关键词： 低功耗蓝牙   中频电路   复数滤波器   可变增益放大器   频率校准电路   直流失调消除电路  

摘要： 近年来物联网技术(Internet of Things,IoT)发展迅速,而无线通讯技术是物联网发展的关键技术之一。蓝牙具有低功耗和传输距离远的优点,并且兼容所有主流操作系统,目前蓝牙已成为绝大多数物联网设备的主要通信协议,而最新的低功耗蓝牙技术(Bluetooth Low Energy,BLE)的应用前景更加广泛。中频电路是低功耗蓝牙射频接收机中的关键电路模块,如何在满足射频指标要求的同时,实现低功耗和高性能一直是低功耗蓝牙芯片的重要研究方向。本文采用HG＿0.11μm CMOS工艺设计了一种应用于低功耗蓝牙低中频接收机芯片中的中频电路,该中频电路兼容BLE4.2和BLE5.0两个版本,在架构上采用复数滤波器(Complex Filter)和可变增益放大器(Variable Gain Amplifier,VGA)的级联链路。复数滤波器采用三阶切比雪夫I型有源滤波器结构,拥有两种中频频率和两种带宽,并且同时提供了10 dB的增益范围,其中运算放大器使用推挽输入的输入级,极大的降低了电路的功耗。滤波器中的电阻、电容器件采用阵列结构,并且设计频率校准电路(Frequency Calibration Circuit)对阵列进行调谐,使得滤波器在不同工艺角和不同温度下保持稳定的幅频特性。VGA采用具有高线性度的闭环结构,并提供了30 d B的增益范围。在VGA的环路中设计了直流失调消除电路(DC Offset Cancellation Circuit,DCOC)以消除直流失调偏差,从而达到提高电路稳定性的目的。本文利用Cadence Virtuoso软件对中频电路进行了版图设计,版图面积为750μm×1200μm,版图的后仿结果表明中频电路的中频频率和带宽分别为1/2 MHz、0.5/1MHz可调,增益范围为0～40 d B,增益步进为5 d B。在-40℃～85℃内以及SS、TT、FF各工艺角下最大纹波为0.59 d B,最大噪声系数为36.5 d B,最小三阶交调点为-12.5 mdB,整个中频电路的工作电压为1.5 V,总功耗为1.77 mW。

关键词： 低功耗   隧穿场效应晶体管   正偏p-i-n电流  

摘要： 当今电子产品的普及离不开集成电路的不断发展,市场对于低功耗静态随机存储器(Static Random Access Memory,SRAM)的需求日益增加。虽然CMOS技术是当下芯片产业的主要技术,但由于金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)在低电源电压下的局限性,CMOS技术在功耗问题上受到了很大的影响。在SRAM电路的设计中,MOSFET器件在较低工作电压下的亚阈值摆幅无法低于60m V/dec,极大限制了MOSFET器件在SRAM中的应用。由于隧穿场效应晶体管(Tunnel Field-Effect Transistor,TFET)可以在低电源电压下具有更小的亚阈值摆幅,因此受到了业内的广泛关注。但TFET器件也因为自身特性具有一定的局限性,不同于MOSFET器件的双向导电特性,TFET器件是单向导电的,而且TFET器件还存在不受控制的正偏p-i-n电流,这些都会影响TFET器件在SRAM单元中的应用,为了解决上述问题,本文提出了新型八管MOSFET-TFET混合SRAM单元电路。本文的主要工作内容如下:一、本文首先介绍了MOSFET器件在实际SRAM单元中应用的局限性,然后介绍了TFET器件在低功耗SRAM单元中应用的优势和局限性。其次介绍了带带隧穿和TFET器件的工作原理,并对TFET器件的结构、工作原理以及基本电学特性进行了具体的分析,比较了TFET器件和MOSFET器件的异同。之后介绍了几种典型的TFET SRAM单元电路,分析了TFET器件的单向导电性和正偏p-i-n电流对SRAM单元电路性能的影响。二、为了解决TFET器件在SRAM单元电路中存在的问题,本文提出了新型的八管MOSFET-TFET混合SRAM单元电路,并介绍了其电路结构、读写及保持过程中的工作原理以及在阵列中的应用。新型八管SRAM单元电路有着更好的电路稳定性以及较低的功耗。三、本文选取了两种典型的TFET SRAM单元电路与新型的八管MOSFET-TFET SRAM单元电路进行对比。分别在静态噪声容限、功耗以及读写速度方面对三种TFET SRAM单元电路进行仿真测试,仿真结果表明,在0.6V的工作电压下,所提八管SRAM单元在静态功耗方面比七管SRAM单元低了四个数量级,与十管SRAM相比,所提八管的写延迟降低了55%,所提八管的写噪声容限比十管SRAM也有了大幅的提高。所提八管SRAM具有较优越的工作性能。

关键词： 虚拟现实VR   全景视频   播放系统   投影计算   能耗优化  

摘要： 虚拟现实技术的出现改变了我们的生活,使得我们的感官刺激和体验感受能够跨越到不同的领域。作为VR技术落地应用一大热点的VR视频,也在市场上备受消费者的青睐。而随着如今用户对视频体验的要求日益提高,市面上的VR一体机和播放系统也在不断推陈出新,大量的对VR视频传输质量和视频分辨率,帧率的优化方法层出不穷,这些研究都从用户体验的角度对VR视频的播放进行了优化。但是也带来了一些问题,那就是随着视频质量和传输能力的提高,VR视频播放系统的能耗也在日益增加,良好的用户体验带来的代价便是对能耗节约的牺牲。所以本文从这一角度思考,提出两种从减少设备端图像投影变换操作角度入手的方案对VR视频播放服务进行能耗的节省,从视频的整个传输流程入手,研究影响图像投影变换操作的因素并且设计减少该运算的方法。该研究对如今的VR视频和虚拟现实硬件设备的改进发展具有重要的指导意义。VR视频的播放服务系统与传统的2D平面视频系统的播放处理有所不同,在传统的视频服务中,内存访问是技术的主要瓶颈,而在全景视频播放中,实时的投影计算则是主要瓶颈。在调查研究中发现,对于电池驱动的VR设备来说,超过50%的能源消耗来自于计算。因此本文从减少计算能耗这一角度入手,做了以下几点工作:（1）从该角度考虑,旨在设计提高虚拟现实中处理视频流水线中的计算效率。本文首先对影响视频处理的计算的因素进行了研究和总结,观察到通过利用头部方位和双眼相关的时间和空间位置之间的关系,寻找关系模式中的共同点,从头部方向相同和双眼投影模式确定情况下可以进行复用部分计算结果,从而带来计算的减少和能源的优化;（2）在另一个方案的设计中,通过对用户观看视频的目标物体对象的运动区域进行预测,对预测的运动轨迹所在的视场区域（FOV）进行预渲染,生成只包含目标对象的大小为用户视角的视频区域,从而减少全景视频的整个面积区域的投影计算,来达到节约能耗的目的。（3）在两个方案的实验设计中,通过对几个典型的VR视频进行比对播放,分别记录和分析两种方案下的计算能耗值和原始播放模式下的能耗值的大小,并且对数据进行分析,进而再引入主客观两种质量评估方法对提出的播放服务下的视频的质量进行评估。

关键词： Boost型DC-DC   迟滞电流模控制   低静态电流   低压启动   突发模式   直通模式  

摘要： 近年来,可穿戴设备、物联网等市场快速增长,对广泛应用于其中的DC-DC转换器提出了更高的要求,促使DC-DC朝着小型化、高效化、低成本的方向发展。本文设计了一款Boost型DC-DC控制芯片,静态电流仅有1.5μA,输入电压低至0.7 V,且输出电压可调,在低功耗场景具有较大优势。本文设计的Boost型DC-DC控制芯片采用迟滞电流模控制,不需要斜坡补偿电路和时钟,通过全周期电感电流采样信号去产生功率管的控制信号。当负载较小时,系统自动进入突发模式,在突发模式下,系统的大部分电路处于关断状态,以实现更高的效率。设计了新颖的低压启动电路,当输入电压为0.7V时,芯片也可以正常工作,且启动过程平滑。同时,还设计了直通工作模式和伪降压工作模式,当输入电压高于设定输出时也可以正常工作,进一步拓宽其应用场景。在电路实现方面,本文首先对迟滞电流模Boost型DC-DC的控制环路进行了小信号建模并进行了补偿网络的设计,利用Simulink进行了系统级仿真。基于HHGrace 0.11μm CMOS工艺,对系统子模块及整体电路进行了设计和仿真优化。仿真结果显示,本芯片具有0.7 V-5.5 V的输入电压范围,输出电压1.8 V-5 V可调,系统的静态电流低至1.5μA,最大电感电流为1 A。正常工作时,输出电压纹波小于10 m V;突发模式下,系统的纹波为输出电压的2%。在全负载范围内,芯片均具有较高的转换效率,负载为10μA时,转换效率在70%以上;100 m A负载下,系统的转换效率可达95%。

关键词： 保护电路   锂电池   单节   低功耗   蓝牙耳机  

摘要： 锂离子电池以其使用寿命长、比能量高、放电率高、安全性高、体积小、充电速度快等优点被广泛应用在各类便携式电子设备中。越来越多的便携式设备,例如手机,蓝牙耳机,智能手环等,都使用单节锂离子电池作为主要电源。但是锂电池工作时难免会出现一些过充,过放等异常状态,不仅损害锂电池寿命而且还会带来安全问题,这些缺陷使锂电池的保护显得更为重要。随着目前市场上许多手机都取消了耳机接口后,真正的无线立体声TWS（True Wireless Stereo）耳机逐渐成为耳机市场主流,研究一款可应用于TWS蓝牙耳机的单节锂电保护芯片是很有必要的。本论文设计了一款超低功耗的锂电保护芯片,芯片正常工作模式下,功耗电流值为0.4μA,休眠模式下,功耗电流值最大为2n A。芯片的低功耗设计是利用门控时钟技术搭建了低功耗电路,通过芯片内振荡器模块产生的时钟信号监控电池每个阶段的状态的方法实现。时钟信号产生的脉冲控制芯片保护检测功能每隔一段周期工作一次,降低了芯片的整体功耗,提高芯片性能。在本文中,首先根据芯片应用领域制定芯片特性,规格及封装形式。该芯片内置高精度电压检测电路和延迟电路,具有过充、过放、过流、短路等所有的电池需要的保护功能。内置一段充电过流检测电路及两段放电过流检测电路,芯片外围电路简单,只需在芯片外围加一个电阻电容,使用方便。同时芯片精度很高,这是由于使用了电阻修调技术,让带隙基准电压的模块精度提高。本芯片的制造工艺采用MXIC公司的0.18μm的BCD工艺。对设计的单节集成锂电保护芯片利用cadence平台进行了模拟仿真,同时还对实物芯片进行了功能验证。仿真和验证结果表明,芯片过充保护电压在4.3V～4.5V之间,过放保护电压在2.5V左右,过流及短路保护电流均在预期范围内,芯片功能正常。在此基础上设计并成功搭建了蓝牙耳机模块电路,在电路内贴装上设计的单节锂电保护芯片,对蓝牙模块电路上的单节锂电保护芯片进行功能验证,验证结果均符合预期范围,本文设计的芯片可以应用于蓝牙耳机的锂电池保护,达到预期设计要求。

关键词： ADC   Σ-Δ调制器   级联结构   开关电容积分器   运算放大器  

摘要： 信息技术数字化的飞速发展,使得人们对作为模拟与数字接口的高性能模数转换器(ADC)的需求愈加迫切。Σ-ΔADC以其独特的采样机理和噪声整形方式在精密模数转换领域获得广泛应用,并且由于Σ-ΔADC易于集成、具有与标准CMOS工艺兼容性好的特点,近年来其应用领域不断扩展。在微弱信号处理领域,如地震波检测、军用声纳探测等,精密ADC更是起着至关重要的作用。而Σ-Δ调制器作为精密Σ-ΔADC的关键构成部件,决定了Σ-ΔADC的性能,因而本文主要研究精密Σ-ΔADC前端调制器的结构与电路设计。本文研究了Σ-ΔADC的原理与关键技术,深入分析了不同结构Σ-Δ调制器的特点与性能,根据Σ-Δ调制器性能与调制器的阶数、过采样率和量化器位数等参数之间的关系,设计一种四阶、128倍过采样率、2-2 MASH拓扑结构的Σ-Δ调制器结构。对于多种非理想因素对调制器性能的影响进行了深入研究和仿真验证,确定了24位精密Σ-Δ调制器各模块的设计指标。本文完成了Σ-Δ调制器中开关电容积分器、带隙基准源、运算放大器和4位量化器等电路的设计。优化了两级运算放大器的结构与面积,获得了较高的增益、带宽和最佳相位裕度。对传统的CMOS共源共栅带隙基准源结构进行优化,引入了电压补偿电路,提高了基准电压的抗干扰能力。优化了4位SAR量化器中的动态锁存比较器,使其在较低功耗下获得了较高速度和灵敏度。应用Spectre Verilog工具对系统进行了数模混合仿真,并将输出结果导入MATLAB做分析,仿真结果显示,调制器输出信噪失真比SNDR为149.7 d B。最后,基于TSMC 0.18μm CMOS工艺完成了Σ-Δ调制器版图的设计并进行了后仿真,所设计的Σ-Δ调制器的版图面积为0.679 mm×0.7 mm,功耗为16.4 m W,得到Σ-Δ调制器的SNDR为142.6 d B,有效位数为23.4位。

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： 液晶材料   电光性能   碳纳米管   温度传感器   线性关系   低功耗  

摘要： 液晶材料广泛应用于显示领域,其电光性能的好坏直接影响了显示画面的品质。提高液晶材料的电光性能是目前显示领域急需解决的问题。相比于开发合成新型的液晶材料,通过掺杂的手段改进其电光性能不乏成为一种捷径。碳纳米管具有较大的长径比以及各向异性等特点,与液晶分子非常相像。在显示方面本文探究了该材料掺杂对液晶体系电光性能的影响。此外,在非显示领域由于液晶材料具有优异的热学性质其还可广泛应用于温度传感器领域,考虑到碳纳米管又具有一定导热性能,又研究了其对液晶温度传感器灵敏度与响应时间的影响。首先,配比出不同掺杂质量分数的碳纳米管与液晶材料RDP-09T-100的混合溶液,探究其对于扭曲向列相液晶显示模式电光性能的影响,实验结果表明掺杂浓度分别为0.01wt%、0.02wt%和0.03wt%时其阈值电压分别降低了2.4%、4.5%和8.7%,饱和电压降低了2.4%、4.2%和7.4%,响应时间减少了3.1%、9.7%和16.2%。该实验结果有效地改善了液晶显示器件的动态响应,降低驱动电压的同时又加快了响应速度,在一定程度上可改善液晶显示画面所谓的“重影”现象,为开发新型液晶显示器件奠定了一定的理论与实验基础。其次,在非显示领域利用液晶材料所特有的热效应,可开发出新型电容式液晶温度传感器。实验结果表明将液晶材料RDP-09T-100灌注到液晶盒以后,在固定电压固定频率下其电容变化率会随着外界温度的变化而发生线性改变,该线性关系的斜率会随着外加电压的增加而增加,也就是说外加电压越大该线性关系越明显,且该关系与液晶材料有很大关系,但是与所用液晶盒盒厚大小无关。另外,经过恢复性和稳定性等一系列测试表明该类型温度传感器的传感性能极佳。同时,经过一系列环境反应测试以及4*4阵列测试,该类型传感器也可以对不同温度做出相应的反应。当掺杂碳纳米管以后对该类型温度传感器的响应时间与灵敏度均有不同程度的改善,掺杂浓度为0.00wt%、0.01wt%、0.02wt%和0.03wt%时,其响应时间分别为0.115s/(p F·°C)、0.113s/(p F·°C)、0.111s/(p F·°C)和0.11s/(p F·°C),灵敏度分别为0.94p F/℃、1.02p F/℃、1.06p F/℃和1.1p F/℃。在实验中还发现该类型温度传感器在外加电压为0.1V时,其线性关系依然存在。以上实验结果表明这一发现在拓宽液晶相使用范围的同时又为当代低功耗电子器件的研制提供了强有力的实验基础。

关键词： 拓扑重构   多线程   网格简化   二次误差度量   特征保持  

摘要： 随着计算机技术的不断发展,网格模型逐渐运用于各个领域,包括影视动画,地理地图信息,虚拟现实,计算机视觉,计算机图形学,计算机辅助设计,有限元方法,计算几何等。工程领域中STL格式的三角网格文件常用于传输工程对象的三角网格模型,随着模型精度的提高,网格文件的数据量逐渐增大,数据量较大的三角网格文件不仅给计算机的存储、计算、传输带来了巨大的挑战,还一定程度上影响了模型的显示效率,给后续的模型处理带来困难。针对复杂的三角网格模型,本文的研究工作主要分为两部分,一方面提高文件读取及网格数据拓扑重构的效率,另一方面通过网格简化算法简化模型,构建模型的多分辨率表示形式。在文件数据读取及重构方面,本文提出了一种多线程内存映射的方法。利用内存映射技术建立文件与内存之间的映射关系,减少系统I/O操作,提高文件读取速度,当文件数据量比较大时,本文采用分段映射的思想,使用多个线程同时并行读取各个分段的数据,读取过程中建立三角形几何元素之间的拓扑邻接关系,实验结果表明,该方法有效提高了文件读取及数据重构效率。在多分辨率模型显示方面,运用网格简化算法得到不同分辨率的简化模型。在众多的网格简化算法中,二次误差度量算法计算简单,简化速度快,一定程度上能够保持模型的整体特征。但当模型的数据量比较大时,随着计算量的增加,该算法的简化效率开始下降,且模型整体的简化效果比较均匀,这样在简化率较大时容易丢失模型的局部细节特征。针对该问题,本文利用区域划分技术进行网格模型的简化,简化之前首先利用区域生长法对网格表面进行区域划分,划分后每个区域的三角形具有相似的几何特征,使得二次误差的计算可以由区域为单位进行,大大减少了计算量,使得模型的简化速度得到了有效的提高。之后针对二次误差度量算法容易丢失模型局部特征的问题,采用特征保持的网格简化方法,在二次误差度量的基础上同时考虑折叠边的类曲率及其边长,在总的折叠误差的作用下,优先简化较平坦的网格区域,推迟简化特征明显的三角形区域。实验结果表明,本文提出的网格简化算法在简化速率及简化效果方面较常用的二次误差度量算法均有较好的表现。

关键词： 宽输入电压稳压器   带隙基准   四级增益   嵌套米勒补偿  

摘要： 随着社会进入信息网络时代，汽车也逐渐成为生活以及工作的一种延伸，行车电脑、导航系统、汽车音响以及车载通信等电子电器数量的急剧增多在使得汽车更加智能化的同时，也使得消耗的电能大幅度增加，此外考虑到目前汽车电源为12V或者24V，这就要求汽车电子的稳压电路不仅要满足其高电压输入，还要求能够提供较大的带载能力以此来满足日渐增多的汽车电气系统的需要;另外，宽输入范围的稳压系统能够保证即使输入变化较大时也能稳定输出电压，从而保证电子设备的稳定工作;另一方面，针对野外工作的电子设备都面临电量供给有限，人们除了研发更新型的电池外，必须进行可靠电源管理模块的开发以高效的管理和控制电子产品的电量使用，而对于稳压系统就要求自身功耗较低，才能最大程度的节省电量消耗，从而提高电子设备的稳定工作时间。因此，本文针对以上市场开发了一款低功耗、大电流的高压LDO。　　本设计中在传统LDO的结构上，采用四级增益级级联来提高增益并改进嵌套米勒补偿结构来进行频率补偿;额外添加本地反馈网络用来抑制负载跳变引起的电压过冲;额外添加BP降噪端口来使用外部电容来减少输出电压噪声，并引进电压比较电路避免基准电压建立过慢;另外使用五个三极管作为温度传感器放置功率管不同位置来保证芯片过温关断;针对不同端口设计两种不同的ESD结构。本文内容安排：首先，研究分析低压差线性稳压器系统结构，给出LDO关键性能参数定义，并讨论其影响因素。其次，从整体电路性能参数出发，宏观进行电路设计，比如模块的静态电流分配，功率管的选型等。然后，给出各模块进行工作原理的定性分析并对性能参数进行定量计算，在参考传统LDO模块的基本结构的基础上，给出了本文改进后所采用的具体电路结构以及模块仿真结果。接着，总结了电路版图设计中需要注意的问题，给出版图设计的最终方案，最后给出流片后的测试结果。　　本次设计基于180nmBCD工艺平台，使用Cadence软件对电路系统进行设计和仿真，并使用其平台下的Virtuoso布局编辑工具来完成LDO的总体版图布局设计。此LDO电路最终能实现最高输入可达36V，直流电压输出工作范围：0.8V至4.7V实现步径0.1V可调;5V至12V步径0.25V可调，输出电压精度可达±3%，带载电流可达500mA，在无负载和输出电流为50mA时，其静态电流只有4.2μA。此款LDO适用于车载电子、通讯、音频视频设备等，具有一定的市场应用价值。