关键词： 射频集成电路   低噪声放大器   CMOS  

摘要： 随着万物互联时代的到来,物联网对射频集成电路的功耗、成本、性能要求越来越高。低噪声放大器作为射频接收机系统中的首级电路,它的性能决定了接收机系统性能的上限。传统的低噪声放大器电路结构越来越难以满足产品应用的需求,因此本文针对物联网这种低功耗低成本的应用提出了一种低噪声放大器电路结构以及一种有源电感电路结构,该结构在保证性能能满足应用需求的前提下,面积可以做到0.01 mm以下,成本方面具有较大优势。本文的主要研究内容如下:1、提出了一种有源电感电路结构。该电路结构在回转器结构的基础上,通过主次两级回转器实现了较大的跨导,提高了电路的感值跟Q值。2、提出了一种全差分低噪声放大器电路结构。该电路在共栅级放大器电路的基础上,利用电容交叉耦合及衬底偏置技术来弥补低功耗电路中的增益,通过噪声抵消技术来优化电路的噪声性能,最后通过有源电感来降低电路的面积。3、通过对电路交流小信号模型的理论分析,推导出了本文提出的低噪声放大器电路的噪声、增益、输入阻抗等性能的数学函数,并根据电路各个参数与性能之间的关系来优化电路的性能。4、最终在Cadence Virtuoso软件搭建了电路模型,仿真实现了一个基于SMIC 130nm CMOS工艺的2.4 GHz低噪声放大器。功耗约为3 m W,噪声系数小于3 d B,增益大于20d B,输出1 d B压缩点高于-20 dBm。

摘要： 本实用新型属于橡胶软管加工技术领域,尤其为一种橡胶软管尼龙芯脱芯机,包括机壳、机座、脱芯装置、驱动轮、皮带、夹紧块、出芯道和碎屑回收装置,机座固定安装在机壳的下端,脱芯装置固定安装在机壳的上端,驱动轮转动连接在机壳的内部,皮带套设在驱动轮的外表面,夹紧块固定连接在皮带的外表面。本实用新型通过设置脱芯装置,通过人工螺旋切割法,对切割质量进行精准把控,避免了机械环切对尼龙芯造成切伤或切断的情况,

关键词： 斩波放大器   低噪声   低功耗   伺服环路   低频噪声   失调补偿   开关电容积分器  

摘要： 神经信号的探测对于神经科学的研究,神经类疾病的治疗和脑机接口等新兴应用的发展起着至关重要的作用,利用集成电路技术对神经信号的电学特性进行记录和处理已经成为一个学术界和工业界的研究热点。其中低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)在用于神经信号探测的电路前端中起着重要作用。而神经信号的低频和低振幅的电学特性,同时探测过程中存在着的多种干扰信号,还有不同电极的电学特性等对神经信号探测提出了挑战。为了避免电路中常见的低频闪烁噪声的干扰,本文提出了一种用于神经信号采集的模拟前端斩波放大器(Front-End chopper Amplifier,FEA)。它采用斩波放大器结构对采集到的信号进行频率调制解决了电路中的低频闪烁噪声和失调的干扰,同时采用全新的电路结构解决了斩波放大器结构中由伺服环路引起的噪声和干扰。提出的FEA采用具有失调和低频噪声补偿和非常大时间常数(Very-Large Time constant,VLT)的开关电容器(Switch Capacitor,SC)积分器。此外,放置了一个直流电压隔离模块以用于纹波抑制(Ripple Rejection,RR),并且采用了正反馈环路来增加输入阻抗。提出的电路基于0.18-μm 1.8-V CMOS工艺中设计,完成了原理图设计和版图设计以及多种工作环境下的后仿真工作。FEA为本地场电势和动作电势神经信号采集提供了高达9k Hz的带宽。参考输入(Referred-To-Input,RTI)噪声在1～200Hz频带中为0.72μV,在200～5000Hz频带中为3.46μV。噪声有效因子为0.43(1～200Hz)和2.08(200～5000Hz)。在整个通带中均实现了高于87d B的共模抑制比(Common-Mode Rejection Ratio,CMRR)和高于85d B的电源抑制比(Power-Supply Rejection Ratio,PSRR)。它消耗的功率为3.96μW/通道,占用的面积为0.244mm/通道。

关键词： 气体超声波流量计   单声道   耐高压换能器   动态可变阈值   低功耗实现   实验标定   不确定度分析  

摘要： 气体超声波流量计具有无压损、量程比大、测量精度高等特点,被应用在天然气、石油贸易等计量领域,特别适合于在大口径天然气管道测量。目前正趋向小型气体贸易计量方向发展,但由于交接场合复杂(包括城市燃气、地暖用气、商用煤改气等),涉及管道压力范围宽,就需要换能器能适用于不同压力场合的测量。由于燃气自身易爆炸,甚至有部分燃气存在毒性,为保证工业测量的安全性,设计要求系统的功耗较低,以便能采用电池供电,从而尽可能避免发生事故。同时,为了打入小型燃气的计量市场,需要采用单声道,通过减少换能器的个数来降低成本,但是,单声道仅能提取一个声道的线速度来拟合管道横截面的面速度,会使测量结果产生偏差。因此,为了将其推广到小型气体贸易计量场合,必须要满足耐高压、低功耗、单声道、高精度的设计要求。但是,由于耐高压换能器采用钛合金材料作为外壳,导致了严重的声阻抗不匹配,致使回波信号的品质受到影响,从而使得有些常规的方法不再适用。因此,本文提出适用于耐高压换能器的信号处理方法,并低功耗实现。为此,搭建气体超声波换能器的回波信号采集系统,对国产耐高压气体超声波换能器进行数据采集实验。通过对采集到的回波信号进行离线预处理,从而保证了回波信号的信噪比和光滑性。对离线预处理后的回波信号进行研究,分析出不同流量下回波信号的特点,确定了合适的特征段,得出特征段峰值点横、纵坐标的变化规律。基于回波信号的特征研究,本文从回波信号幅值变化角度,得出回波信号的幅值变化规律,提出了一种基于动态可变阈值的信号处理方法。该方法在回波信号幅值衰减时,通过结合峰值点横、纵坐标信息设定动态可变阈值,从而精准定位回波信号特征点,提高系统抗干扰能力。通过离线数据处理,对标定现场采集到不同流量下的50组回波信号进行处理,说明了方法的有效性。在实现步骤、特征点拾取的正确率和稳定性上,将动态可变阈值与可变阈值的信号处理方法进行比较,得出动态可变阈值的方法更适合处理耐高压换能器的波形,具备更强的抗干扰能力、更高的容错性,可以有效地提升可变阈值方法的量程。以STM32(STMicroelectronics 32-bit series microcontroller chip)低功耗系列的单片机为系统核心,研制变送器的硬件部分,主要包括回波调理模块、信号处理模块、激励电路模块、通讯与电源管理模块。所采用的激励方式,既能防止MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)电路在两路PWM方波输出同时导通,又节省激励功耗。利用固态继电器的动作时间短,模拟开关芯片切换速度快,设计了通道切换电路,以保证通道切换电路的响应速度。通过选用低功耗器件和优化电路结构,来降低系统功耗,保证测量精度。开发了变送器的软件,主要包括激励产生模块、脉冲上传模块等;分析了软件的工作流程,着重介绍了激励方式和脉冲上传方式。在激励方式上,通过PWM(Pulse Width Modulation)发送两路互补带死区且存在一定相位差的单极性方波,通过设置相应寄存器,结合MOSFET电路,最终实现双极性方波激励,与单极性方波相比,降低一半的激励功耗。在脉冲上传方式上,通过累积脉冲上传和最优分频系数确定相结合的方法,大幅度地提高了系统的脉冲上传精度。为了考核所研制系统的测量精度,在具备气体流量标定资质的重庆川仪自动化股份有限公司进行了音速喷嘴标定实验。标定结果表明,基于动态可变阈值的单声道气体超声波流量计的示值误差和重复性都满足国家标准对1级精度的相关指标要求。该系统不仅具有较高的稳定性和实时性,可测最大流量为423.481m/h,量程比达到1:21。同时,基于GUM(Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement)方法对标定结果进行三类不确定度计算与分析,更全面、客观地评估标定实验结果的可信程度。与课题组所研制的基于DSP(Digital Signal Processor)和FPGA(Field Programmable Gate Array)双核心的气体超声波流量计相比,功耗降低为双核心的0.9775%,为电池供电提供了可能。研制的气体超声波流量计符合耐高压、低功耗、高精度的设计要求,其精度已达到了日本爱知时计电机株式会社同类型产品相同的测量精度。

关键词： 两点调制   低功耗   压控振荡器   电荷泵   可编程分频器  

摘要： 物联网技术的高速发展,离不开低功耗、高性能短距离通信芯片。相应地,也要求低功耗、高性能的发射机。极性发射机由于其结构简单,避免使用高能耗的混频器与滤波器进行频率相位调制,降低了系统功耗与复杂度,得到了广泛应用。两点调制锁相环在极性发射机中负责相位调制,是极性发射机的重要组成部分。因此,进行低功耗、高性能的两点调制锁相环的研究设计具有重要意义。本文面向物联网短距离通信应用,以直接变频发射机中的两点调制锁相环为研究对象,阐述了两点调制模式下低功耗小数锁相环的设计。本文首先设计了一个调谐范围覆盖4.4GHz～5.2GHz的C类LC压控振荡器,设计了幅度反馈环路,通过检测交叉耦合管共源端电压,自适应调整栅极偏置电压,实现了起振条件、电路效率、相位噪声性能之间的较好折衷。分析了幅度反馈环路稳定性,得出了反馈运放指标。接着完成了锁相环中其他关键模块的设计,针对传统栅端开关电荷泵的充放电电流随输出电压变化的问题,改进了低压栅端开关电荷泵,实现了高电流匹配度,并设计应用于该电荷泵的轨到轨输入主从结构运算放大器,具有高共模抑制比的优点;对于多模可编程分频器,通过内嵌逻辑门的2/3预分频,提高了工作频率并降低了功耗。仿真结果表明,本文设计的锁相环在0.8V电源电压下,功耗小于2m W,锁定时间约为30μs,输出频率范围为2.2GHz～2.6GHz,100k Hz频偏处相位噪声约为-92d Bc/Hz,1MHz频偏处相位噪声约为-117d Bc/Hz;GFSK调制模式下,环路滤波器输出纹波控制在2m V以内,达到了设计要求。

关键词： 超结(SJ)   导通压降(Von)   关断损耗(Eoff)   EMI噪声   snapback现象  

摘要： 随着节能减排的迫切需求,如何高效化地使用电能越来越被重视,功率半导体器件作为电能处理和转换的枢纽,在电能的高效率转化中起着至关重要的作用。绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是目前运用较为普遍的功率半导体器件之一,兼具场效应晶体管和双极型晶体管的特点,具有导通损耗低、输入电阻大等优势。IGBT导通压降低是由于导通时漂移区内的电导调制,大量空穴和电子存储在漂移区内,使得漂移区等效电阻大幅降低。然而,器件的关断损耗也会因此变大,V与E存在折中关系。为了优化V与E的折中关系,人们提出了超结技术、短路阳极技术等方法,但同时又引入了新的问题,例如传统超结结构导致V增大、浮空P型超结结构导致耐压降低以及短路阳极技术会带来snapback现象等。针对超结技术和短路阳极技术存在的问题,本文提出了两种新结构:1.针对超结IGBT存在的问题,提出具有自适应空穴通路的超结IGBT器件。新器件在发射极一侧引入自适应空穴通路。在正向导通时,自适应空穴通路被耗尽并形成空穴的势垒,防止了漂移区内的空穴在导通时被抽走,增强了电导调制效应,降低了器件的V;正向阻断时,自适应空穴通路将P柱与发射极短接,防止了P柱电势随集电极电压上升而上升,超结对电场有了更好的调制,有效提高了器件的正向阻断电压;在关断过程中,自适应空穴通路逐渐从耗尽状态变为中性状态,空穴可以通过此通路被发射极快速抽走,E得以降低;在开启的初始阶段,从集电极注入并堆积在槽栅下方的空穴可以通过空穴通路被抽走,器件开启时的反向位移电流被抑制,栅控能力得到有效增强。根据仿真结果,新结构与传统超结IGBT相比,在相同的E情况下,将V降低了43.1%,同时使得器件电学性能对于N/P柱掺杂浓度不敏感;与浮空P柱超结IGBT相比,将正向阻断电压提高了19.7%,在相同V情况下,将E降低了50.5%,同时,在相同的开启损耗E时,使IGBT的d I/dt降低了47.2%,使FWD的d V/dt的下限值降低了68.1%,增强了抗电磁干扰能力,同时在相同FWD的d V/dt值时,使E降低了28.2%。2.针对短路阳极技术存在的问题,提出一种具有自适应开关n-MOS的LIGBT器件。新结构在阳极一侧引入了具有自适应开关功能的n-MOS。在正向导通时,由于阳极电压没有达到n-MOS的阈值电压,n-MOS无法开启,不能进入单极模式,有效避免了snapback现象的发生;正向阻断时,n-MOS开启并形成一条电子泄漏电流的流通路径,防止了IGBT寄生PNP晶体管被打开,有效提高了器件的耐压;关断过程中,阳极电压升高使n-MOS开启,在阳极处的电子可以通过n-MOS被快速抽走而不用等待复合而消失,器件关断时的电流拖尾现象得到缓解,关断损耗得以减小。仿真结果显示,在负载电流为100A/cm,相同V的情况下,新结构的E比传统LIGBT降低了37.2%,相同E的情况下,新结构的V比SSA LIGBT降低了21.7%;而在负载电流为200A/cm,相同V的情况下,新结构的E比传统LIGBT降低了26.7%,相同E的情况下,新结构的V比SSA LIGBT降低了23.1%。此外,新结构还将耐压值提高了13.9%。

关键词： 忆阻器   二维材料   低功耗   布尔逻辑运算   导电丝   可控性  

摘要： 忆阻器具有高速、低功耗、高擦写次数、保持性能好、与CMOS工艺兼容等优异的特性,在非易失性存储、神经形态计算、非易失性逻辑运算等领域拥有极大的应用前景,受到了学术界和产业界的广泛关注。但目前忆阻器领域还存在着一些急需解决的问题,首先在功耗方面,传统的基于氧化物、硫系化合物和二维材料的忆阻器操作电流较大,操作过程中会产生较大的功耗,不利于其在高密度存储器或存内计算等低功耗场景的运用;其次基于导电丝机制的忆阻器一致性较差,导电丝的生长和断裂比较随机而且难以控制。针对上述问题,本文探究使用二维材料对忆阻器性能进行优化和调控,寻找降低器件功耗和实现导电丝可控的方法,相关研究成果如下:(1)以降低功耗为目标,研究了基于二维Hf Se材料的超低功耗忆阻器。设计并制备了垂直结构的Ti/Hf SeO/Hf Se/Au器件,其中机械剥离的二维Hf Se材料及其表面经氧等离子体处理得到的超薄高“k”Hf SeO氧化层被用作阻变功能层。使用了XPS、AFM、EDS、Raman、SEM等对器件和材料进行了全方位的表征,并筛选了合适的氧等离子体处理参数和所用的材料厚度。制备出的器件具有无需forming、高开关速度(<50 ns)、低操作电压(<3 V)、高开关比(>10)、良好的保持特性(>15 ks)以及高热稳定性(>400 K)等出色的性能,更重要的是其操作电流和功耗分别降到了超低的100 p A和0.1 f J-0.1 p J,比现有的Hf基氧化物忆阻器都要低。通过TEM分析与机理拟合,确定了器件阻变机制为氧空位导电丝在2 nm Hf SeO氧化层中的形成和断裂。最后还利用此器件在实验上实现了超低功耗的布尔逻辑运算功能,为未来低功耗存内计算应用提供了一种理想的逻辑器件。(2)以探索导电丝的可控方法为目标,研究了基于二维GeSe材料的平面型忆阻器。设计并制备了平面结构的Ag/GeSe/Au器件,使用机械剥离的二维GeSe材料作为其横向的阻变功能层,将金属导电丝从三维的无序生长变为限制在一维的通道中。VASP计算结果表明Ag在GeSe表面的Zigzag方向迁移时势垒最小,为器件的设计提供了理论支撑,偏振拉曼分析可确定GeSe的晶体取向,为器件的制备提供了实现条件。电学测试表明器件具有超低的操作电压(V=0.27 V,V=-0.11 V)、较小的操作电流、优异的循环一致性、较好的保持能力(>10 s)和开关速度(<100 ns),并且与未经设计的器件和垂直结构的器件相比,经过设计的平面器件的一致性得到了显著改善,表明这种控制金属导电丝的生长的方案是可行的。通过TEM、AFM和机理拟合,确定了器件的阻变机制为Ag导电丝在GeSe表面形成导电丝的形成与断裂。最后根据器件的电学特性,分析了其在阻变存储器、逻辑器件、忆阻晶体管、选通管器件等应用的可能性。

关键词： 逐次逼近型模数转换器   二进制权重重组   寄生电容校正  

摘要： 模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)几乎是每个复杂集成电路的基本组成部分。尤其近年来,无线通信的迅猛发展为ADC在其中的应用提供了非凡的机遇。高度数字化的逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)ADC依托先进制程,在性能表现上获得了巨大的进步,其速度、精度提升的同时依旧兼具低功耗优势,从众多ADC结构中脱颖而出。所以研究高性能SAR ADC以满足低功耗、高质量的无线通信要求显得至关重要。本文调研了国内外SAR ADC的研究现状,分析了ADC的几种常见结构,最终选定了全差分的电荷重分配型SAR ADC。本文建立了MATLAB行为级模型,并利用该模型对非理想因素进行了分析。采样开关采用栅压自举结构,提高了采样开关线性度。DAC采用两段分段电容阵列结构,有效减小了DAC的面积和功耗。DAC采用二进制权重重组技术,在不增加总电容的情况下引入冗余,放宽了DAC的建立时间要求,纠正了比较器误判。同时DAC设计中引入寄生电容校正技术,在不使用额外校正电路和转换周期的情况下,减轻寄生电容对DAC线性度影响。DAC开关切换方式采用部分单调切换方案,与单调切换方案相比,功耗减少50%,输出共模电平变化减小一半,有效降低了比较器动态失调。高精度高速比较器采用预放大结合动态锁存比较器,降低了比较器失调和延迟,蒙特卡洛仿真结果表明比较器失调电压为0.85m V。SAR控制逻辑电路将比较结果直接反馈到DAC开关控制端,提高了ADC的转换速度。本设计采用SMIC 55nm CMOS工艺完成了SAR ADC的电路和版图设计,核心版图面积为180μm×140μm。系统后仿真结果显示:采样速率为50MS/s,输入信号频率接近奈奎斯特频率时,信号噪声失真比为80.7d B,无杂散动态范围为86.1d B,总功耗为7.6m W。

关键词： 无线体域网   信息采集   主动唤醒机制   数模转换器   反馈校准电路  

摘要： 无线体域网是一种以人体为中心的传感器网络技术，其通过放置在体表或植入体内的传感节点，实现对人体生命体征信号和环境信号的智能感知和监控。无线体域网实现中的关键技术包括:多传感器的信息采集、处理技术以及低功耗、可靠的无线节点微互联技术。　　无线体域网节点的实现面临三个共性问题:1、传感器的信息采集和数字化;2、低功耗的节点无线互联问题;3、执行部件的驱动信号产生问题。本文工作围绕上面三个研究问题，面向专门应用进行了一系列的理论分析和实验验证，主要研究内容和研究成果如下:　　1.针对高精度低功耗电荷数据采样，提出一种32通道全集成电荷读出电路方案，并进行芯片验证。针对特定系统后期数据分析的要求，本文对多通道电荷采样问题进行了深入的研究。采用相关双采样技术减小系统的失调和低频噪声;同时采用奇偶通道交叠输出方式，实现多通道信号快速连续输出。通过将采样保持电路和相关双采样电路集成到输出缓冲器，大大降低整体芯片的功耗和面积。测试结果显示，验证芯片每通道的功耗为1.5mW;在积分电容为7.8pF时，积分非线性小于0.1％，动态范围达到82.3dB。　　2.针对体域网无线互联对功耗的极端苛刻要求，本文回避了时间片自我唤醒的传统方案，研究一种基于唤醒接收机的主动唤醒机制。调研了唤醒接收机的实现结构，提出了一种带特殊激活电路的射频调谐结构唤醒接收机;接收机采用亚阈值电路设计方法，电路在UMC65nm工艺下设计验证，在灵敏度为-56dBm的情况下，功耗为76μW。　　在上述工作基础上，针对植入式无导线起搏器系统的超低功耗、小体积的设计难点，本文进一步研究一种全集成的直接射频包络检波结构接收机，并分析接收机电路的设计方法;设计的接收机在灵敏度为-50dBm的情况下，静态功耗仅为800nW。天线也是植入式系统的一个关键模块，文中还提出一种小型化天线的设计方案，提出的天线在10mm×10mm×0.6mm的体积下，实现690MHz的带宽和-16.61dBi的最大增益。　　3.针对体域网节点中执行器的高精度电压产生问题，研究并设计实现了一种4通道自校准数字修调高精度数模转换器(DAC)。电路采用一种基于差分差值放大器(DDA)技术的反馈校准电路，消除开关电阻不匹配问题。测试结果显示，提出的自动校准算法使得DAC的INL和DNL达到±0.65/±0.6LSB，并有效消除工艺、温度等因素的影响。