关键词： 隧穿场效应管   模型   反相器   低功耗  

摘要： 集成电路的发展一直遵循摩尔定律快速前进,随着晶体管的数量不断增加,同时芯片的性能也在不断提高。目前集成电路的尺寸已经进入纳米级,传统MOSFET中短沟道效应和高频寄生效应等问题日益严重;同时由于MOSFET的亚阈值摆幅受到玻尔兹曼分布的限制,在室温下难以突破60 m V/dec的极限,工作电压VDD不能和器件尺寸等比例缩小,因此传统MOSFET电路功耗问题已经成为延续摩尔定律最大的挑战。为了克服MOSFET的自身物理极限,隧穿场效应晶体管TFET（Tunneling field effect transistor）成为研究学者竞相研究的对象。TFET基于带带隧穿的工作机制,能够在较小的电源电压VDD下获得大的电流开关比,适合低功耗电路的设计。目前科研人员已经针对TFET器件展开了大量基础研究,但对TFET解析模型的研究尚未成熟,还没有能够精确模拟TFET器件端电流以及端电荷的解析模型,这会限制TFET器件及其电路的应用前景。本文主要内容如下:首先,根据TFET的工作原理,提出了一种基于TFET电势模型的电流方程。通过泊松方程推导双栅TFET电势模型,进一步求解最小隧穿距离得到最大隧穿概率,最后将隧穿概率沿着沟道方向进行积分得到隧穿电流。将模型通过SPICE仿真软件写入电路设计中。仿真结果表明所建立的模型能够准确的描述器件的电学特性,且不涉及数值迭代过程,对计算机硬件要求低,模拟效率高,推动了TFET在电路上的深入研究。其次,解决了基于电势模型的互补型TFET反相器电学特性的匹配问题。通过调节PTFET和NTFET的源区掺杂浓度,栅氧化层厚度改善了TFET反相器电学特性不匹配问题,通过改善PTFET和NTFET功函数的不同来调节阈值电压使NTFET与PTFET器件性能得以匹配,解决了CTFET反相器在匹配中PTFET和NTFET特性对称的问题。最后,为了实现高性能,低功耗反相器特性,分别从静态功耗和动态功耗两方面对反相器进行了低功耗设计。采用DTCO理念,探究了TFET物理参数对TFET电学特性的影响,对比了CMOS与CTFET反相器功耗方面的不同,展示了TFET在低功耗电路应用上的潜力。

关键词： 环境数据采集系统   6LowPan   cc2538   低功耗  

摘要： 本文简要分析了环境数据采集系统的设计流程,分析了数据通过传感器最终传到PC机Web界面的过程,进行了系统实现所需的传感器模块、单片机模块以及网络模块等主要器件的选型分析,最后给出了环境数据采集系统在现实生活中的应用场景与构想.

关键词： 模数转换器   逐次逼近   异步时序   冗余位  

摘要： 随着社会的发展,人们需要处理的信息越来越多。数字信号处理技术为人们提供了进入大数据时代的有力工具。而模数转换器正是将模拟信号转换为数字信号的关键模块。逐次逼近式模数转换器(SAR ADC)因其简单的结构、较低的功耗和良好的改进潜力在诸多结构中脱颖而出,成为模数转换器研究的热点,广泛地应用在各种移动设备和医疗设备当中。本文在详细介绍和分析SAR ADC原理的基础上,采用180nm工艺,设计了一款10bit同步时序SAR ADC,并在此基础上进行改进,设计了一款14bit异步时序SAR ADC。传统的电荷式SAR ADC,其电容阵列排布遵循2的幂次叠加,整体面积也随着精度的上升而成指数增大。本文在设计中,使用分段电容结构,将整体电容阵列分为LSB和MSB两个部分,减小了整体的电容面积。此外,在MSB段的电容阵列中加入了冗余位,以此减少ADC误码的影响。通过对于同步时序和异步时序两种结构的设计和比较,最终选择了TSPC模块搭建的异步时序结构,并且对于切换的过程加以改进,相较于传统的下级板电容切换方式,整体电容阵列的面积减小了一半。最终设计的14bit SAR ADC在5MS/s的采样率下,有效位数13.5位,SNDR83.03d B,品质因数20.7f J/conversion–step,达到了较好的性能。

摘要： 失速速度是民用运输机重中之重的重要科目。由于性能与操纵品质多项指标都是基于失速速度确定的,所以要求及早完成失速速度试验,以供后续试验使用。本文主要研究失速速度的数据换算方法,同时运用多线程加速的编程方法,加速数据计算,并将该方法应用于民用运输机的数据处理当中,对于今后民用运输机在该方面的试飞具有一定的参考价值。

关键词： 微控制单元   Cortex-M0   AMBA   数字低功耗   FPGA验证  

摘要： 二十一世纪以来,随着集成电路的迅速发展以及其代工厂工艺节点的不断缩小,我们的工作和生活早已与集成电路密不可分。5G、自动驾驶、工业控制、物联网等新兴产业更是依赖于集成电路,而其中微控制单元（MCU）则是必不可少的核心模块之一。目前绝大多数MCU产品都是基于ARM公司提供的CPU针对不同的应用场景进行设计,最为普遍的是八位和十六位的MCU,能够基本满足中低端的市场需求,但是在未来,高效、低功耗的三十二位MCU一定会成为市场的主流。本文基于高性能以及低功耗的需求,选取了ARM公司的Cortex-M0作为CPU,基于AMBA总线协议,结合FPGA上板调试完成了一款32位MCU芯片的设计、流片以及验证。本文遵循由上到下的设计原则,首先分析了Cortex-M0核内部结构以及AMBA总线协议,为后续MCU架构的设计以及各个模块的设计提供了理论基础。接着阐述了数字IC功耗的来源以及低功耗的具体实施方法,为各个模块的低功耗设计提供理论基础。本文基于MCU系统功能定义以及模块的划分,完成了MCU架构设计,并对各个子模块进行Verilog硬件语言的编写及仿真,在此过程中基于功耗优化理论经行了低功耗设计。在完成各个模块的设计之后编写顶层例化,至此完成源码的设计阶段。之后结合Keil开发工具和FPGA实现软硬件的联合仿真,极大增强了设计的可靠性。本文设计了两版MCU,第一版在完成了源码编写以及仿真之后,基于CMOS180nm工艺,继续完成了DC综合、INNOVUS布局布线、后仿真以及版图的输出。设计PCB以及测试平台的搭建完成芯片测试。3.3V给IO供电,1.8V给内核供电情况下,工作电流在0.01A左右,时钟频率最高能跑到50MHz,逻辑输出基本符合预期。第二版在第一版的基础之上,改进了MCU架构以及增加了核心的中断服务模块,极大地降低了功耗,增强了MCU的实用性。基于CMOS 65nm工艺,继续完成了DC综合、INNOVUS布局布线、后仿真以及FPGA验证。应用软硬件结合方式并结合FPGA对MCU进行了验证,时钟频率最高能跑到80MHz,在给予不同的外部中断时,MCU能正确响应中断并在指定从设备将结果正确输出,与仿真结果一致,符合设计预期。

关键词： 带隙基准电压源   低功耗   亚阈值   输出可调  

摘要： 带隙基准电压源是集成电路中一个重要的模块,在各种数模混合电路中都有应用,带隙基准的研究一直是电路设计中的重点。对于传统的带隙基准电压源来说,对电源电压要求较高,随着集成电路的规模增大,特征尺寸以及集成度都在快速发展,芯片的散热问题就变得不可忽视。对于不同的芯片来说,所需要的供电电压也不一样,对于带隙基准的性能要求变得越来越高。本文第一章介绍了带隙基准的研究背景以及国内外的研究状况。第二章介绍了传统的基准电压源的工作原理,着重分析了带隙基准电压源电路,对其输出电压进行了推导,并列举了一种输出可调的带隙基准电压源电路,该电路可通过改变负载电阻的值来调整输出电压大小。第三章详细说明了输出可调的带隙基准电压源的设计。利用在亚阈值区的MOS管代替双极性晶体管,提出了利用MOS管栅源电压的负温特性来产生负温度系数电压的电路以及利用两个MOS管的栅源电压差(35)V来产生正温度系数电压的电路,并对其温度系数及输出电压进行了详细的计算,通过电路串联将两者的输出电压求和,并通过调整两种电路中MOS管的尺寸来调整其温度系数,从而获得一个与温度无关的输出电压。再通过工作在可变电阻区的MOS管的等效电阻将其转化为电流,通过外部控制信号控制开关的闭合来改变输出负载等效电阻,实现调整基准电压大小的目的.电路可以通过输出调整电路输出0.76V及0.38V两种输出电压值。第四章对电路的各个性能参数进行仿真以及绘制了电路的版图,并对其进行了后仿真。本文设计的电路基于tsmc 180nm工艺设计,电路使用MOS结构,不使用电阻及双极性晶体管。利用virtuoso进行仿真,当开关S1闭合,S2断开时,仿真结果显示本文设计的输出可调的带隙基准电压源在供电为1.2V时,电路可以输出760m V的基准电压,并可以通过输出调整电路对输出电压值进行改变。在-20℃到80℃的温度范围内,TC为41.5ppm/℃,在低频时PSRR为-63d B,当频率为100Hz时输出噪声为4.52(?),在电源电压为1.2V的时候,电路功耗仅为52.8n W。并根据版图设计规则设计了电路版图,对其性能参数进行了后仿真并与其对应的前仿结果进行了对比,关键性能参数符合低功耗带隙基准电压源的设计要求。

关键词： 可穿戴式设备   低功耗   无线数据采集   LoRa通信  

摘要： 野外训练是提升部队士兵体能和战斗力的重要方式,对于建立强军强国的部队具有重要意义。计算机辅助训练技术的应用,对军事训练过程中的士兵信息管理、训练方案的实施、士兵运动状态的检测、保障训练过程安全等方面,都有非常实际的意义。计算机辅助训练的关键是训练场所士兵训练的实时数据采集,对运动形态的模式识别。野外训练的地理环境复杂,包括山林、湖泊等;训练时间段不定,白天夜晚都有训练任务;训练场景多样,会放置形状各异的障碍物;参训人员数量较多,人员之间经常互相遮挡。这些因素对于基于图像处理技术的运动形态模式识别、全天候使用存在一定的难度,某种程度上应用受限。野外训练中采用传感器技术采集士兵的各项运动参数,对上述提到的各种复杂情况,是一种有效的实施方法,可以满足野外训练的各种情况。人体装备的传感器不受白天黑夜的影响,周边的障碍物和人员的重叠不会影响传感器的数据。根据野外训练的特殊场合,本文研究的野外训练计算机辅助系统,信息采集和运动模式识别主要基于传感器技术。论文主要做了以下几方面的工作:1)分析系统的功能需求,给出系统设计方案,由用户单元模块、上位机接口和计算机三部分组成系统。用户单元模块是可穿戴式设备,由部位数据采集单元和数据汇总单元组成,采集每一个士兵装备的传感器运动信息并发送出去;上位机接口接收单元模块用于接收和存储多个训练士兵发送的数据,向计算机发送数据;计算机实现对数据的处理。确定用户单元模块内部信息采用无线通信方法、用户单元模块和上位机接口单元模块采用LoRa通信方法、上位机接口单元模块和计算机采用LAN通信方式。2)根据系统设计方案,对加速度传感器、大气压传感器、定位传感器、无线通信模块、PHY芯片和微处理器等选型、确定接口电路。完成原理图设计、PCB布局和硬件电路制作。3)上位机接口部分的软件设计。在嵌入式处理器中通过移植Free RTOS设计一个数据管理存储系统,对上位机接口中的Flash,单元索引为每个用户单元模块保存识别信息以及现场工作数据,对Flash的数据采用FAT管理,单元的运动信息包括GPS位置、高度、步数及运动类型,用结构体的形式保存到单元信息。另外用三个线程分别实现以太网通信、LoRa通信管理和运动数据运算。4)部位数据采集和数据汇总单元的软件设计,对大气压传感器和加速度传感器的实时数据进行分析,根据加速度传感器的数据变化规律,控制传感器的转换速率。检测在设备不使用的情况下,关闭大气压传感器。以满足穿戴设备节能低功耗的需求。微处理器通过串口的RX端口接收北斗定位信息,由于通信数据速率高,USART采用DMA工作模式接收北斗数据。对LoRa模块的协议栈进行移植。LoRa的SPI同样采用DMA通信方式。通过DMA控制,可以大幅降低微处理器的负荷。

关键词： 数字电路   低功耗   触发器   电平转换器   上电复位  

摘要： 随着集成电路工艺的发展和系统复杂度的提高，功耗问题逐渐变成限制集成电路发展的关键问题。另一方面，智能物联网的发展使得便携式电子设备市场呈现爆发式增长，而此类设备的应用场景和产品形态都对集成电路的功耗提出了越来越苛刻的要求。因此，大力发展低功耗集成电路设计技术势在必行。　　作为数字芯片的基础，底层基础数字单元的功耗对数字系统的功耗有着重要影响，优化底层基础数字单元的功耗能够有效改善数字系统的功耗问题。本文着眼于低功耗基础数字电路设计，从低功耗标准单元、低功耗功耗管理单元以及低功耗基础数字IP三个方面展开研究，有效解决了低功耗基础数字电路设计中的关键问题。　　首先，本文对低功耗标准单元设计进行了深入探究，给出了低电压下标准单元的尺寸和结构设计的基本方针，同时对标准单元中的关键单元触发器进行了重点设计。针对传统主从触发器由于冗余操作造成的功耗浪费问题，本文提出了一种低功耗保持TSPC触发器，该触发器采用输入感知预充策略，辅以浮动节点分析和晶体管级优化，有效降低了触发器的功耗。基于SMIC55nmCMOS工艺的仿真和流片结果显示，对于10％的数据翻转率，在不同电压下提出的触发器相比于传统触发器功耗至少降低了73％。针对传统主从触发器的延迟问题，本文提出了一种低延迟低功耗SAFF，该触发器对传统灵敏放大器型触发器进行了功耗优化，通过降低灵敏放大器的预充负载，辅以简化的单端锁存器，有效降低了触发器的延迟和功耗。仿真结果表明，该触发器的D-to-Q延迟相比于传统主从触发器降低了68.6％，且功耗也有一定程度降低。　　然后，本文探究了低功耗功耗管理单元设计方法，重点设计了功耗管理单元中的关键单元电平转换器。针对传统电平转换器转换范围窄，漏电大的问题，本文提出了一种低漏电宽范围的电平转换器。该电平转换器采用二极管限流器，解决了传统交叉耦合式电平转换器中上拉网络与下拉网络的失配问题，同时采用超截断技术和分裂反相器优化电平转换器的漏电。仿真结果显示，该结构能够实现0.12V到1.2V的稳定电压转换。对于0.3V到1.2V的电压转换，该结构的漏电低至27.82pW。上述电平转换器有效解决了电平转换器的漏电和转换范围问题，但在低电压下有一定的速度损失，对0.3V到1.2V的电压转换，延迟达到70.77ns。针对这一问题，本文提出了一种低延迟低漏电电平转换器。该方案基于电流镜结构，采用混合阈值电流镜技术有效解决了切断直流通路后的节点压降问题，同时采用超截断技术进一步优化了电平转换器的漏电。仿真和流片结果表明，这种结构在保持低漏电宽范围特性的同时，延迟大幅度下降，对0.3V到1.2V的电压转换，延迟仅为19.54ns。　　本文还对常见的基础数字IP进行了低功耗设计。首先，本文提出了一种低功耗异步迭代乘法器，用以解决传统迭代乘法器中因无效的迭代操作造成的功耗浪费问题。该乘法器采用异步控制策略，大幅度降低了电路的翻转率。仿真结果表明，该乘法器相比于传统同步迭代乘法器功耗至少降低了23％。然后，本文提出了一种低功耗进位选择加法器，用以解决传统进位选择加法器中冗余逻辑造成的面积和功耗浪费问题。该加法器采用由一个XOR/XNOR单元和两对sum-carry单元组成的底层双进位加法器，辅以混合逻辑设计，有效降低了加法器的面积和功耗。仿真数据表明，该加法器相比于传统进位选择加法器功耗降低了72.2％。再者，本文提出了一种低功耗10晶体管上电复位电路，用以解决传统上电复位电路静态功耗高、精度低的问题。该上电复位电路基于电流参考和电流比较器结构，仅用10个晶体管即实现了高精度低功耗的上电复位电路。仿真数据表明，该上电复位电路在不同工艺角和温度条件下，触发电压偏差仅为34mV，在0.5V的电源电压下静态功耗低至36nW。　　基于上述提出的低功耗数字基础电路，在SMIC55nm工艺下，本文设计了一款低功耗微处理器芯片，并完成了仿真和测试工作。测试结果表明，该微处理器的内核在0.5V电源电压下能耗低至2.17uW/MHz，达到了预期指标。

关键词： 忆阻器   低功耗   导电细丝   柔性器件   突触  

摘要： 随着信息时代的快速发展,数据、图像、视频等信息量日益膨胀,迫切需要开发低存取功耗、高存储容量以及多功能特性的存储器。目前主流存储技术主要是闪存,但由于其擦除速度慢、写入速度慢、达到了微缩的极限,人们需要开发新型的存储材料和器件。忆阻器（也称为阻变存储器）,由于其擦除写入速度快、功耗低、存储密度高、可用于三维集成技术等特点,有望成为下一代非易失性存储器。而且,由于其传输特性类似于生物突触,基于忆阻器的神经形态计算研究也成为信息领域的热点。本论文首先研究了Bi掺杂对SnO2忆阻器的阻变特性的影响。利用磁控共溅射法制备ITO/Bi:SnO2/Ti N忆阻器件并对比未掺杂的ITO/SnO2/Ti N存储器件。研究表明该忆阻器呈现典型的双极性阻变特性,且通过掺杂Bi元素成功的提高了器件性能的一致性与降低了功耗（通过降低操作电压与操作电流）。其性能随铋掺杂浓度变化有所改变,结果表明铋掺杂浓度为4.8%的器件性能最优,较纯氧化锡器件功耗降低幅度最大。论文进一步研究了Bi:SnO2忆阻器的阻变机理。通过电流拟合结果得掺杂前后ITO/Bi:SnO2/Ti N器件均为导电细丝机制。进一步通过TEM等表征手段,观测到阻变层中间形成氧化锡晶体,且铋原子环绕分布于氧化锡结晶周围。由此,我们提出了新型同轴铋原子导电细丝,成功解释忆阻器功耗降低及性能优化的原因,并且拓展了人们对忆阻器阻变机理的理解。论文还重点研究了基于二维Cu3P材料的光电柔性忆阻器。该忆阻器具有良好的循环稳定性、较大的存储窗口以及光电调谐多级存储特性。同时,忆阻器弯曲半径达到10mm,弯曲次数达到10～3次,阻变性能均未退化。进一步对忆阻器的类脑学习行为进行研究,结果表明Cu3P忆阻器在光电调谐下能够实现多种突触仿生功能,且具有“学习-遗忘-回溯”的人脑学习记忆功能。综上所述,论文通过材料优选和结构设计的方法,获得了低功耗忆阻器并提出新型同轴导电细丝模型以及高性能认知忆阻器,为忆阻器的性能优化、功耗降低以及机械柔韧性改善等关键性的科学问题提供了有效方法。本研究为忆阻器的非易失性存储和神经形态应用奠定了硬件基础。