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。

关键词： 机器视觉   内螺纹   缺陷检测   多线程   圆拟合   极坐标转换  

摘要： 端口块的内螺纹检测由于缺陷具有位置隐蔽、种类繁多、人工漏检率高、标准未统一等特点,本论文通过提出单圆周分角度、高低组合打光方式、上位机程序多线程处理、控制系统顺序控制等结合的基于视觉的机电控制系统,来代替人工解决这类产品的检测问题。论文研究了上料及传动部分的结构搭建、检测缺陷特征的关键方法、视觉系统的检测流程判断以及自动筛选结果等内容。论文通过搭建图像采集模块、振动送料模块、机械传动分料模块及电气控制模块组成整个系统的硬件框架。根据系统的具体功能要求和端口块生产现场的环境,对系统硬件做出选型,并设计了一种端口块定位夹持机构,使工件能在整个系统检测过程中稳定移动并判断缺陷结果,解决了因工件晃动而导致的误检率升高的问题。(1)针对部分缺陷位置的隐蔽性导致的图像采集困难的问题,本文提出一种基于内窥镜头的分角度组合打光倾斜多向拍照处理方案,采用倾斜相机镜头的三台相机每台只负责120°的分角度打光拍照,实现了端口块缺陷的完整裸露图像采集,使得检测内容清晰化。(2)考虑到三台相机检测和工步设计的时长问题,本文提出一种FIFO队列多线程处理分次进给的视觉和电气控制方案,在保障了系统流程稳定运行的同时,也提高了上料速度。(3)针对螺纹缺陷位置的随机性问题,本文通过使用曲线圆拟合、曲线极坐标转换、直线自适应分段单侧处理和全域距离检测等方法,将整圈螺纹单独分选并转换成可视数据,极大的便利了检测标准的确定。本检测系统的视觉部分配合由可编程逻辑控制器PLC、气缸、精密电缸定位模组和光源控制器等元件组成的控制部分,将检测标准和流程清晰化,完成了系统测试等阶段性验证,解决了该类工件同时检测的难题。在完成系统搭建后的实际使用测试中,论文设计方案得到有效验证。最终多种缺陷共同检测处理后,测试结果均优于系统所需标准,实现了快速准确分拣的项目要求,极大的提高了生产效率。

关键词： CMOS图像传感器   二值卷积神经网络   传感器内计算   常开智能感知  

摘要： 在物联网(Internet of Things,IOT)时代,智能视觉感知设备将会无处不在,实现用户与物理世界的无缝对接;随着近年来人工智能(Artificial Intelligence,AI)算法的迅速发展,视觉设备对图像进行识别和处理的速度和精度已经有了极大的提升。为了减轻数据中心的负担,视觉感知设备的处理功能已经从云端转移到了边缘端,设计人员希望能够将智能视觉算法部署在终端设备上,使其具备在本地进行数据处理和识别的能力;并且为了避免错过任何关键事件,一些面向智能视觉应用的设备需要工作在常开模式下,这种持续感知需求带来的巨大的能耗开销,对于大多数电池驱动的智能识别设备非常不利。因此目前对边缘端智能视觉感知设备提出了新的要求,即低功耗、高精度、小面积、高能效和算法灵活可配置等。针对上述问题,本文中面向智能视觉感知系统中的高能效集成电路,提出了新型的“传感-计算”融合架构,并基于此架构实现了一款智能视觉感知图像传感器芯片。该芯片计算功耗成功降至μW量级,能够有效解决常开视觉感知设备的续航问题。本文的主要工作和创新点如下:(1)设计了“传感-计算”融合架构。通过将神经网络中的一部分计算任务搬移到传感器内部,并使用模拟电路进行实现,以此来消除模数转换器中将模拟图像转换为数字图像向后级传输带来的高额功耗和数据带宽的代价。(2)设计了基于直接光电流计算模式的关键电路单元。直接利用光电转换产生的模拟电流进行计算;并且结合传统图像传感器的有源像素单元,进一步构成了具有双分辨率的像素组。并以此实现可配置卷积核大小的二值神经网络第一层卷积特征图的计算。(3)实现了基于上述技术的智能图像传感器芯片。以双分辨率像素组为基本像素单元,设计连接方式和外围电路构成整个图像传感器芯片;设计了两种不同的卷积核滑动方式(单核平铺和多核平铺),能够高效获得整张卷积特征图。并且结合算法对其功能的正确性进行仿真和验证,最终基于TSMC65nm CMOS工艺实现流片验证。(4)搭建智能视觉感知芯片测试系统。围绕流片完成的图像传感器芯片,搭建了一套完整的功能测试和演示系统。实现了98.3%的MNIST数据集分类准确率,计算功耗实现2.52μW量级,且能效达到10.8TOPs/W,与现有典型传感器内计算工作相比提升了12倍。

关键词： 逐次逼近型模数转换器   比较器失调校准   冗余   数字校准  

摘要： 在生物医疗系统、可穿戴设备领域中需要将检测到的人体状态参数通过模数转换器(ADC)转换成数字信号进行处理。作为系统的关键模块,通常需要ADC达到较高的精度,并尽可能降低功耗。在众多类型的模数转换器当中,逐次逼近型(SAR)模数转换器因独特的架构优势可以满足设备对精度和功耗的需求,因此设计一款低功耗高精度SAR ADC具有研究意义和实用价值。论文综述了低功耗高精度SAR ADC的国内外研究现状,总结了主要的低功耗高精度技术,在此基础上进行了系统级、电路级以及版图的设计。分析比较了适用于高精度设计的数模转换器(DAC)的优劣,推导并仿真验证了器件失配、寄生电容对DAC增益和线性度的影响,提出了一种整数型非二进制电容阵列,通过冗余技术放宽了每一位电容的建立精度,提升了CDAC的建立速度;针对电容失配问题,提出了一种基于伪随机码注入的数字校准方案,通过最小均方根算法(LMS)进行迭代,求解得到电容的实际权重值,在保证采样率的同时避免了引入过多硬件、功耗开销。此外,基于输出失调存储技术(OOS)对级联比较器的失调电压进行校准,并优化了电流的分配来满足低功耗的设计需求。基于SMIC 180nm 1.8V标准CMOS工艺,设计了电路与版图,ADC内核面积约为0.455mm,整体面积为1mm,在1.8V的电源电压、500k S/s的采样率下进行了后仿真验证。输入为近奈奎斯特频率信号时,其信噪失真比(SNDR)为89.4d B,有效位数(ENOB)为14.56bit,无杂散动态(SFDR)为98.2d Bc,功耗为0.83m W(不包括校准电路功耗),品质因数(FOM)为171d B,基本上满足了设计的指标要求。

关键词： NB-IoT   低功耗   高并发   远程抄表系统   Netty  

摘要： 天燃气具有安全清洁、价格实惠等优点,现在更多的家庭开始使用天然气进行发电,通常使用燃气表对天燃气的数据进行采集。随着物联网科技的迅速发展,传统的人工抄表已经不满足社会的需求,NB-IoT作为一种新兴的物联网技术已经被广泛的应用到无线远程抄表方式中。随着我国燃气表行业的不断发展,燃气表的使用数量呈指数增加,数据通讯频繁,普通的服务器系统无法满足高并发燃气表数据的上下通信,服务器的性能就成为了抄表系统的瓶颈。针对于上述的现状,本文设计了一套NB-IoT燃气表的高并发数据处理平台,以降低燃气表的功耗和成本,提高后台服务器的数据处理能力。本系统通过NB-IoT通信模块将燃气表的数据上传给服务器,服务器对数据进行解析之后,在浏览器端进行展示。本文的主要研究内容如下:(1)本系统的硬件部分是在已有的燃气表的基础上增加一个NB-IoT通信模块。该模块采用STM32L071KBTx作为主控芯片,HT7333作为电源模块,WH-NB73作为NB模块。通过UART与燃气表通行,NB模块将燃气表的数据上传到服务器端。(2)在服务器I/O模型选型上,首先分析了Linux系统中传统I/O技术特点以及Java NIO的工作原理,通过对不同I/O技术和Netty网络框架进行效率仿真比较,选取了采用Reactor模型的Netty网络通信框架,作为服务端的通信模块,保证服务端的高并发性能。(3)使用Spting Boot+Mybatis Plus框架完成了抄表系统的开发,使用Mysql数据库用来存储燃气表的数据,抄表系统中服务端使用Java语言进行实现,前端页面使用Javs Script进行实现。整个系统功能包括用户登录注册、数据查询、抄表失败用户展示、用户管理等。服务端需要将NB-IoT模块上传的燃气表数据成功接收并且正确解析出来,保存在数据库中,在前端页面进行展示。(4)对整个系统进行测试,包括硬件部分NB-IoT通信模块测试、抄表系统中功能测试,最后使用Jmeter压测工具对服务器性能进行压测,从平均相应时间和TPS两个性能指标对系统性能进行分析,测试结果表明基于Netty设计的服务器在TPS最高可以达到2500,同时平均响应时间稳定在300 ms,异常率保持为0,符合预期目标。

关键词： Buck变换器   宽输入范围   高效   LDO  

摘要： 随着消费类电子、汽车、通讯、工业系统的发展,开关电源的体积不断减小,集成度不断提升,功耗不断降低。在开关电源的应用过程中,其输入电压往往会在一些特定状态下超出常规电压范围,比如通讯领域的不同电压规范;新能源汽车领域太阳能电池和燃料电池的电压幅度波动;或是解决输入电压的瞬态电压过低或者过高,比如汽车不同状态时所提供给开关电源的不同输入电压,在启停状态下超低压,在抛负载状态下的高尖峰等。因此,研究宽输入低功耗开关电源,具有实际的应用价值。在开关电源中,Buck变换器作为重要分支,具有较多的应用场景。针对以上问题,本文在对Buck变换器的基本原理、发展现状、Buck主要损耗等了解和分析的基础上,结合实际需求,设计了一款基于峰值电流模式(Peak Current Mode,PCM)的宽输入低功耗同步整流Buck变换器。宽输入范围的DC-DC开关电源可以用更少的成本适应更多的应用场景,而低功耗是节能时代下的基本要求。本文设计Buck变换器在标准输出5V的应用中输入范围可达5.5～65V。在对本文设计的高效Buck整体架构分析后,强调了应对Buck主要损耗的低功耗设计,随后对部分关键模块单元电路详细介绍并仿真验证。其中包括低功耗,高精度基准模块,为Buck提供次级电源和基准电源;考虑到Buck需要额外的驱动单元与控制逻辑去完成更多的能量节省,这些电路都需要可靠稳定的内部电源来维持正常工作,所以在Buck变换器中嵌入一个低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)并详细介绍该内嵌LDO的设计,该LDO具有高电源抑制比(Power Supply Rejection,PSR)和双供电支路,高PSR为了在输入波动较大时也能产生稳定内部电源,而双供电支路可以在Buck输入输出较大时采用Buck输出作为LDO输入的工作模式,从而节省能源消耗。在系统的可靠性方面设计有外围保护电路,在系统出现异常时保护转换器,并且可以通过标志位警示芯片工作异常。最后采用0.25um BCD工艺搭配SPECTRE仿真环境对设计进行验证,Buck在经典输入12V,输出5V,负载2.5A应用中,效率可以达到95%及以上,在输入12V,输出5V,负载0～3A范围内效率可以达到85%以上。

关键词： 无源芯片   能量采集   阻抗   自适应   低功耗   低压  

摘要： 近年来,随着通信技术的快速发展,无源通信终端成为当前和未来主要研究方向。本文针对无源通信系统中自供电物联网节点芯片能量采集问题,基于无源标签天线与射频电路协同设计原理,在高灵敏度能量采集系统的技术基础上,优化并设计了一款自适应阻抗调节的低功耗无源标签芯片,达到了高灵敏度能量获取,提高了射频前端与天线之间射频阻抗的良好匹配,有益于更多的射频能量转换为可用能量。首先,本文针对无源标签阻抗匹配进行了详细阐述,射频阻抗受实际应用环境波动和产品加工离散性影响,当前主流通过阻抗网络或协同匹配的阻抗匹配工程方法难以达到最佳的匹配效果,影响了产品的应用范围以及灵敏度的一致性。本文提出了一种低插损、低复杂度、高适用性、超低功耗的自适应阻抗匹配方案,能够在射频场内自动调整芯片射频阻抗,使得芯片内整流输出电压可接近最佳阻抗匹配时的峰值。其次,本文设计了高灵敏度能量采集系统,其中包括主流协同设计部分以及引入的开关电容阵列,在主流协同设计的基础上,通过引入开关电容阵列,完成对射频前端阻抗自适应调节,既达到高灵敏的能量采集效果,也避免了阻抗失配造成的能量损失。此外,本文根据阻抗反馈调节需求,设计了针对无源标签的自适应阻抗调节算法和具体控制电路。其主要包括n A级低启动电压时钟电路、低功耗钟控采样比较电路以及其他控制电路。并联合射频前端和电容阵列进行系统仿真,结果表明,设计的自适应调节系统可在0.35V低电压下启动,整体系统平均功耗仅3.7n W,完成了针对阻抗失配的自适应调节功能。本文针对无源通信系统中能量采集问题,设计并最终实现了一款具有自适应阻抗调节功能的无源芯片。本文的自适应阻抗匹配调节单元以及引入的开关电容阵列全部在芯片内集成实现,并于射频前端进行协同设计,给出了具体电路实现,最终在TSMC0.18μm CMOS工艺下进行流片生产并完成测试工作。芯片最终测试结果的整体功耗为7.4n W,最低启动电压为320m V,最小调整步长电容阵列容值为2.5f F,最大能量采集灵敏度可优化5d Bm,调整的范围和调整方向可依据整体位数灵活配置而定,降低了载波偏移等环境因素和产品阻抗离散性对芯片灵敏度的一致性影响,尤其是扩大了有益于提升灵敏度的高Q匹配的容差范围,为增强灵敏度的高Q匹配工程实现提供解决方法。

关键词： 空心阴极   低功耗   低流量   自持机理   超低频振荡  

摘要： 空心阴极是一种高效的电子源,具有长寿命、高电子密度、高可靠性等优点,广泛应用于离子源、焊接、高能物理和航天电推进等领域。而随着微小卫星不断发展,电推进逐渐向小型化发展,也大大增加了百毫安级空心阴极的需求。本文分析了传统空心阴极放电功耗高、自持流量大的原因。通过实验测试,结合理论分析和数值仿真,从热和等离子体等方面研究了小电流空心阴极自持机理。通过变发射体结构进行了优化设计,开发了一款百毫安级低电流、低流量、高可靠的空心阴极,为商业航天广泛采用的百瓦级电推进系统提供了一个选择。通过对传统结构空心阴极的实验和分析,发现空心阴极正常工作时流量在0.5sccm以上,电流在0.5A以上,功耗最低10W。通过机理分析发现,阴极在小电流放电时会出现发射体温度下降导致热发射不足的问题,以及流量下降导致发射体内等离子密度下降,等离子向后扩散损失的问题,这是限制其小电流拓展的关键因素。针对这些问题,提出了加芯、加遮挡和悬空发射体结构。加芯结构更高效地接受等离子体加热,减少散热,可以有效降低自持流量和自持电流,正常工作流量可以降到0.3sccm,最低0.1-0.15sccm,最低流量0.15-0.2A,功耗5-6W,但是存在高温下芯发射体失效的问题。加遮挡结构阻挡了小流量下等离子体向后扩散,可以降低自持流量,对功耗的降低效果不明显。悬空结构减少了散热,可以一定程度降低功耗,对流量降低效果不明显。在小电流拓展中,发现在自持电流的下边界处往往会出现一种超低频振荡现象,振荡周期0.5-2s,幅度接近放电参数,对振荡过程的羽流区等离子体参数和发射体温度进行了测量,发现这种振荡可能是热发射不足导致的发射体温度和电压不断调节变化导致的,这种振荡也是限制空心阴极小电流自持的重要原因之一。最后,对小电流放电综合性能进行了优化,最快热启动时间25-30s,加热启动时点火温度在1340℃,启动冲击可能会在发射体上沉积金属导致逸出功升高,小电流自持变差。启动冲击电流与点火电压和流量有关。隔热结构对小电流自持性能影响很小。进行了4000h稳态放电测试和5000次点火实验,没有出现失效问题。

关键词： CMOS温度传感器   低功耗   频域   高精度   低电源灵敏度  

摘要： 随着科学技术的进步和当今社会发展水平的不断提高,高度集成化、超低功耗、小尺寸设计和尽可能的低成本成为传感器领域研究的重中之重。而在医疗健康、环境监控、食品安全以及各类电子设备系统等温度管理领域更是如此。基于上述指标的严苛要求,CMOS温度传感器,因其微型化、低功耗、小尺寸和低成本等优势集于一身,大受学术界和工业界的青睐,并在各领域得以广泛应用。同时,在不同的应用领域,对CMOS温度传感器的设计提出了不同的性能上的挑战。如医疗健康中对人体温度的监测,主要关注的是温度传感器的高精度,而对感温范围只在一个小区间内;但在某些工业控制方面,感温范围则有固定的宽量程指标,对精度要求却相对较低;在一些可穿戴消费类电子领域,聚焦的指标则在于小尺寸和超低功耗。本文综合当前应用领域对温度传感器的需求,设计出一款nW级低功耗片上集成CMOS温度传感器。整体由感温模块、电流-频率转换模块和计数器模块组成,感温模块中亚阈值区电流具有良好的指数关系进行比值感温,实现低功耗和高精度的设计;电流-频率转换模块中采取倒比管设计的反相器和延时链结合的张弛振荡器,实现小尺寸和低功耗的设计;计数器模块采取10-17bits的可编程控制设计,可实现温度分辨率可调。此外,得益于结合比值感温机理与针对MOSFET二级效应的创新改进,克服了传统频域温度传感器精度差、且随电源扰动明显的缺点,实现了高精度、低电源灵敏度的设计。基于180nm CMOS工艺,对本文提出的温度传感器进行流片,芯片整体面积为0.055mm,整体功耗为20nW。额定工作电压为1V,在0-100℃的感温范围内,两点校准后的误差为+1.22/-1.09℃,经过系统误差去除后仅为+0.36/-0.42℃。当电源电压为0.8-1.6V,电源灵敏度为0.85℃/V。该温度传感器各项指标均达到预期指标要求,并具有一定优势。