统宽输入低功耗LDO响应速度慢的问题,本文提出了一种新型瞬态响应加速结构,通过快速检测输出电压的上冲/下冲来增大功率管栅极驱动电流,实现快速响应。在此基础上,本文基于华宏0.35μm BCD工艺完成了一款具有欠压保护、过流保护、过温保护、反向保护功能的宽输入低功耗LDO芯片的全电路设计和全面仿真。仿真结果显示,该LDO可以实现2.7V-24V的宽输入电压范围和1.8μA的超低典型静态电流,输出电压范围为1.2V-5V,最大输出电流达到150m A。在-60℃～130℃的全温区范围、全输入输出电压范围、全负载范围、全工艺角的条件下,该LDO的低频环路增益不低于65d B,环路相位裕度不低于30°。在输入2.7V、输出1.2V,负载电流在10ns内在10n A与50m A之间切换的负载瞬态仿真条件下,该LDO的下冲电压和过冲电压分别为32m V和30m V,比德州仪器公司的TPS70933产品分别降低了89%和67%,下冲恢复时间和上冲恢复时间分别为0.69ms和0.91ms,与德州仪器公司的TPS70933比较分别增加了0.44ms和减小了39.1ms,验证了本文提出的瞬态响应加速结构的有效性。

关键词： 低功耗   SRAM   近阈值/亚阈值电压   读稳定  

摘要： 在物联网应用等能源受限的场景中,降低电源电压是减小能耗的有效方法。随着集成技术进步,愈发激进的电源电压缩放使得研究人员将注意力集中在近阈值/亚阈值电压下的设计上。大幅降低电源电压可以提高能源效率,但同时也会影响电路的鲁棒性,甚至可能导致系统发生故障。因此,在低功耗设计中,需要在保持较低的最低工作电压(VDDMIN),实现最高能源效率的同时考虑电路的性能和稳定性。 静态随机存取存储器（Static Random Access Memory,SRAM）作为片上系统（System on a Chip,So C）重要的组成部分一直以来都是低功耗设计的瓶颈。为节省面积,SRAM通常采用更严格的DRC规则和最小尺寸的晶体管。因此,在近阈值/亚阈值电压下,SRAM受工艺、电压、温度（Process Voltage Temperature,PVT）波动的影响难以维持正常的读/写功能。8管SRAM单元实现了读写解耦,但PVT波动的影响下近阈值/亚阈值SRAM的读稳定性仍面临挑战。本文通过分析8管SRAM位线放电过程来确定影响位线放电的因素。然后,通过分析读延时分布以及读窗口分布,本文提出了基于泄漏延时的脉冲计数型时序校准方案。该方案通过量化泄漏延时来配置合适的读操作时序,使得SRAM能在当前PVT条件下工作在合适的频率,并大幅降低VDDMIN。最后,本文还提出了一个新型的单端偏移抵消敏感放大器以应对近阈值/亚阈值敏感放大器采样的挑战。 本文使用TSMC 28nm CMOS工艺对采用了上述时序校正方案和敏感放大器结构的256×64 SRAM存储器阵列进行了电路设计和版图设计,并完成了后仿验证。仿真结果表明,在0.25V电压下,该系统实现稳定读写功能,读取延迟为1.11μs。与其他的近阈值/亚阈值SRAM设计相比,本文在0.25V电源电压下的读延时减小三分之一。在0.4V电压下,存储器达到最低能耗点,每次读取所需能量为1.69pJ。与传统8T SRAM存储器相比,本文的最低工作电压下降了0.16V。在0.45V时,本文所设计的存储器综合性能达到最佳。

关键词： 微动勘探   信号采集系统   上位机   多线程   TCP/IP  

摘要： 随着城市化进程的不断推进,地下空间的开发利用也逐步成为城市化工作重心内容,那么对城市地下空间的地质现状的研究及开发手段自然成为关注的焦点及热门研究方向。常规的地球物理勘探技术有钻孔、高密度电法、浅层地震反射法等,而这些传统方法在城市环境中有一定的局限性和不足,如成本较高,电磁干扰,或对城市地表有一定的破坏。微动探测技术作为一种新型勘探技术,已经逐渐成为地质勘查的重要手段,该技术从城市背景噪声中提取出有效信息,不破坏现有场地,抗干扰能力强,非常符合城市地下空间的探测需求。高质量的数据是微动资料反演结果正确的前提,而目前进行微动勘探作业时主要使用通用的地震数据采集仪器,成本较高,功能冗余,因此,本文设计开发了一套操作便捷、采集效率高、可靠性高的智能微动信号采集系统,专用于进行微动勘探数据采集。本文在调研微动勘探技术原理、勘探流程以及当前主流的采集系统后,总结出智能微动信号采集系统需求,并对系统框架进行了总体设计。本系统由上位机,采集器和云服务器三部分构成,为了解决传统地震数据采集系统的缆线成本高、布设麻烦等问题,本系统采用分布式离线采集方式收集信号数据,由一个上位机控制多个采集器,在下达任务后采集器能够独立进行采集作业;为了提高数据传输的可靠性,基于TCP协议之上设计了自定义的应用层协议,通过该协议格式实现三者之间的可靠传输与通信。上位机通过socket和多线程技术相结合实现对多个采集器连接通信与并行处理,提高了传输效率,同时实现了工程管理模块、指令交互模块、数据处理及可视化模块,其中数据处理包括数据存储、频谱分析、FIR滤波以及数据重采样。采集器采用STM32F429芯片作为控制器,将采集任务配置参数保存至SD卡中,配合AD7177模数转换器以及GPS模块在无连接的情况下独立完成采集任务。本系统搭建了阿里云轻量应用服务器,基于集合与哈希表实现中转站功能,完成远程连接,并利用心跳包管理已保存的信息,防止内存泄漏。最后,对采集系统搭建测试环境并验证各功能模块,实验结果表明,系统各功能模块能够正常运行,实现数据的稳定采集、存储、传输、处理以及可视化。

关键词： 多靶标奶样检测   胶体金免疫层析   图像处理   多线程   上位机软件  

摘要： 随着人们生活水平的不断提高,牛奶逐渐成为人们生活中日常食品之一,中国乳及乳制品的消费需求也在日益增长。但近年来,有关乳及乳制品的安全问题时有发生,其中药物残留属于食品安全问题的重要议题之一。目前关于奶样中药物残留的检测,常使用胶体金免疫层析试纸条检测方法,然而当前的奶样检测大多通过人工操作、人工判读等耗时、易误判的方式来完成,这对于日渐增大的检测需求量来说,无疑是低效的。因此为了解决这类问题,本论文设计了一款应用于全自动牛奶奶样多靶标检测系统的上位机软件,搭配的图像识别算法能准确高效地完成奶样的多靶标检测,最终实现高通量、高效率、高精准度的奶样检测全自动化处理。 主要工作内容和研究成果如下: 1.本论文基于模块化设计思想,结合了检测系统的机械结构和实验流程,将系统软件按功能拆分为图像处理模块、时序模块、数据库模块、用户交互模块以及通讯模块,在此基础上完成了软件的总体设计。 2.本论文分析了检测系统的检测对象特点以及用户的使用场景,将各类需求抽象成实体类,完成了数据库表的建立,并设计了一套能满足软件所需的数据库操作函数接口,实现了软件的数据管理。 3.本论文分析了多靶标胶体金检测试剂卡图像的特点,设计了一套基于K均值聚类的多靶标胶体金检测试剂卡图像检测算法,成功提取到了试剂卡上的检测信息,并设计了图像识别接口,供软件检测使用。 4.本论文对多线程编程技术进行研究,分析了奶样检测系统各模块的运动模型,设计出一套能高效完成奶样检测全流程的多线程控制时序。该时序充分配合仪器硬件和机械设计,检测通量高达24样本/小时、384测试/小时,检测效率优于奶样检测领域绝大部分的胶体金检测分析仪。 5.本论文实现了软件通讯模块和用户交互模块的功能,同时完成软件各模块的测试,包括界面功能测试、时序测试、软硬件联调测试,并对整个检测系统进行性能验证。依据行标,使用质控条对系统进行重复性测试、线性测试、稳定性测试、分辨率测试、准确度测试以及多靶标项目测试。结果表明,重复性测试CV值均小于3%,线性相关系数为0.99826,稳定性测试相对极差均小于5%,分辨率测试、准确度测试与多靶标项目测试均符合要求。最终本课题设计的上位机软件满足设计需求,并且检测系统的性能测试结果均优于行标。

关键词： CMOS温度传感器   低功耗   电压补偿   亚阈值区电流   浅槽隔离效应  

摘要： 随着科学技术的快速发展和社会发展水平的不断提高,半导体器件性能的不断研究和突破,使得相同面积上电路的集成度越来越高,导致整个电路的温度不均匀性问题不断增加。由此可知,温度传感器对于现代高性能微处理器和片上系统的温度管理越来越重要。通常数十个温度传感器会安装在同一颗芯片上,用于实时冷点和热点检测。在不同应用条件下温度传感器对应不同的性能要求,如在工业控制领域,传感器应该具有宽量程指标,对感温精度的需求却较为宽泛;在智能可穿戴消费电子领域,传感器应该具有低功耗和小尺寸的特点;而对于片上温度管理而言,传感器需要具有低功耗,小尺寸,宽量程以及高电源抑制能力的特点。CMOS温度传感器,其具有小尺寸,低功耗,低成本以及易于集成的突出优势适合片上热管理应用,因此得到学术界科研人员的广泛关注。本文对CMOS工艺的温度特性进行了仔细研究并且综合上述应用领域温度传感器的性能要求,设计出一款温度传感器。此温度传感器由电压补偿模块,感温模块,电流-频率转化模块以及计数器模块构成,具有低功耗、小尺寸、宽量程、以及高电源抑制能力。电压补偿模块利用栅极隧穿电流产生CTAT电压对感温模块进行电压补偿;感温模块中利用亚阈值区电流比值进行感温,满足低功耗小尺寸的要求;电流-频率转化模块采用电流比较器的方式,减小了电路的面积和功耗;计数器模块利用可编程计数器,在将频率比值转化为数字信号输出的同时可以实现分辨率可调。此外,基于对浅槽隔离效应和衬底偏置效应仔细分析和充分利用,克服了传感器感温精度随工艺角恶化严重的缺点。基于40nm CMOS工艺,对本文提出的温度传感器进行设计验证。整体电路的功耗为73n W,符合低功耗的应用要求。在-40℃-125℃的感温范围内,所有工艺角能满足-1℃/+0.7℃的感温精度,并且其电路面积仅为0.004mm,适合多集成领域的应用。在1.4V-1.8V电源电压范围内,温度传感器的感温精度优于1.3℃,电源灵敏度小于1.5℃/V。

关键词： 数字集成电路   设计   低功耗  

摘要： 为降低数字集成电路功耗、提高数字集成电路的使用性能，本文将从数字集成电路设计的角度出发，进行电路低功耗优化设计方案分析，明确数字集成电路及其系统架构功耗与低功耗优化设计要点，重点对数字集成电路设计中门级电路设计进行研究，逐步分析门级层面低功耗设计的方法，同时对低功耗设计与物理实现进行阐述。通过对数字集成电路低功耗设计的可测性分析，降低电路低功耗优化测试的误差，明确有效测试电路能耗的方法与注意要点，以期为数字集成电路低功耗优化设计项目提供参考。

关键词： 物联网   嵌入式系统   低功耗   调度策略   模糊逻辑   5G通信  

摘要： 区别于普通计算中函数与变量的一一对应关系,模糊计算中的变量可以对应多个状态值。针对模糊计算的这个特性,本文提出了一套基于模糊逻辑的调度策略,在保证测量数据精度的前提下,有效减少物联网应用在测量环境数据时的功耗,给出了小型嵌入式物联网应用测量环境数据时优化功耗的可行性策略。并搭建了一个基于ARM微处理器的小型测试平台,对该调度策略进行了基于实测数据的验证,证明了其可行性。

关键词： 测井仪   煤矿井下   数据采集   低功耗   控制电路  

摘要： 数据采集与控制电路是测井仪核心电路之一,具有对钻孔轨迹信息及地层信息进行采集、存储及上传的纽带作用。基于煤矿井下实际的应用环境,提出了数据采集与控制电路设计的要求及其应该具备的功能电路。设计了以微功耗、高性能、高集成度的STM32单片机为核心的数据采集与控制电路并在实验室环境下,对设计电路进行了测试,测试结果表明:设计的电路能够按照下发的工程参数有效采集并存储待测信息,经无线WiFi进行测量数据上传,电路运行稳定、体积小、实测功耗低,满足预设的技术要求。

关键词： STM32   NB-IoT   低功耗   放射源  

摘要： 放射源监测的广泛应用关键在于在线监测装置小型化及长巡航,针对此问题,本研究构建和设计了一套基于STM32和NB-IoT的超低功耗的放射源监控系统.以STM32作为系统微控制器,BC20模组作为NB-IoT通信模块,完成低功耗硬件设计和软件算法开发,实现放射源实时剂量监测和定位监测.结果表明,设备尺寸小,功耗低,续航时间长,可以满足实际应用需求.