关键词： 模数转换器   电容开关切换策略   码字量化   逐次逼近   低功耗设计  

摘要： 逐次逼近型模数转换器（SARADC）,是当前ADC设计中广泛采用的一种结构,它不仅结构简单、功耗较少,并且片上使用面积小。随着模数转换器技术的发展,SARADC已经可以做到12位以上分辨率和10M以上的转换速率。在便携式、可植入生物医疗系统中,低功耗SARADC设计技术的研究也日益受到关注。典型的生物电信号采集量化系统包括:低噪声高增益模拟前端放大器、模数转换器等。其中模数转换器作为系统的核心模块,其性能对于整个系统都有着非常大的影响。因此,设计出低功耗、微型化、性能优越的SARADC是至关重要的。本论文对适用于稀疏信号量化的低功耗SAR ADC进行了研究,完成了一种10位低功耗SARADC的设计与仿真。该ADC由采样保持电路、CDAC、全动态比较器以及SAR逻辑等电路组成。在CDAC设计方面,基于传统的电容开关切换以及现有的新型电容开关策略,提出了一种伪单端低功耗电容开关切换策略,从而大幅度地减少了所需电容数目以及电容切换过程中的动态功耗,并通过MATLAB建模验证了该电容切换策略的可行性。在采样的生物电信号频率较低的情况下,系统采用同步时钟设计,降低了设计难度,简化了数字逻辑电路。采用全动态比较器,在较低电源电压和宽共模电压范围下仍能保持较好的性能。在130nm CMOS工艺下,完成了系统电路设计与仿真。仿真结果显示,有效位数约为10bit,SFDR约为72dB,达到系统设计要求。

关键词： 心脏起搏器   可集成化   心脏阻力测量   高可靠性   低功耗  

摘要： 据医学研究表明,当今世界每年死于心脑血管疾病的人数高达1500万人,居各种死因首位。心脑血管疾病具有高患病率、高致残率和高死亡率等特点,患病者通常表现为心动过缓、心率失常和心脏阻滞等,部分严重患者需要植入心脏起搏器以确保正常的心率从而缓解疾病。心脏起搏器作为现代治疗心血管疾病的主要手段,由于其存在的重要地位,为安全考虑,医学人员对其工作状态的实时检测十分关注。传统检测方法是利用心电图机实时观察人体心电信号进行有效检测,但医用人员检测信号时会存在十分耗时和复杂等问题,而且其体积和功耗较大,导致并不是超低功耗微型植入设备的首要之选。基于目前检测心脏起搏器工作状态已有方法的不足,以及电极导线松开或与心脏起搏器分离时会导致测量的心脏阻值会异常大的物理特性,本文提出一种可集成在心脏起搏器中,通过精确测量心脏阻力,从而实时检测起搏器工作状态的系统。该检测系统,通过设计微小参考电流注入心脏,用开关电容电路精确采样,利用软件算法将系统中检测到的数字电压信号有效转化成心脏阻力,并与预先在处理器中设置的正常心脏阻力比较和表决,从而实现有效检测。该系统利用电容比提供精确的电压增益,由于是闭环设计,增强了系统提取信号的稳定性,在降低输入参考电流与ADC分辨率前提下,得到精确检测信号。这无疑是在实现高精度测量的同时,极大降低系统设计复杂性以及功耗要求。本系统使用Multisim仿真平台进行设计和仿真,Altium Designer软件平台进行PCB设计,完成电路板级验证。测试结果表明,在2.5V工作电压50μA低参考电流下,检测精度高达99%,与传统检测方法相比设计的复杂性降低、功耗更低、安全可靠性更强。测试结果验证了系统设计的正确性与有效性。

关键词： 射频能量采集系统   整流器   宽带   低功耗   功率转换效率  

摘要： 随着集成电路产业的快速发展,在窄带物联网、无线传感器网络、可穿戴设备等领域,芯片的供能问题已经严重制约了其电路性能的提高。射频能量采集技术由于具有便利性、可持续性以及清洁性等突出优点,可为低功耗系统满足自供电的需求,已经成为解决供能问题的关键。目前已有的射频能量采集技术研究多集中在单频点,为了能够从弱的环境源中积累更多的功率,从而为负载提供更加稳定的能量,宽带射频能量采集技术已逐渐成为更加重要的研究方向。本论文基于SMIC 55nm的CMOS工艺,围绕着一种宽带射频能量采集系统设计方案进行研究与设计。内部核心电路模块包括阻抗匹配网络,RF-DC整流器,带隙基准源,低压差线性稳压器等。本论文首先在传统Dickson电荷泵整流电路的基础上,研究分析了多种对整流器结构的不同改进方式。最终采用CMOS桥式差分整流电路将二极管连接的晶体管的有效导通电压降到最小,并通过交叉耦合结构为电路提供偏置,从而获得较高的能量转换效率。后仿真结果显示,在输入功率为0d Bm,频率为953MHz时,PCE可以达到69.8%,稳定时间在1μs左右。其次,本论文在传统带隙基准结构的基础上,引入辅助电路,共源共栅电流镜以及RC滤波器结构用以增强电路的PSRR。通过添加单位增益缓冲器,保证输出电压不随负载变化。同时,启动电路的设计能够使带隙基准消耗更少的静态功耗。后仿真结果显示,带隙可以在1μs内稳定输出1.18V的基准电压,纹波为6m V,温漂小于10.8ppm/℃,电源抑制比在低频下优于70d B,高频时可达120d B,静态电流为11.02μA。接下来对LDO的基本原理及其性能指标进行了详细介绍,重点阐述了LDO的稳定性及其提升方法,然后提出一种电压翻转跟随器LDO结构,利用动态偏置电路实现了快速瞬态响应,添加米勒补偿电容C用于保持环路稳定性,功率管栅源极之间添加电容用于改善环路的PSRR。输出端与动态偏置电路之间添加高通滤波器,用来防止输出端的电压波动传递到动态偏置电路模块。仿真结果显示,输出电压稳定为1.16V左右,静态电流为6μA,纹波小于1.6m V,最大负载电流可达1.3m A。最后通过迭代设计进行仿真优化,完成了系统整体的版图设计。整体的后仿真结果显示,整体射频能量采集系统接收大小为0d Bm,频率为953MHz的射频信号,7μs左右输出电压达到稳定,纹波0.22m V。系统最大可为负载提供316μA的电流,整流器效率为69.8%,系统总体转换效率可达36.9%。在800MHz～2500MHz的频率范围内,整体效率可维持在36.3%～38%,系统整体性能良好。

关键词： 闪存器件   Dialog  

摘要： Dialog半导体公司推出AT25EU系列SPI NOR Flash器件,助力注重功耗、尺寸受限的联网设备开发。AT25EU系列专注于实现最低的功耗和最快的运行速度,从而实现最低的能耗。与现有的SPI NOR Flash解决方案相比,AT25EU系列最大的差异化特性是在不影响性能的前提下实现了更低的总能耗。

关键词： 温度传感器   低功耗   模数转换器   时域比较器  

摘要： 随着工艺制造技术的进步,电路集成密度越来越高,功耗快速增大,对温度进行检测监控以防止电路过热已成为电路设计中必不可少的部分。在高精度要求环境中的设备,温度会带来不可忽视的误差,例如高精度的仪表、时钟等。在医疗领域,人体温度测量仪是应用频率极高的医疗仪器。此外,对于功耗高的温度传感器,温度传感器电路自身发热严重,会导致温度检测器件检测到的温度值相较于实际需要检测的温度值有很大偏差。此外,随着人们对便携式和微型化设备需求的增长,对续航能力要求的不断提高,使得低功耗的研究与设计越来越被重视,低功耗CMOS温度传感器的设计也极为重要。基于130nm CMOS工艺,本文设计了一款低功耗CMOS温度传感器,主要包括感温模块和温度量化模块。感温模块采用工作在亚阈值区MOSFET栅极-源极电压V具有负温度系数的温度特性,由于工作在亚阈值区,具有低功耗的优势。本文提出一种感温电路结构,电路结构简单,且可得到一个正温度系数电压和一个负温度系数电压,两个电压的差值作为温度检测电压,相较于单个温度系数电压随温度变化范围增大。温度量化模块采用模拟数字转换器(ADC),感温模块产生具有温度系数的模拟电压信号,通过ADC转换为具有温度系数的数字信号。本文设计了一个10bits全差分逐次逼近型(SAR)ADC,为了减小功耗,在比较器模块,采用基于压控振荡器(VCO)的时域比较器;在电容开关切换时序模块,通过对ADC中电容阵列以及电容阵列开关切换时序分析,提出基于下极板采样的终端电容复用电容开关时序。电源电压为0.6V,参考电压Vref为0.6V,采样频率为50k Hz,对SAR ADC的整体电路进行仿真,得到有效位数(ENOB)为9.94bit,无杂散动态范围(SFDR)为76.80d B,整个ADC的功耗约为0.64μW。最后将感温模块输出模拟电压信号经温度量化模块量化,得到低功耗CMOS温度传感器在温度范围35℃-42℃内温度误差为?0.1℃,总功耗为0.7μW。

摘要： 翠展微电子推出一款针对人体被动红外(PIR)应用的超低功耗数字芯片M9401。该方案通过热释电红外传感器以非接触方式检测出人体辐射的信号,并将该信号转换成电信号输入到芯片中进行信号处理。该芯片的工作电流极低,典型的功耗只有4.5μA,并且在正常工作模式下具有1.4～3.6 V的宽电压工作范围。目前该芯片已经处于量产阶段,

关键词： 体域网   宽带   低功耗   FPGA  

摘要： 体域网是一种以人体为中心的由穿戴或可嵌入式设备组成的小型化网络,目前在人体健康检测方面应用非常广泛,未来在消费电子、娱乐和军事等多个领域应用前景广阔。随着人们生活越来越丰富多彩,人们对通信带宽的需求也越来越高,宽带体域网已经成为一个研究重点。在电池技术发展遇到瓶颈的今天,小型化穿戴设备存在的一个问题是续航时间比较短,如何更好地降低设备的功耗便成为当今社会的一个研究热点。在此背景之下,本文针对一种50MHz带宽低功耗体域网物理层链路展开研究并在FPGA上进行了设计与验证,论文主要工作如下:第一,确定体域网物理层链路的性能指标,并对其技术实现方案进行分析和选择。针对本课题特定的应用场景进行需求分析,确定了物理层链路的性能指标和技术方案选择。第二,对50MHz带宽低功耗体域网物理层链路从总体上进行设计。从总体框架、基带设计、发射机设计、接收机设计和低功耗设计几个方面对50MHz带宽低功耗体域网物理层链路进行了分析和设计。第三,对50MHz带宽低功耗体域网物理层链路从几个关键模块进行设计与实现。以Turbo编译码、时频同步等几个关键模块入手,从原理算法、接口设计、时序设计、和实现几个方面对50MHz带宽低功耗体域网物理层链路进行了设计与实现。第四,通过FPGA平台完成对50MHz带宽低功耗体域网物理层链路的测试与验证。通过FPGA平台对50MHz带宽低功耗体域网物理层链路进行了测试与验证,测试结果表明链路满足性能指标,并且其进行低功耗设计之后功耗降低了大概20%。本文针对一种50MHz带宽低功耗体域网物理层链路进行了分析、设计和实现,并通过FPGA平台对其进行了测试与验证,为低功耗体域网物理层链路的相关研究提供了理论和工程基础。

关键词： 响度补偿   助听器验配   低功耗   耳蜗听损   深度学习  

摘要： 响度补偿是助听器的核心功能,如何通过响度补偿来帮助用户更好地听见并理解声音一直是助听器领域的研究重点。近几十年来,学者们关于人类听觉系统的原理和特点,听力损失的生理学机制等方面展开了持续深入的研究,并提出了各种研究成果,包括各种听力学模型,响度和语音可懂度测量方法。这些研究成果中,有一部分已经被应用于助听器验配及响度补偿之中,取得了较好的效果,但是还有很多较新的成果还没有得到应用和推广。此外,现行的助听器验配流程还存在诸多不足。例如,目前的助听器验配工作普遍根据NAL-NL1/2等通用的助听器验配处方公式给出的处方进行,而这些处方公式只能得到长时语音平均频谱(long-term average speech spectrum,LTASS)下的处方增益,而不能给出各种频谱下的目标增益。此外,由于输出声压级越高意味着功耗越高,如果能够在不降低语音可懂度的前提下降低助听器输出声压级,将具有重要意义,然而现行的验配处方公式在设计时都没有将尽可能降低输出声压级作为目标。另一方面,近年来深度学习技术在很多领域取得了成功,然而由于缺少数据等原因,尚未有将深度学习应用于助听器验配领域的有关研究。将深度学习技术应用于助听器验配是否可行,如何利用深度学习进行助听器验配,都有待于研究。针对上述情况,本文开展了一些研究。本文的主要工作如下:(1)提出了一个非线性、多通道的响度补偿模型。该模型以一个近年提出的关于耳蜗听损的听觉模型,其对耳蜗内毛细胞和外毛细胞的功能进行了科学准确的模拟,因此基于该模型进行响度补偿能够更好地适应人类的听觉特性。本文提出的响度补偿模型建立了输入信号实时频谱,患者听力图和各通道目标增益三者之间的关系,利用该模型,能够根据患者听力图和输入信号的实时频谱确定当前的目标增益,相比于传统方法,基于该模型的响度补偿能够更好地适应各种频谱,为各种频谱特点的声音信号提供更好的响度补偿。(2)提出了一个用于评估助听器响度补偿效果的指标和具体实施方法。该指标综合考虑了响度补偿后音频信号的可懂度和声压级,与输出声压级呈负相关关系,与输出信号可懂度呈正相关关系。其中,语音可懂度的度量采用助听器语音可懂度指数(HearingAid Speech Perception Index,HASPI),该指数是近年来提出的一种针对助听器响度补偿结果语音可懂度的评价指标。为了能够反应响度补偿方法对不同听损类型和不同类型声音信号的效果,本文使用聚类方法从真实的听力图数据集生成了几个在统计学上具有代表意义的典型听力图,并以一定的年龄和性别比例从公开语料库中选择了足够数量的样本用于评估该指标。(3)设计了一个优化方法,对上述响度补偿模型进行了优化,并验证了优化效果。其中,优化过程基于遗传算法,优化的对象包括模型的滤波器组频响曲线和外毛细胞模块中输入声压级与输出声压级的关系曲线(I/O曲线)表达式中的几个关键因子。为了能够使助听器能够在尽可能低的输出声压级下提供足够的语音可懂度改善,本文以第(2)条所述的评价指标作为模型的优化目标。优化之后,本文构建了一个测试数据集,用于比较其与CHENFIT-AMP方法的性能,结果表明,本文的方法整体上能够在更低声压级条件下提供更高的语音可懂度,优化过程有效。(4)提出了一个基于深度神经网络的目标增益预测模型,使用目前最为通行的验配处方程序NAL-NL2的处方结果作为该模型的训练和测试数据。经过训练,该模型的预测误差最终收敛到可接受的范围内,说明该模型结构对于预测处方增益是有效的。同时,为了研究患者身份信息(如性别和年龄)与其听力图之间潜在的相关性是否有助于改善目标增益的预测效果,本文将性别和年龄信息加入了模型的输入,比较了加入前后模型性能的变化,结果表明年龄信息的确有助于目标增益的预测。

关键词： 能量采集系统   最大功率点跟踪   极低压启动   低功耗  

摘要： 随着集成电路技术日新月异的迅速发展,电路的小型化、低功耗化、高稳定性促进了物联网设备的广泛应用。同时,物联网智能设备具有的低功耗、小尺寸和低维护成本特性又反过来对低电压低功耗集成电路提出了新的要求,尤其是电源管理模块。电池供电的方式需要更换或者充电以维持长期使用,这种方式需要可长期供电的电源来支持,而能采集环境能量的能量采集电路作是具有潜力的供电方案。本论文关注于可实现最大功率点跟踪的低电压太阳能能量采集芯片,瞄准室内条件下太阳能采集应用。该芯片可以在仅有数百毫伏的极低电压条件下的工作,关键模块包括极低压启动电路、极低压时钟驱动电路、升压转换器电路以及最大功率点跟踪电路。因为室内光照条件远弱于室外,并且受限于物联网设备的小尺寸,光伏电池所能提供的电压在100-300mV左右,低于MOS管阈值电压,需要启动电路升压以达到正常电路工作的要求。本文通过低压的时钟产生电路、低压时钟驱动电路和交叉耦合电荷泵实现了低压启动电路,得到500mV电压。500mV的电压提供产生升压转换器控制时钟、分频电路、最大功率点跟踪电路的供电,并组成一个低压的负反馈环路,实现最大功率点跟踪(MPPT)。本文的电路采用130nm工艺,使用Cadence Virtuoso仿真,针对150mV的极低压启动应用,重点研究极低压条件下的环形振荡器、极低压反相器驱动电路、极低压启动升压电路和升压后的时钟产生电路的实现。由于极低压的限制,MOS管一般工作在亚阈值区,本文针对亚阈值条件进行电路改进,在低于300 mV的阈值电压的条件下实现150 mV的振荡时钟,并增幅到230 mV,配合启动电荷泵将150 mV的能量源电压提升到500 mV,启动时间是25 ms,之后的主体电路通过500 mV的电压供电,进一步升压,从而达到极低压条件下正常工作的效果,并且实现了对能量源电压锁定在150 mV最大功率点的效果。

关键词： 无线传感网路由协议   网络融合   AODV   分簇算法   OMNe T++  

摘要： 无线传感网可通过部署大量低成本节点采集大范围区域内的传感数据,在军事要地监测、工业生产、环境监测等领域具有广泛应用。目前,无线传感网研究与发展相对独立,其功能相对单一,在通信方式匮乏的应用场合,即使已部署传感节点搭建了无线传感网,其他网络在监测区域仍需重复搭建网络设备。无线传感网与传统的无线网络不同,传感节点的电池无法更换且无法稳定补充,所以网络寿命是无线传感网的主要性能指标。围绕以上问题,本文以支持以无线传感网为骨干网络的网络融合为设计目标,以减少通讯能耗为优化方向,结合已有成熟路由协议的优点,分别面向小规模和大规模无线传感网的应用场合,提出了两种路由协议。本文的研究为通信方式匮乏的应用场合提供了新的技术方案,发掘了无线传感网作为骨干网络的潜力,具体研究内容为:（1）针对小规模的无线传感网,本文在储存和计算资源要求较小的平面路由协议AODV协议的基础上,通过分析无线传感网的特点以及AODV协议原理,确定了优化和改进方案,提出了基于AODV的无线传感网路由协议。该协议移除了周期性地路由维护,采用跨层设计,使用以路由质量为判据的能量优先路由发现算法并重新设计了消息种类和格式以降低路由发现、维护、传输数据时的开销。（2）针对大规模的无线传感网,在基于AODV的无线传感网路由协议的基础上,通过对经典的分簇路由分析,结合分簇路由协议中的优点,从簇头均匀性、能量消耗与均衡、工作方式、孤立节点的处理等方面出发提出了二级Mesh无线传感网分簇路由协议。该协议相较于其他分簇协议,最大的特点是保留了平面网络拓扑结构的设计,设计了三种路由方式配合无线传感网相应的功能以达到更好的网络性能。（3）在OMNe T++中实现了路由协议并仿真测试,结果表明了本文设计的协议在网络寿命、传感节点间建立路由能耗以及路由选择上均有提升。通过搭建硬件测试平台,实现了基于AODV的无线传感网路由协议,测试了建立与维护路由、网络融合及传感数据采集的功能,验证了协议的可行性。