关键词： SAR ADC   低功耗   开关方案   动态比较器  

摘要： 便携式电子设备快速增长,对更低功耗、更小面积的模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)的需求不断增加。逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)ADC因为其与新工艺适应性高,加之功耗低、面积小等特点,研究热度居高不下。因此,对更低功耗,更小面积的SAR ADC的研究势在必行。本文以低功耗为设计目标,对低功耗SAR ADC的开关方案、电容阵列结构、比较器等进行了研究。首先就三种开关时序:传统差分开关方案、单调开关方案,Vcm-based开关方案进行了功耗分析。电容阵列采用分段式结构,大大节省了电路面积与功耗。用于SAR ADC中的比较器可以分为基于开环运放与基于锁存的两种不同类型。基于运放的比较器存在静态功耗,有更好的失调特性;基于锁存的比较器对输入信号有着指数特性,没有静态功耗,因此适合高速情况与低功耗应用。为降低噪声影响,比较器的结构选择也要做出相应的考量;比较器输入失调电压会减小信号的输入范围,因此本文也进行了相应的优化。其次根据不同类型的开关与其特性,对非理想效应:电荷注入、时钟馈通效应也进行了分析。为减小采样信号的失真,采用自举开关进行采样。逐次逼近的控制逻辑采用了基于Verilog代码综合与全定制的两种方式,实现了三个参考电平下的电路动作控制。版图后仿真结果表明,在3.3V电源电压下,采样率15.38k SPs时,该ADC可以达到有效位数11位,总谐波失真约为-75d B,总功耗46.58μW,FOM为1.38p J/conv-step。

关键词： 温度传感器   低功耗设计   0.18μm3.3VCMOS工艺   运算放大器   双极型晶体管  

摘要： 当今社会中温度的测量和控制应用在工业，农业，医疗，智能家居等各种领域，不同的应用领域对温度测量的范围、精度和功耗等性能要求不尽相同。由于便携式电子产品市场的快速增长，在温度测量中，除了对精度的要求提高之外，对于低功耗的要求也越来越高，在有些场景还对温度传感器工作的电压范围提出了新的要求。　　本文设计的温度传感器采用0.18μm3.3VCMOS工艺，基于偏置在不同电流密度下的两个双极型晶体管的基极-发射极电压差⊿VBE与绝对温度成正比的特性来获取温度信号。在带隙基准中，通过引入不同个数的双极性晶体管作为运算放大器正负极的输入管，预先产生一个与温度成正比的电压差，用以减小运算放大器失调电压的影响，同时降低模块的工作电压，保证了基准电路的精度。在温度值的转换过程中，通过优化⊿VBE的系数，避免了采用复杂的电路对基准的非线性进行补偿，简化了电路结构的同时，保证了测量结果的线性度。最后采用Delta-SigmaADC对温度值进行模数转换，单点校准后经过I2C协议输出温度的数字值。　　流片后对芯片进行测试，其结果表明本文设计的温度传感器可在1.3V～3.6V的电压范围内正常工作，电源电压变化对温度测量误差的影响小于0.125℃/V。在-40℃～125℃的温度范围内，测量误差小于±0.6℃，工作的平均电流小于10μA，单次温度的测量时间为25ms。

关键词： 浅层地震勘探技术   分布式   八通道   FreeRTOS   低功耗  

摘要： 伴随着城市经济飞速发展和人口的大量涌入,城市地下空间探测经验的欠缺和城市管理水平不足的问题凸显,一些城市相继发生了地铁路面塌陷、工程管道线路泄露爆炸、地下空间积水和内涝等事件,给城市的发展和人民群众的安全问题敲响了警钟。为了有效、充分和安全的进行城市地下空间开发,高效准确的探测工作是城市地下空间安全开发的先决条件,浅层地震勘探技术通过分析采集的数据来确定不同地层的分界线和具体厚度、所探测区域地下空间的具体形状、地层的构造类型等信息,有利于帮助本系统安全准确的确定适宜开发城市地下建筑物的具体深度和位置区域等信息。本文从城市地下空间浅层地震勘探技术方面展开研究,以地震波反射法作为理论基础,针对现有城市地下空间浅层地震采集系统的噪声大、功耗高、实时传输不稳定、动态范围较小和施工繁杂等问题,提出了一种切实有效的设计方案。首先针对噪声过大的问题,通过设计前端调理电路、防浪涌二极管、小波纹电源芯片及高精度和低噪声的模-数采集芯片;为了满足长时间野外工作和避免频繁更换电池,本文通过硬件层面、驱动层面和系统层面进行优化改进不必要的损耗,硬件层面主要是选择低静态电流和高效率的电源芯片、优化原理图电路和电路板布局等,驱动层面是根据实际需要来选择采集芯片AD7768、测试芯片AD9837等器件的具体工作模式,系统层面是在Free RTOS(Free Real Time Operating System)嵌入式操作系统里应用Tickless低功耗机制;针对现有实时传输速率较慢的问题,本系统通过双网口以太网收发器进行接力式数据传输;针对传统城市地下空间浅层地震勘探动态范围不足的问题,设计了宽频带、大动态范围、高信噪比的硬件系统;针对目前严苛的城市施工环境,本文设计了集小型、轻便、易携带、防尘防水等优点的金属仪器外壳。考虑到上述要求,本文研究内容主要包括整体硬件电路的设计、下位机系统移植和程序开发、FPGA(Field Programmable Gate Array)的逻辑设计和数据交互程序设计,达到了系统采集功能测试、数据采集、存储和传输等目标。最后,完成了城市地下空间浅层地震数据采集系统样机并对该样机进行性能指标测试和锤击震源实验。测试的结果达到了预期的设计目标,仪器工作正常,并且各个模块之间和上下位机之间的通信稳定可靠。

关键词： 相干积分   静态随机存取存储器   读后原位写   高带宽   低功耗  

摘要： 随着可穿戴设备和物联网(Internet of Things,Io T)的发展,市场对低功耗全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)芯片的需求增大。GNSS模块功耗开销主要集中在捕获引擎上,系统需要对静态随机存储器(Static Random Access Memory,SRAM)进行频繁的存取,而商用编译器生成的SRAM数据带宽和读写功耗难以满足低功耗GNSS需求,限制了整个系统的能效。本文面向GPS捕获引擎中相干积分运算场景,设计实现符合高带宽、低功耗的存储器,提升数据存取的能效。针对目标场景“读后原位写”这一特征,本文提出了“位回写屏蔽”方案,对读出数据和回写数据进行判断,相同数据则不回写,优化位线在回写周期的放电模式,降低了写过程中的动态功耗。针对积分运算对高带宽数据的需求,本文提出读写通用型灵敏放大器设计,在读周期使用多个节拍完成对四列数据的“错峰读”操作,在回写周期使用单灵敏放大器完成对四列数据的“同时写”操作。以单灵敏放大器为核心的读写电路削减了“半选问题”引起的冗余功耗开销,实现了单周期对高带宽数据的读或者写操作,降低了对同容量数据读写操作的功耗,同时降低了瞬态峰值电流。本文在TSMC 28nm工艺下,以全定制的设计方法完成了一款高带宽低功耗SRAM,其容量为256×128bits。仿真结果显示,在TT工艺角、25℃、0.7V工作电压下,本设计在用于GPS捕获引擎相干积分运算过程中时,对于128比特数据进行“读后原位写”操作功耗为3.83p J,相比于传统商用编译器生成的相同容量SRAM降低了78.9%,其带宽扩展为传统的4倍,单片峰值电流为6.97mA。

关键词： 偏振敏感OCT   同步控制   多线程   双通道采集   相位延迟  

摘要： 光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography,OCT）是一种新兴的干涉测量技术,主要通过测量从组织内部反射回来的光强,从而进行无创高分辨率横截面成像。这种非接触式的成像方式,在医学上具有广泛的应用前景。但传统的OCT技术对于一些不太明显的特征是无法进行探测的,因此传统OCT技术进行了扩展,开发出一些新型的OCT测量技术。其中偏振敏感OCT（polarization sensitive optical coherence tomography,PS-OCT）就是一种拓展型OCT技术。它主要探测偏振光在组织内部的偏振态变化,从而确定组织内部的偏振特性。这些特性主要包括:双折射,二向性和光轴方向等。从而为图像提供额外的对比度。而大多数生物组织都具有双折射的偏振特性,因此PS-OCT正好是测量双折射组织的有效方式。本文主要对一套非完善的PS-OCT系统进行优化。并对优化后的系统进行应用测试。该系统拟定采用琼斯矩阵的方式对后期的偏振特性进行计算,因此不可避免地需要进行双通道采集。但是原系统并未设计出配套同步控制系统,使得双通道数据无法同时采集,从而导致两个通道的图像不可避免产生错位。这将对后期偏振特性的计算带来误差。因此本文根据光学系统的特点设计相应的同步控制系统。利用扫频光源的同步时钟信号,控制系统各个模块的同步运行,其中包括采集模块和振镜控制模块的协调同步,从而使得一组数据的采集周期与振镜来回转动的周期一致。并且双通道同时进行采集,保证两个通道的数据一致性,从而提升了数据的可靠性。同时,原系统并未实现双通道数据实时显示的功能,导致无法根据实时图像去判定所采集数据的优劣,也不能根据实时图像反馈去调整光路。因此本文根据同步控制系统完成配套软件的编写。其中包括系统界面的编写,从而实现人机交互的功能。然后利用多线程技术对配套软件内部各个模块的程序进行分块处理,其中包括数据采集,数据处理以及数据显示等模块。并利用同步锁的方式实现了各个模块的同步运行。最后设计了一套利用环形缓冲区的数据存储方案,从而实现了双通道系统的实时成像。最后利用优化后的系统对平面镜,红外卡,玻片以及皮肤等光学组件和生物组织进行应用测试,双通道的实时成像验证了系统可行性。并且对玻片进行了相位延迟的测量,并与优化前的结果进行对比,明显提升了系统的相位测量精度。

关键词： 软件抄袭   多线程程序抄袭检测   线程感知胎记   模式提取   表征学习  

摘要： 软件抄袭已成为软件生态环境健康发展的严重威胁之一。目前,胎记技术是实现软件抄袭检测的一种最为有效的手段。然而,随着多线程程序成为主流,传统动态胎记技术无法对抗多线程程序中线程交织的干扰,导致检测性能过于随机甚至发生误判。现有的针对多线程程序的线程感知胎记方法,均针对程序单条轨迹进行分析,方法本身存在诸多局限性。此外,现有方法的胎记构建方式在很大程度上依赖于人工提取和经验观测值,未经过任何真实训练。因而难以推广到未知的数据集,泛化能力不强。对此,本文通过模式提取和表征学习,提出了三种新颖的针对多线程程序的抄袭检测方法,主要贡献如下:(1)提出了一种基于行为motifs的多线程程序抄袭检测方法,该方法基于多线程程序的动态执行轨迹集,通过轨迹修剪、gram匹配和扩展抽象,提取能够表征程序语义信息的行为motifs,在此基础上构建出线程感知的motifs胎记。实验结果表明,motifs胎记是一种可靠的线程感知胎记,可有效对抗当下主流的代码混淆手段,集成该胎记的检测系统在各种评估指标下,与现有方法相比均表现出更优秀的检测性能。(2)提出了一种基于频繁模式挖掘的多线程程序抄袭检测方法,通过监控多线程程序的动态运行过程捕捉程序执行轨迹集,利用数据挖掘技术从轨迹集中挖掘出频繁模式,约减后构建出动态线程感知胎记FPBirth。实验结果表明,FPBirth胎记具有较好的线程感知能力和抗混淆能力,集成了FPBirth的抄袭检测系统能够更好地处理多线程程序的抄袭检测。(3)提出了一种基于孪生神经网络的多线程程序抄袭检测方法,该方法设计深度神经网络模型实现程序高层语义特征向量的表征学习,借助孪生网络结构对原被告程序的语义特征向量进行融合,将融合后的特征向量送入多层感知机进行相似性度量学习,最后对多输入下的相似性值进行bagging集成得到原被告程序的相似性。基于提出的方法设计实现了多线程程序抄袭检测系统NeurMPD。实验结果表明,NeurMPD的检测准确率达到99%以上,且具备较好的弹性和可信性。

关键词： 无线传感器网络   低功耗   射频发射机   射频接收机   低噪声放大器   压控振荡器   锁相环  

摘要： 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)技术是万物互联的技术支撑,它融合了计算机、通信、传感和微电子等先进技术,在工业控制、智能家居、消费类电子、军事安全、物流、智能精细农业、环境感知和健康监测等诸多领域有着极其广泛的应用。无线传感器网络节点是WSN的重要单元,每个节点需要具备感知、数据处理和无线通信的能力。低功耗无线射频收发芯片对节点间信息高效传输、减小节点体积、降低节点成本具有重要意义。如何降低系统功耗和噪声是WSN节点无线射频收发芯片设计中需要解决的两个最关键问题。现有的解决方案中,无线收发机内部核心电路电源数量多,电压高,电压转换次数较多,带来了较大的能量损耗,可以通过优化电源管理电路降低无线收发机的整体功耗;另外,锁相环和低噪声放大器是无线收发机芯片中两个功耗较大的模块,降低它们的功耗也可以大幅降低射频收发芯片的功耗。锁相环的杂散和相位噪声性能,低噪声放大器中的噪声性能对射频收发芯片的灵敏度和误码率有着重要影响。因此,为了保证无线射频收发机芯片的高性能,在降低其功耗的同时,还需要对锁相环和低噪声放大器进行深入研究和精心设计。所研究的低功耗电源管理模块主要包括一个低压升压型(BOOST)转换器,一个低电压低压差线性稳压器(LDO)和低噪声基准电压源。为了降低无线收发芯片的功耗,本论文降低了BOOST转换器的输出电压。为了减小断续导通模式脉冲频率调制模式下输出电压的纹波,本论文还发明了自适应导通时间控制技术。为了降低升压型转换器以及整个系统的启动电压,本论文发明了低于阈值电压启动技术。传统低压差线性稳压器难以在低压下工作,限制了BOOST转换器输出电压的降低。为了解决这一问题,本论文使用了低压结构。无线收发芯片需要基准电压源提供精确的偏置电压。为了提高基准电压源的精度影响,本论文发明了失调和噪声消除技术,并且使用了分段线性补偿技术。为了降低射频收发芯片的功耗,本论文设计的低压高性能锁相环工作于0.8V电源电压下。为了改善射频收发芯片的灵敏度和误码率,本论文还对锁相环的相位噪声和杂散进行了优化。锁相环的相位噪声性能主要由压控振荡器(VCO)的相位噪声性能决定。为了改善这一性能,本论文发明了一个双数字反馈环路的C类压控振荡器。双数字环路使得压控振荡器可以工作于0.8V的电源电压下,降低了功耗。此外,它还避免了模拟环路引入的噪声,提升了压控振荡器以及锁相环的相位噪声性能。为了进一步提升压控振荡器的相位噪声性能,本论文还发明了一种自适应偏置技术。锁相环的杂散性能受到电荷泵(CP)中电流复制精度的影响,为了提升锁相环的杂散性能,本论文使用了基于电阻的电流复制技术。本论文还设计了一款低压低功耗带跨导校准技术的低噪声功率放大器(LNA),以降低射频收发芯片的功耗并且提升其灵敏度。为了降低低噪声功率放大器的电源电压从而降低功耗,本论文采用了无源负载技术和片上巴伦前馈技术。为了进一步降低功耗,本论文采用了亚阈值偏置技术。为了削弱亚阈值区晶体管跨导受到工艺温度变化的影响,本论文还发明了跨导校准技术。本论文对所设计的部分无线射频收发机关键单元电路进行流片测试,其余单元电路进行了电路仿真和版图后仿真验证。与传统电源管理模块对比,本论文设计的定制的电源管理模块至少可以节约61.5%的功耗。测试结果表明电源管理模块的BOOST转换器可以在300mV-800mV的输入电压下正常启动,为后续电路提供1 V电源电压,其峰值效率为90.6%。LDO可以在1 V电源电压下工作,并且产生0.8V输出。此外,测试结果表明,所设计的PLL的调谐范围是2.24-2.85GHz。在2.55GHz载波偏移1MHz处达到了-123.97dBc/Hz的相位噪声。在40MHz偏移频率下,测得的杂散为-89.4dBc,在0.8V电源电压下的功耗为2.62mW。所设计的低噪声放大器的仿真结果表明,其噪声系数为2.86dB,三阶交调点为-15.9dBm,电路的最低功耗为543.6μW。

关键词： 人形识别   IoT   Aizip   Maxim  

摘要： Maxim与专注于物联网(IoT)领域人工智能(AI)技术开发的Aizip公司达成合作,Maxim Integrated的MAX78000神经网络控制器采用Aizip的视觉唤醒词(VWW)模型在图像中检测人形,将每次运算功耗降至0.7mJ。这种功耗水平比传统的软件方案降低100倍,是目前市场上最经济、最高效的IoT人形识别方案。

摘要： Maxim宣布与专注于人工智能(AI)边缘计算的Xailient Inc达成合作,Xailient在其Detectum专利神经网络方案中采用Maxim Integrated的MAX78000超低功耗神经网络微控制器,检测并锁定视频、图像中的人脸。与传统嵌入式方案相比,Xailient的神经网络技术方案将功耗降低250倍(仅为280微焦耳),每次检测运算只需12ms,支持网络的实时运行,速率高于当前市场上最高效的边缘计算人脸检测方案。

关键词： 宽带波束形成   超材料电磁透镜   波束图综合   低功耗  

摘要： 宽带信号以其携带信息量大、抗干扰能力强、雷达分辨力和通信速率高等优点逐渐成为现代雷达和通信系统使用的主要信号形式,宽带波束形成也因此成为研究热点。基于阵列信号处理的常规宽带波束形成技术可以形成精确指向的波束,但具有计算量大、硬件成本高等缺点。超材料电磁透镜具有基于空间角度的能量聚焦特性,与天线阵列相结合可以形成高增益的宽带波束,具有低成本、低功耗、易于工程实现的优点。本文的主要工作内容包括:在研究窄带阵列天线波束形成理论基础上,分析了孔径渡越现象对宽带信号波束成形的影响,研究了宽带波束形成和自适应波束形成的基本方法,探讨了频域和时域两大类的宽带波束形成方法的优缺点。基于广义斯涅尔定律,研究了超材料电磁透镜的设计方法,通过设计超材料表面的相位分布,形成高增益的波束。并利用等效电路法设计了一款超材料电磁透镜,通过改变金属贴片的尺寸和金属栅格的线宽来控制透镜单元的幅频响应特性和相频响应特性,CST仿真数据说明了设计的透镜单元在工作频率内具有良好的幅频响应,可供电磁波近乎无损透射,各尺寸的电磁透镜具有良好的相位梯度特性,这意味着可以通过合理排布电磁透镜单元组成电磁透镜,为下文利用电磁透镜实现宽带波束形成奠定基础。研究了加载超材料电磁透镜的阵列宽带波束形成技术,分析了电磁透镜基于空间角度的能量聚焦的特点,提出了毫米波波段双周期电磁透镜的整体结构设计与参数设置方法。并构建了加载电磁透镜的阵列的数学模型。基于宽带多波束扫描的需求,探讨了实现阵列的波束连续自由扫描机理,提出了一种基于波束图综合的优化方法,主要的优化目标是尽可能地使经加权处理的天线阵列波束图逼近参考波束图,成功实现了加载电磁透镜阵列的多波束形成。为了进一步降低加载电磁透镜的阵列系统的成本与功耗,论文提出了基于权衡因子的多波束优化设计方法,在确保所形成波束精准指向预设的期望方向前提下,可以最大限度地减少天线阵元的使用个数,大大降低了整个加载透镜的天线阵列系统的成本与功耗,仿真验证了所提算法的有效性。