关键词： 低压差线性稳压器   自适应偏置电路   亚阈值基准   预调压电路  

摘要： 低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)是电源管理芯片中重要的一类。无片外电容型LDO凭借其易于集成、较好的线性调整率和负载调整率等优点,在模拟、射频和片上系统(System on Chip,So C)等电路系统中得到了广泛应用。然而,其静态功耗较大、大负载时电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio,PSRR)较差等缺点,越来越难满足集成电路系统高能效和高性能的需求。因此,降低静态功耗、提高电源抑制比是当前LDO热点研究方向之一。本课题对CMOS工艺LDO进行了低功耗和高PSRR的研究和设计。为了降低LDO的静态功耗,采用自适应偏置技术和亚阈值电路设计技术,使误差放大器电路、基准电路和分压反馈网络的静态电流降到最小。另外,利用Native管产生亚阈值偏置电流,简化偏置电路的结构,使整体功耗进一步降低。为了提高LDO低频时的PSRR,采用预调压电路对内部的偏置电路和基准电路提供电源,避免输入电源纹波经误差放大器放大到功率管栅极,使LDO输出电压纹波减小。同时,电流镜自适应偏置电路可使误差放大器尾电流跟随负载电流的增加而线性增加,让LDO在全负载范围内都具有较高的环路增益,使LDO在低频时全负载范围内的PSRR得到提高。为了提高LDO电路的可靠性,设计了折返限流保护电路,使过流关断时的功耗损耗降低。本课题基于HHGrace 350 nm CMOS工艺和Cadence Spectre平台完成了所提出的LDO各模块电路的设计及仿真,整体电路的仿真,版图设计及后仿。仿真结果表明:LDO电路空载时的静态电流为604 n A@V=5 V,200 m A负载时的静态电流为6.13μA@V=5 V;低频时,环路增益为89 d B,PSRR为-69 d B;最大负载电流为300 m A,折返限流保护限定短路电流为90 m A。

关键词： 室内停车场   室内车辆导航   低功耗蓝牙   导航数据模型   管理系统  

摘要： 随着城市化的不断发展，车辆的保有量在持续增长而停车位数量却不足，“停车难”问题已经是公认的城市化通病。室内停车场是车辆停车的主要场所之一，随着室内停车场逐渐大型化、多层化、复杂化，人们在室内停车场中寻找车位往往需要较长时间从而导致车位资源的分配不合理。在这样的背景下，人们对室内停车场位置服务需求日益迫切，管理者也面临着室内停车场难以管控的问题。要提供室内停车场定位和导航等基于位置的服务，并提高室内停车航的管理效率，需要室内定位技术的支持和室内导航模型（室内信息组织的模型）的构建。目前室内定位技术有很多，各种室内定位技术各有优缺点，且大多数针对室内行人定位。关于室内导航模型的研究一般针对行人导航，而车辆导航模型一般是针对室外环境，目前很少针对室内车辆导航模型的研究。因此，本文考虑到低功耗蓝牙传感器成本低、布设方便、低功耗等优点及在室内车辆定位的有效性，提出了一种基于低功耗蓝牙定位的室内停车场车辆导航模型。　　室内停车场是复杂的场景，有复杂的空间构造等静态地理实体，也有时空动态的地理实体，基于低功耗蓝牙定位的室内停车场车辆导航模型构建将分为二部分：室内停车场实体网络模型构建和基于低功耗蓝牙定位的通信模型构建。本文主要研究内容与成果如下：　　（1）构建室内停车场实体网络模型。对室内停车场空间进行分类抽象出静态实体和静态网络，并对静态实体和静态网络的语义、属性、几何、关系信息进行分析和总结，构建室内停车场静态实体网络概念模型。对室内停车场中的动态实体研究和分类，同样对动态实体的语义、属性、几何、关系信息进行分析，并对动态实体的时空状态进行研究，构建了动态实体的概念模型。　　（2）构建基于低功耗蓝牙定位的通信模型。对室内停车场中的通信实体抽象，重点分析了低功耗蓝牙传感器实体的属性信息。在以低功耗蓝牙定位技术为基础的通信原理基础上，梳理出通信实体之间的通信关系，构建了通信模型的概念模型。　　（3）构建基于低功耗蓝牙定位的室内停车场车辆导航数据模型。基于室内停车场静态实体概念模型设计室内停车场静态实体的数据模型，构建其逻辑模型和存储模型。利用面向对象的建模方法构建了室内停车场动态实体数据模型，将位置更新抽象为事件构建基于位置更新事件的动态模型，设计室内停车场动态实体存储模型。在通信概念模型基础上，设计通信数据模型的逻辑模型和存储模型。　　（4）依照面向对象的软件开发思想，设计和实现了室内停车场车辆导航和管理系统。针对用户和管理者进行分析，设计了系统的功能模块。介绍系统开发环境、阐述系统的架构分层设计。最后对系统的功能进行实现，通过系统的实际运行和应用，验证了本研究构建模型的可行性和正确性。

关键词： 低功耗广域网   权重可叠加最小生成树算法   能量均衡   路由算法   多跳网络  

摘要： 低功耗广域网络技术的高速发展已将物联网通信能力提升至数千米甚至数十千米级。LoRa是新兴的低功耗广域网络技术之一,它具备长通信距离、低数据率、低能量消耗等特性。在一些应用场景中,LoRa WAN架构高效地应用于星型通信拓扑结构中。然而,对于一些非视距传播范围下的场景或者具有更大的节点部署范围的场景中,如地下部署和大范围军事投放部署场景,单跳拓扑结构或许并不能满足场景功能需求。尽管为此可以通过增添网关数量来扩大通信覆盖范围,但是这样不但提升了部署复杂度,还降低了信息共享程度。此外,网络中单个节点的电量耗尽会带来额外的人工更换节点电池的开销,这也意味着此节点将影响整个节点网络的生命周期。因此,本文介绍了一种多跳低功耗广域网络数据采集协议——MLoRa,以解决上述这些问题。MLoRa给出了一个网络层上的路由策略,可提供相比于单跳LoRa网络更大的通信覆盖范围,能够在城市或者地下监控等通信质量较差的环境提供更高的数据包交付率。由于LoRa芯片物理参数设置的不同,单个LoRa终端设备电池电量会提前耗尽,进而带来网络生命周期瓶颈问题。MLoRa为解决这一问题,在中继节点选择和终端设备参数选择上充分考虑了某单个终端设备或其上行链路的各个节点是否会成为网络中新的生命周期瓶颈,从而保证了整个数据采集网络的能量均衡性,提高了低功耗广域数据采集网络的生命周期。经实验验证,针对不同类型的LoRa节点分布网络,MLoRa协议均能在一定程度上提高网络的生命周期、网络节点能量消耗均衡程度并提高增益-代价比。

关键词： 低功耗   STM32   Zigbee   实时监测   定位  

摘要： 如今,我国物流行业飞速发展。在储运过程中货物的运输、存放、搬运操作不当很容易造成货物磕碰、受损,严重影响产品质量。对于一些特殊货物,对储运环境有严苛的要求,需实时监测储运环境参数和实时跟踪货物,以保证货物安全。第一时间获取突发状况下的数据,及时定位货物所在位置,减小损失。因此,实时监测和定位跟踪,在降低储运货物风险和保障运输安全上具有重大的经济价值和研究意义。目前,已研发的智能电子标签虽能够实现储运环境参数的采集、存储、数据处理、室内定位、室外数据实时传输及定位的功能。但该智能电子标签体积较大、多模块冗杂、功耗高、时效性差、效率低、基站布局繁琐。本文在此基础上进行改进与优化,设计了一种微体积低功耗实时监测定位系统。其中由低功耗采集单元、室内存储管理系统及室外运输监测系统三部分组成。低功耗采集单元以STM32L476为核心,通过定时唤醒、突发唤醒、上位机唤醒智能控制,降低系统功耗,实时监测传输数据。突发情况下,声光报警,辅助定位。该采集单元采用SD卡存储数据,采用Zigbee模组构建无线低功耗网络进行数据传输。具有对货物储运环境参数的采集,存储,数据传输及报警功能。室内存储管理系统由上位机及Zigbee模块组成,接收各个采集单元数据,存储及数据处理。通过路径搜寻获取货物位置,唤醒低功耗采集单元,实时查询货物所处环境状态。具有数据处理、存储、实时监测、货物位置搜寻功能。室外运输监测系统由Zigbee模块获取数据,GPS模块获取经纬度信息,通过Wi-Fi模块将数据上传至云端,完成数据实时上传、用户云端监测、运输路径追踪功能。本文完成了系统的硬件设计、软件设计。在此基础上对样机进行实验测试及数据分析。测试结果表明低功耗储运环境参数智能监测系统操作简单,功耗低,体积小,能够实时监测,定位,可用性强。

关键词： 读出电路   低功耗   事件驱动   直接TOF   时间数字转换器   单光子雪崩光电二极管探测器  

摘要： 近年来,具有单光子检测能力的单光子雪崩二极管(SPAD)以其灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强、体积小等优点,在诸如激光雷达、量子通信、荧光光谱分析等弱光探测领域得到了广泛的应用。SPAD的各类应用需要相应的读出电路(ROIC)与之配套,以实现探测器信号的提取与片上处理。随着系统应用需求的提高,SPAD阵列规模不断扩大,精度不断提升,导致电路功耗急剧增加。尤其对于普遍需要制冷的SPAD探测器来说,此类问题影响更为严重,成为限制SPAD面阵规模进一步扩大的主要因素之一,因此低功耗、高精度SPAD阵列读出电路的研究具有迫切的应用需求。在弱光环境应用中光子检测效率降低,将所有像素进行量化和传输的传统方法因效率低下而不再有效。为了解决稀疏光子环境下系统功耗过大的问题,本文采用了一种基于事件驱动的读出电路系统架构。系统仅在像素检测到返回光子这一事件后才启用TDC进行时间的量化。同时为减少TDC的数量,本文采用像素TDC共享的架构,在降低芯片功耗的同时节约了芯片的面积。在数据传输阶段仅输出有效像素的时间信息和对应的像素地址信息,大大减少数据的传输量。ROIC的主要功耗来自光子飞行时间(TOF)量化与量化数据的传输,而在本架构中由于系统仅量化和传输有效检测数据,因此系统的功耗大大降低。但在该低功耗架构中由于数据选择型输出,导致无法确认对应位置信息。本文设计了系统检测与地址生成模块,在数据传输中增加了地址信息,实现了量化数据的精确定位。基于TSMC 0.18μm 5/1.8V标准CMOS工艺,采用Cadence EDA工具完成了8×8阵列ROIC电路设计、版图设计和仿真并进行了工程批流片,最终的系统物理版图总面积为1805μm×1805μm。对系统的功能和性能进行仿真验证,系统的时间分辨率最高可至500ps,在该分辨率下量程2μs。非线性误差DNL范围为-0.47LSB～0.47LSB,INL范围为-1.83LSB～1.79LSB。通过对系统添加六个测试信号,模拟系统在弱光环境下工作的情形(实际检测的光子数量占整个像素阵列的9%),由仿真结果可知系统功耗为4.7808m W。相比于传统架构,该系统实现了弱光环境中低功耗的设计要求。

关键词： 低功耗蓝牙   高斯频移键控   数字基带   抗噪声干扰   采样判决  

摘要： 低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)设备凭借其低复杂度、低功耗、低成本的特性在物联网市场拥有了较高的市场占有率。然而BLE设备工作环境复杂,在大噪声干扰环境下常存在解调误码率高的问题。因此深入研究BLE接收机中运用的GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying,高斯频移键控)解调算法,对设计灵敏性高的GFSK基带接收电路有重要意义。论文从BLE GFSK解调面临的诸多挑战入手,根据改进的GFSK解调算法设计了一套高灵敏GFSK解调方案。该方案以低中频接收架构为基础,在数字下变频、相位差分运算、功能联接以及判决采样算法等部分进行了设计优化。论文提出使用范围循环计数器控制三轮迭代判决算法,辅以信号滤波,码元抗干扰实现GFSK解调的高灵敏性能,并利用Matlab对各关键模块仿真建模,给出了相应模块的解调结果。论文进一步设计了GFSK基带接收电路,并针对抗镜像干扰实现复杂、正余弦波的精确度低、存储占用空间较大等问题优化了电路设计,以平衡解调性能高与实现复杂度低两方面的需求。论文基于高灵敏GFSK基带接收电路设计搭建了FPGA验证平台,对解调性能与硬件资源两方面进行验证分析。验证结果表明,在8MHz的系统时钟下,数字接收机中的高灵敏GFSK解调模块能够正确解调SNR为8.9d B的BLE非编码型数据包,误码率为0.1%,达到了设计要求。

关键词： 唤醒接收机   峰值检测   不定中频   低功耗  

摘要： 随着物联网设备数量的快速增长,低功耗、低成本、低延迟、高集成度的无线通信技术逐渐成为研究热点,为兼顾低功耗和短通信延迟,唤醒接收机应运而生,设计一款低功耗、高灵敏度的唤醒接收机具有重要的科研价值与工程意义。本文设计了一款应用于低功耗蓝牙的低功耗无线唤醒接收机,采用低电源电压设计以实现低功耗。为兼顾低功耗和高灵敏度,采用不定中频结构,采用二进制开关键控调制方式,为提高转换增益的同时保证低功耗,混频器采用单平衡的无源混频器结构;跨阻放大器采用跨导提升结构和折叠式共源共栅结构以满足低电源电压要求,实现低输入阻抗;针对传统包络检波器中参考电压值难以确定的问题,提出了一种基于偏移的峰值检测电路,动态提取参考电压,实现包络检波;为抵抗工艺、电压、温度(Process,Voltage,Temperature,PVT)变化引起的频率偏移,设计了一种粗调和细调相结合的自动频率校准方案,快速锁定目标频点。本文设计采用TSMC 28nm CMOS工艺,完成了无线唤醒接收机原理图和版图的设计及仿真验证。仿真结果表明,在0.6V低电源电压下,工作频率为2.4GHz,唤醒接收机的整体功耗为49μW,灵敏度为-90 d Bm,数据传输速率为100kbps,版图面积为171μm×210μm,满足了低功耗和高灵敏度的设计指标要求。

关键词： 模数转换器   流水线型ADC   高性能   低功耗   自举开关  

摘要： 模数转换器（Analog to Digital Convertor,ADC）,是模拟信号转换为数字信号必不可少的器件。近年来,无线通信技术、数字信号处理技术发展迅猛,对ADC提出了更高的性能要求。同时,随着CMOS工艺发展,ADC的设计也面临着越来越大的挑战。在常用的ADC类型中,Pipeline ADC在精度、速度、功耗等性能指标有一个比较好的折中,成为了国内外研究高速高精度ADC主要选择的架构。本论文基于TSMC 180nm CMOS工艺设计了一款12bit 25MSPS Pipeline ADC。论文先介绍了ADC的基本原理,然后进行整体架构的分析,最终确定了10级1.5bit和2bit flash的架构。文中对系统的关键模块进行了详细的分析,对性能指标进行了详细的计算。论文提出了一种减小沟道电荷注入的自举开关,与传统自举开关不同的是,本文提出的自举开关同时利用NMOS晶体管与PMOS晶体管作为开关管,将NMOS的栅极电压提升到VIN+VDD,将PMOS栅极电压降低至VIN-VDD,利用晶体管互补的特性,一方面减小了沟道电荷注入效应的影响,一方面减小了导通电阻。仿真结果表明,利用提出的自举开关可以获得更好的无杂散动态范围,提高了线性度。论文利用Cadence Virtuoso软件对电路进行了设计、仿真,同时对芯片进行了测试。当使用的时钟信号为25 MHz,输入信号频率为1.17 MHz时,其SNDR（Signal to Noise and Distortion Ratio）为70.5 d B,ADC的ENOB为11.41 bit,当输入信号频率为12.21 MHz时（接近奈奎斯特采样频率）,其SNDR为65.7 d B,ADC的ENOB（Effective Number of Bits）为10.62 bit。在电路测试时,发现了电路版图有一些问题,电路经过改良后,在输入信号频率为1.46 MHz时,ADC的ENOB为10.85 bit,SNDR为67.1 d B。DNL（Differential Nonlinearity）的范围是-1LSB～1.51LSB,INL（Integral Non-linearity）为-2.06LSB～1.07LSB。系统转换时产生的平均电流为32.38 m A,整个系统转换数据时的平均功耗为58.28 m W。本论文还提出了新型的低功耗运算放大器,代替原有ADC中第6至第10级中的运算放大器,设计了第二款Pipeline ADC,在输入信号频率为1.46 MHz时,ADC的ENOB为11.02 bit,SNDR为68.1 d B。DNL的范围是-1LSB～0.68LSB,INL为-0.81LSB～0.78LSB,在线性度方面有了一定的提升。系统产生的平均功耗为32.69 m W,相比第一版功耗减少了25.59 m W。Pipeline ADC的性能满足在窄带物联网中对模数转换器在速度、精度和功耗上的要求。

关键词： 低功耗   电源域管理   原型验证   多核子系统   动态留存技术  

摘要： 随着现代半导体技术的进步,物联网设备、个人终端设备等以微控制器为主的产品迅猛发展。微处理器作为核心控制单元,其设计要求也从单一追求有效控制向高性能低功耗兼具转变。由于现代微处理器芯片的复杂工作场景导致的散热、续航问题越发严重,使得处理器芯片的低功耗研究具有重要研究价值。本论文研究了 14纳米工艺制程下处理器的基本结构与工作模式,基于Synops ys公司ARC处理器的基础上设计了一套电源域管理系统(Power Domain Manage ment,PDM)对芯片功耗进行优化,降低处理器在不同场景下的负载功耗。处理器划分多个电源域进行电源分布管理,通过PDM技术对系统供电进行层次化设计,针对处理器内核、处理器集群和集群共享存储的各种工作状态,设计了一套适用于低功耗场景下的PDM系统,不同电源域系统可独立开关。针对处理器的不同工作状态,诸如HALT模式、正常工作模式和关电模式,提供了不同的子系统供电方案。在处理器整体上电状态下,根据不同的负载要求,内核与集群可进入PM1(Power Mode1)模式或PM2(Power Mode2)模式。其集群共享存储可以在集群不同工作模式下,实现工作状态与关电状态和留存状态的转换。同时,电源域内各子系统,诸如总线、一致性单元等系统,可配合PDM电源域操作切换工作模式,并且根据内核状态实现对应的状态转换。针对处理器供电模式切换控制这一难点,论文通过设计状态机分别对内核与集群以及集群共享存储进行低功耗控制,针对电源转换状态下寄存器的访问进行了设计,并完成与处理器外围控制器逻辑的握手。该控制结构层次分明,具有很好的继承性与可移植性。本论文基于随机System Verilog语言的定向功能测试,完成对处理器电源域系统的验证。构建了一套针对处理器电源域设计的验证平台。与常规模块级验证平台相比,该平台对处理器电源域复杂供电场景下的验证更充分。根据处理器不同层级组件的工作特性,基于Perl语言设计了对应特性的测试用例。通过大量用例的回归测试并排除不可达情况后,最终验证覆盖率达到100%,满足验证的完备性需求。通过ZeBu原型验证平台完成对处理器功耗数据的分析。证实了处理器PDM系统可以较好的在不同场景下完成上下电控制,处理器低功耗模式与常规工作模式相比功耗下降46.7%。综上,本文完成了处理器的低功耗设计与验证工作,针对处理器的不同工作场景进行了对应电源域控制设计,有效降低了整体功耗,具有重要的工程意义。