关键词： 逐次逼近型   模数转换器   高位分裂-低位重组   高精度   低功耗  

摘要： 模数转换器（analog to digital converter）即ADC,是将连续的模拟信号转换成离散的数字量,随着数字信号处理技术的发展,愈发凸显出ADC的重要性。在众多ADC结构中,逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）具有结构简单、低功耗、高精度、小面积等特点,在智能配电、工业控制、便携式电子产品等方面具有重要的研究意义,因此成为学术界研究的重点。本文根据智能配电中的电源监测应用领域,基于标准180nm CMOS工艺设计了一款12位采样率为200k S/s的高精度、低功耗SAR ADC,详细分析了SAR ADC中的关键模块,根据各部分的非理想因素,提出了改进方式。为实现SAR ADC精度、功耗、面积三个维度的最优化设计,本设计创新性地提出了改进型的分段式-高位分裂、低位重组电容阵列和匹配该电容阵列的冗余纠错算法,在不增加冗余电容的情况下实现了冗余纠错的功能,降低了面积和成本,且使用该种方法能达到满摆幅的输入电压。本论文完成了SAR ADC整体电路的设计、电路前仿真以及版图的设计、后仿真。后仿真结果表明,在ss工艺角,温度为125℃的情况下,SAR ADC的有效位数达10.97bit,SFDR为80.53d B最大整体功耗为0.351m W。结果表明本文所设计模数转换器在精度、功耗等指标方面达到了先进水平,可满足工业测量、智能配电监控等领域对低功耗、高精度要求。

关键词： ASIC芯片   物理设计   低功耗时钟树   布线规则  

摘要： 随着晶体管特征尺寸的不断缩小，时钟工作频率的不断提高，低功耗成为数字集成电路设计中的难点问题。从工艺技术进入深亚微米，动态功耗成为芯片的主要功耗。时钟树的设计影响着芯片的动态功耗，且时钟树功耗是芯片功耗的一个重要成分，因此时钟树的低功耗设计对芯片的功耗降低至关重要。数字集成电路设计流程包括RTL设计、DC逻辑综合、形式验证、物理设计以及静态时序分析等。时钟树的设计在数字集成电路设计中属于物理设计流程中的一个重要环节，本文将对物理设计中的时钟树综合进行低功耗的优化研究。　　本文基于一款130nm、时钟频率为100MHZ的ASIC芯片，对该芯片进行物理版图的全流程实现，并且对时钟树进行低功耗方面的研究。物理实现包括导入库文件、物理版图的规划以及macro/IO等单元的摆放、电源地线的布局、时钟树综合、布线以及金属/非金属填充，同时使用常用的降低芯片功耗的方法在布局阶段以及时钟树综合阶段进行低功耗设计。对于时钟树低功耗的优化，提出两种降低功耗的设计方法:1.对于时钟树驱动器的选择，利用标准单元库中驱动器的参数，提出三种驱动器选择策略并与参考策略进行对比分析，并且结合时钟树的扇出得到最优扇出与驱动器选择策略的组合。在最优扇出与驱动器选择策略下，时钟树功耗降低了5.82％;2.通过理论公式对时钟树动态功耗进行分析，得到降低负载电容、转换时间可以降低时钟树动态功耗。通过金属线寄生电阻-电容模型对动态功耗公式进行扩展，得到改变时钟树布线规则可以降低时钟树动态功耗。考虑到功耗与时序的折中关系，通过优值因子对功耗和时序进行综合优化，在不同工艺角下得到最优布线宽度和布线间距。在典型情况下，时钟树功耗降低了10.3％。最后，将常用方法与低功耗设计方法进行对比分析，综合考虑功耗和时序的影响，得到最优低功耗设计方法为时钟门控与扇出/驱动器组合相结合的方法，该方法下，时钟树功耗降低了29.1％，时钟偏差增加了4.18％。　　针对物理设计中的低功耗时钟树问题，本文展开深入研究，提出了基于布线规则的低功耗方法和扇出/驱动器组合的低功耗方法，为ASIC设计中的低功耗时钟树问题的研究发展提供重要的参考价值，有助于解决智能及可穿戴设备的功耗问题，促进芯片产业的发展。

关键词： 忆阻器   BiFeO3   Mn掺杂   低功耗   氧空位   导电丝  

摘要： 忆阻器作为新型非易失性存储技术之一,具有低功耗、高速度与集成密度高等优点,并且能够突破摩尔定律的限制与冯诺依曼瓶颈,实现存算一体的存内计算技术,在阻变存储器与高效神经网络方面都有非常良好的应用前景。BiFeO3（BFO）是目前室温下罕见的单相多铁性材料且具有阻变行为,它在忆阻器领域也被广泛研究。然而BFO薄膜作为忆阻器件时漏电流较大、阻变不够稳定且功耗不够低,相比其他阻变材料没有明显优势。元素掺杂是改进BFO薄膜微结构与电、磁性能的一种有效途径,它可以降低BFO薄膜中的氧空位与漏电流,已有研究发现Mn掺杂降低BiFeO3的漏电流并提高其多铁性能,但对于Mn掺杂提升BiFeO3薄膜阻变特性的研究还有待挖掘。本文采用磁控溅射技术制备了一系列不同Mn掺杂量的BiFe1-xMnxO3（BFMO,x=0,0.05,0.1,0.15,0.2）薄膜并借助XRD、SEM、AFM、XPS等微观分析手段进行形貌表征,研究了Mn掺杂对BFO薄膜的相结构、表面粗糙度、晶粒尺寸与Fe/Mn元素价态的影响规律。在此基础之上制备了一系列不同Mn掺杂量的Si/SiO2/TiN/BFMO/Pt忆阻器件单元,采用B1500半导体特性分析仪测量了BMFO器件单元的电学性能,包括I-V特性、数据保持特性、抗疲劳特性、多阻态特性与长期突触可塑性测试等,研究了不同Mn掺杂浓度下BFO基器件的功耗、高低阻态、窗口、保持能力等阻变特性的变化及其阻变机制。研究结果表明,10 at%Mn掺杂获得了晶粒细小、分布均匀与表面平整的BFO薄膜,并且可以稳定BFO薄膜中Fe3+的价态,大幅度减少薄膜中氧空位的数量与降低漏电流。制备的BiFe0.9Mn0.1O3忆阻器件可自限流,循环稳定性好,直流操作电压仅为-0.7 V～0.8 V,高、低阻分别为1 MΩ与25 kΩ,脉冲擦写次数达10～4次,单次Reset功耗仅0.67 pJ,开关速度小于20 ns;高Mn掺杂量的BiFe0.85Mn0.15O3与BiFe0.8Mn0.2O3忆阻器件中Mn掺杂溢出形成导电性很差的MnO2,导致氧空位形成导电丝后难以聚集,易呈现出多值特性和长期突触可塑性。论文研究结果可为制备高性能BFO忆阻器提供重要参考,对于开发新型阻变存储材料也具有重要的意义。

关键词： 宽带微功率网络   低功耗   路由协议   成簇   簇间传输  

摘要： 随着物联网技术的飞速发展与应用,人们日常生产生活中的需求也在日益提升,而宽带微功率网络因其高带宽、快响应、低时延、微功率的特点,已经被广泛地应用到智能电网、智能驾驶、环境监控、工业检测等方面。作为无线传感器网络的具体化形式之一,宽带微功率网络也受能量有限的限制,因此,设计能耗均衡的高能效路由协议,从而延长网络寿命,实现低功耗,成为研究热点和应用需求。本文主要工作如下:1.首先对宽带微功率网络及低功耗技术进行简单介绍,包括节点结构与网络体系,网络拓扑模型和能耗模型,以及网络模型中各层对应的低功耗技术,引出网络层路由优化技术。其次系统性地对路由协议的性能指标、特点、分类及典型协议进行研究,着重研究平面型和层次型协议,并进行比较分析,为后续协议的改进奠定理论基础。2.对经典LEACH协议进行详细研究,透彻了解其工作原理、优缺点,在此基础上,从成簇和簇间传输两个阶段,簇首选取、非簇首节点入簇和稳定传输三个方面进行改进协议的设计。在成簇阶段的簇首选取子过程中,首先通过理论推导来优化簇首比例,确立最佳簇首比,其次解决LEACH随机选择簇首的问题,引入能量阈值、剩余能量、周围节点密度、通信代价等考虑因子进行簇首竞选;在非簇首节点入簇成为簇内成员节点子过程中,依据能量和距离原则进行合理入簇,形成网络的非均匀簇集,均衡能耗,消除“能耗热区”;在簇间稳定传输阶段,结合剩余能量和距离因素,在簇首间进行单多跳的传输方式,均衡簇首间的能耗,形成网络的树型路由结构。3.将本文改进协议与LEACH等多个协议,从网络寿命、剩余能量、网络能耗、吞吐量等性能指标进行比较分析,验证方案的可行性和优良性,实验结果表明改进协议在网络寿命、能耗等多方面有一定的性能提升。

关键词： 短波授时   有效性筛选   精密时差测量   低功耗   高可靠   高精度  

摘要： 基于我国短波授时系统,对短波授时高精度应用的意义进行了分析。利用BD/GPS授时的高精度特性以及短波授时的高可靠性,通过BPM有效性筛选、精密时差测量和低功耗设计3个关键技术,设计了一种可靠的高精度授时系统。试验表明,上电驯服30 min,系统的定时精度达到±1E-10,满足高精度授时领域的应用需求。

关键词： 数模转换器   插值滤波器   ∑-△调制器   失配整形   噪声整形  

摘要： 随着CMOS集成电路技术的飞速发展，低功耗高精度的数模转换器在各类音频信号处理中得到了越来越广泛的应用。将高性能数模转换器作为完整的IP核集成在SOC中已经成为了数模转换器重要的发展趋势。本论文围绕音频数模转换器的低功耗高精度设计开展研究，从系统设计、结构验证、电路设计及数模混合仿真等方面进行了设计与优化，实现了一款完整的音频数模转换器IP核设计。本论文的主要工作包括:　　(1)基于过采样和噪声整形原理，完成了数模转换器的数字电路，包括∑-△调制器、插值滤波器以及失配整形电路的设计。采用系数编码、零点优化、多相分解技术等方式优化了电路的系统结构，采用了一种新型的门控时钟电路避免时钟毛刺的产生，同时采用时分复用运算逻辑的方式，降低了电路功耗。　　(2)针对多位量化的失配问题，采用IDWA的方法降低失配噪声的影响，改进了传统DWA在低频周期信号输入时会产生杂波的不足。在传统DWA算法的基础上，通过仅增加一位DAC单元的优化手段，将低频周期信号输入时的杂波移出信号频带，提高了信号的动态范围，通过Matlab建模验证了IDWA的有效性。　　(3)采用单运放结构实现多比特DAC和模拟低通滤波器，与传统架构相比，大幅降低了数模转换器模拟电路的功耗和面积。使用开关电阻结构DAC，在保证电路工作速度的基础上节省了电路面积和功耗，二阶低通滤波器使用MFB单运放结构，降低了电路对元件值变化的敏感程度，提升了电路稳定性。　　基于上述技术方法和实现手段，采用TSMC0.18μmCMOS工艺，完成了一款24bit音频数模转换器的芯片设计。数模整体仿真结果表明，该数模转换器动态范围达到了98dB，数字部分电流消耗为0.39mA，模拟部分为0.25mA，整体芯片核心面积为0.66mm2。与国内外的其他研究工作相比，本论文在功耗与动态范围上具有优势。论文的研究工作为高端音频数模转换器的IP化设计提供了借鉴和参考。

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： CMOS图像传感器   模数转换器   阈值窗口   延迟检测   模拟自校准  

摘要： 无透镜成像系统为实现生物细胞的即时检测（Point Of Care Testing,POCT）提供了新思路。其中,CMOS图像传感器是无透镜成像系统中的重要组成部件。然而,现存的CMOS图像传感器无法满足由电池驱动的细胞POCT系统的功耗需求,且其存在的散热问题会对细胞成像质量产生较大影响。因此,开展低功耗图像传感器的研究对于无透镜成像系统真正实现户外救援、远程医疗具有重要意义。列处理电路是CMOS图像传感器中的主要功耗来源,本文主要针对其低功耗实现技术进行研究。主要研究内容包括以下三个基本方面:第一,为达到减少转换次数的目的,本文提出了预设阈值窗口的方式,该方式通过对传统模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）的量化方式进行分析后,提出了一种低功耗量化方案,该方案将输入信号分为有效信息和冗余信息两部分,处于有效信息范围内ADC对信号进行量化,反之则不量化,输出固定码值;其中,针对阈值窗口的判断,每次成像采集之前只需要统计一组数据以确定有效阈值,之后根据该阈值进行低功耗量化即可;第二,为在维持精度的前提下实现低功耗要求,本文设计的比较器在传统的预放大加动态锁存结构的基础上,引入一种延迟检测的方法,该方法通过检测不同输入压差下的输出延迟差异来实现对预放大开通与关断的控制,从而实现低功耗的设计要求;第三,本文设计的斜坡发生器采用带有模拟自校准模块的积分型结构,解决了斜率偏移的影响,并通过电容存储校准模块的失调电压,抑制了反馈路径的失配。本文设计的低功耗列处理电路采用UMC180nm CMOS工艺设计实现,在电源电压1.8V下完成了该系统的原理图及版图设计,并对其特性进行了仿真和验证。该系统后仿真DNL和INL分别为+0.4LSB/-0.4LSB和+0.55LSB/-0.78LSB;在采样频率18.2k S/s,输入1.62k HZ的正弦信号下,ENOB为9.5bit,平均功耗RMS值为89.1μW。

关键词： 溶液法   高k栅介质   过渡金属硫化物   界面调控   场效应晶体管  

摘要： 随着芯片集成度不断提升,场效应晶体管(FET)尺寸需不断缩小。当器件特征尺寸缩小时,传统栅介质二氧化硅(Si O)材料已减薄至物理极限导致器件的漏电流急剧增大,采用高k(介电常数)栅介质可提升等效物理厚度,是有效的解决方案。近年来,铁电晶体管的负电容效应被证实可有效突破玻尔兹曼理论下器件亚阈值摆幅值(SS)的极限,构筑超低功耗的晶体管。单层/少层过渡金属硫化物(TMDs)是“后摩尔定律时代”集成电路产业重要的取代硅高迁移率沟道材料,因此基于高k栅介质构建高性能、低功耗二维TMDs基晶体管器件研究具有重要的意义。本文围绕溶液法制备高质量三元氧化物栅介质展开,通过优化三元氧化物栅介质氧化铪铝(HfAlO)的质量,化学气相沉积(CVD)工艺制备高质量纯半导体相碲化钼(MoTe)薄膜,快速退火后处理工艺优化HfAlO/MoTe界面,引入铁电性氧化铪锆(Hf Zr O)材料构筑堆栈结构降低器件功耗,实现高性能、低功耗MoTe晶体管器件。研究的主要结论如下:首先,采用溶液法制备高质量三元氧化物栅介质HfAlO,最佳制备工艺条件为前驱体浓度0.3 M,退火温度400℃,退火氛围95%N+5%H。HfAlO栅介质薄膜电流传输机制随场强增大依次是欧姆传导、肖特基发射和隧穿效应。制备HfAlO薄膜主要包含水解、分解和缩合三个反应。光电子能谱(XPS)表征阐明HfAlO呈现分布均匀的Al-O、Hf-O-Al、Hf-O非晶网络结构。其次,HfAlO栅介质可有效提高MoTe晶体管的电学性能,快速退火后处理工艺可调控HfAlO/MoTe界面从而改善器件的电学性能。原始MoTe晶体管呈现p型导电特性,载流子迁移率为2.85 cmVS。晶体管在50%N+50%H混合氛围250℃下退火2分钟可钝化界面悬挂键并修复界面空位缺陷从而改善界面质量,进一步提高晶体管电学性能,器件呈现p型输运特性,载流子迁移率为27.24 cmVS。此外,过高退火温度(>250℃)或过长退火时间(～30分钟)会促进HfAlO/MoTe界面发生化学反应形成Te-O和Mo-O键或Hf-Te和Al-Mo键,构成新的导电通道使器件性能恶化。最后,引入铁电性HfZrO栅介质可有效降低亚阈值摆幅(SS)从而降低MoTe晶体管的功耗。HfZrO/HfAlO堆栈结构MoTe晶体管呈现p型输运特性,载流子迁移率高达55.53 cmVS,亚阈值摆幅为110.16 m V/dec,与原始器件相比,载流子迁移率提高1855%,SS值下降63%,显著降低了器件功耗。综上所述,本文围绕溶液法制备高质量三元氧化物高k栅介质展开,探索了HfAlO/MoTe界面最佳退火后处理工艺,调控并显著提高了载流子迁移率,最终构筑高性能、低功耗Hf Zr O/HfAlO/MoTe结构的晶体管器件,从而为推动MoTe晶体管器件应用奠定了一定的基础。