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： 磁存储器   物理设计   多阈值电压   门控时钟  

摘要： MRAM磁存储器是一种新型的、基于自旋电子器件的存储器,可以通过外加电压使磁化薄膜中磁矩发生转换,从宏观表现出高阻和低阻这两种相差较大的电阻状态来保存数据“1”和“0”。MRAM的优点是非易失性存储器,掉电后数据仍能保持,同时磁存储器的读写工作时间非常短暂,可到达CPU中缓存的数据存取速度。MRAM的存储密度性能也非常优良,由于器件尺寸较小,它可以达到Flash的存储密度,这些特性有望使MRAM成为一种新型的主流存储器。而低功耗技术是如今集成电路设计中非常热门的一项技术。常见的集成电路低功耗设计方法主要有多阈值电压技术、多电源电压技术、门控时钟技术、门控电源技术等,这些方法基本都是通过降低芯片的工作电压、工作频率或是减少泄漏电流来降低芯片总功耗。本论文源于教研室与企业合作项目中一款LPDDR MRAM芯片的开发。设计基于28nm制程工艺,完成了芯片中控制器模块及接口电路从综合到物理验证的过程。论文主要研究工作如下:首先从磁存储器的研究背景和研究意义入手,分析了它的应用场景和工作原理,然后进一步延伸到了它在国内外的研究现状。LPDDR控制器架构及前端设计部分主要介绍了芯片整体的设计框架以及各主要模块的功能,并详细介绍了DC综合生成网表的过程。芯片物理设计部分详细描述了各阶段的完成过程,对设计结果进行了分析和优化。随后的低功耗设计部分介绍了一些芯片常用的低功耗设计方法并结合本项目重点介绍了两种低功耗技术,分别是改进型多阈值电压技术和门控时钟技术。其中改进型多阈值电压技术在传统低功耗技术的基础上加以改善,得到了更加优化的结果。门控时钟技术通过分析对比不同参数对于时钟结构及功耗的影响来确定最终设计方案。文章最后是对芯片的验证部分,包括了形式验证、物理验证、时序分析等,其中重点是采用AOCV的方法对时序进行了更加准确的分析。

关键词： 多线程  

摘要： 每当听到有人抱怨怀才不遇、在单位得不到提拔和重用时,我的脑海里就会浮现出表姐的身影。十二年前,表姐研究生毕业后,不听家人考入体制内工作的劝说,只身一人去了广东。原来,在她毕业前夕,广东一家民营设备研发企业到校园招聘,在和这家企业的总经理进行一番交谈后,表姐被他先进的企业管理理念和对行业理性清晰的判断所吸引,当时便决定加入这家公司。不过,在去广东前,表姐还有一些事情没有给家人说。她不想让家人知道,自己即将入职的这家公司刚成立不久,没有固定的办公地点,

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： 空气质量   ZMOD4510   瑞萨电子   传感器  

摘要： 全球半导体解决方案供应商瑞萨电子集团近日宣布,扩展其广受欢迎的ZMOD4510户外空气质量(OAQ)气体传感器平台,推出采用符合IP67标准防水封装和基于AI新算法的全新增强型ZMOD4510,实现了超低功率可选定臭氧监测功能。增强型ZMOD4510为业界首款具有可选定臭氧监测功能的全校准微型数字OAQ传感器解决方案,为用户提供实时所处环境中的空气质量可视性,从而打造个性化体验。

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。

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： 光伏能量收集   片上光伏电池   电荷复用   低漏电电荷泵   低功耗  

摘要： 随着物联网及无线传感网络的发展,使用能量收集技术代替电池为物联网设备提供持续稳定的电源引起广泛关注。能量收集的供电方式绿色环保且近乎永久,从而能够延长设备及物联网系统的寿命。其中,光能收集由于能量密度高被广泛应用,但传统的光能收集系统面积大、成本高,一些研究通过将光伏电池和电源模块集成在同一硅衬底上来节约面积、降低成本,但该技术仍存在输入功率范围小、输出电压不稳定和能量收集效率偏低等问题。针对片上光伏电池能量收集系统的上述不足,本文提出一种新型、高效率的片上光伏电池能量收集系统。首先,基于片上光伏电池与电荷泵的基本联合模型,设计了一种新型的采用电荷复用技术的光伏电池与电荷泵联合模型,同时推导新模型的表达式。其次,研究传统电荷泵的阈值压降效应及其改进措施,针对其反向漏电流过高的不足,设计两种适用于低压条件的低漏电电荷泵,显著减少电荷传导过程中的反向漏电流,有效提高转换效率。最后,以设计的新联合模型为框架,提出基于片上光伏电池的微能量收集系统:在低功耗弛张振荡器中增加自调节偏置电压产生单元,以改变振荡器的输出时钟信号频率、实现可控调频,并在空闲时关闭振荡器以降低功耗。同时,在高电压电平检测器中增加有源二极管,有效降低其面积,并采用低功耗电压调节电路,使系统输出稳定电压。本系统采用SMIC 40 nm CMOS工艺,使用Cadence Spectre仿真平台搭建电路、绘制版图并进行后仿真。仿真结果表明,本系统输出电压1.1 V时最大负载电流达到6.23μA,在相同输入下比原系统提高约41.27%。此外,本系统的能量收集效率显著提高,其峰值达到74.16%,相比原系统峰值效率提高约14.76%,此时输出功率约为3.9μW,同时系统的输入功率范围约为120 n W至23000 n W,输出功率范围约为38 n W至14000 n W,均显著提高。

关键词： 忆阻器   氧化钽   二维材料   神经突触仿生   低功耗  

摘要： 忆阻器既能满足高密度信息存储和高性能计算对下一代电子存储器的需求,还具有非易失性逻辑运算和类脑神经形态计算的功能。因此,自提出以来,忆阻器就取得了巨大的研究进展。然而,基于传统的单层氧化物材料或者金属电极制备的忆阻器件,在开关电压分布、低功耗和高速度方面出现了较大的瓶颈,急需要寻找一些新的器件结构或者新型氧化物材料去进一步优化忆阻性能,提高器件的稳定性,降低功耗。因此,本文主要研究简单氧化物提高忆阻器性能,实现突触可塑性。通过制备双层器件结构改善忆阻器电压分布不均匀的问题,采用石墨烯电极或者二维氧化钛纳米片降低器件功耗,并对高性能忆阻器进行突触仿生功能的研究,其主要内容如下:1、通过插入宽带隙的AlN薄膜制备了Ta/TaO/AlN/Pt双层忆阻器件。与没有AlN层的器件相比,该双层器件表现为突变型电阻转换行为,且具有更好的稳定性和更低的开关电压。Ta/TaO/AlN/Pt器件为下一代非易失性电子芯片系统提供了理想的选择,但是为了更好地模拟生物突触行为,需要制备一个具有双向渐进调控的忆阻器。因此,本章提出使用多层石墨烯电极替代传统的金属电极,制备了Ta/TaO/AlN/Graphene三明治结构的忆阻器。该器件在直流电压扫描下具有稳定的电学特性。更重要的是,一次写入事件的能量值可以低至37 f J,进一步证明了低功耗特性。此外,该忆阻器可以完全模拟生物突触的功能和突触可塑性,包括尖峰时间依赖突触可塑性、双脉冲易化、兴奋性突触后电流以及长期-短期记忆等。根据电流-电压曲线的拟合结果,将导电机制归因于缺陷辅助隧穿。因此,该项工作在高稳定性和低功耗人工突触神经形态计算中具有出色的潜力。2、采用旋涂方法制备了氧化钛纳米薄膜,以构建Ag/2D-Ti O/Pt结构的忆阻器。经过电压-电流测试后,该器件具有典型的双极电阻切换行为,并且具有低开关电压(开启电压为0.37 V,关闭电压为-0.2 V),高开关电阻比(超过10)和低开关功率(开启功率为10 W,关闭功率为10W)。值得注意的是,单个器件在不同的限制电流下表现出均匀稳定的不同电阻状态,从而实现了多级存储。将4个忆阻器件连接到实际的存储电路中,通过选择性地刺激4个器件,从而使电路的输出显示不同的电流值,最终实现可存储和可编程的特性。此外,器件电导可以通过正负交流电压脉冲进行调整,这有利于模拟生物突触功能。因此,该工作为高信息存储以及神经形态计算应用提供了可行的方案。3、探索晶体管与忆阻器串联构成的1T1R结构,该结构可以有效的抑制漏电流,实现了高密度交叉阵列。本章详细的研究了晶体管特性,并且使用Cadence软件对晶体管的选通特性进行模拟,并进一步的绘制版图。该结构与CMOS工艺兼容,为系统级芯片的应用提供了新的见解。

关键词： 无线传感器网络   路由器   低功耗   同步休眠  

摘要： ZigBee协议中规定,路由器负责实现维持ZigBee网络特性,协助电池供电子设备的消息传递,同时扩展网络的覆盖范围。路由器为保证及时通讯,让电池供电子设备迅速进入休眠状态,路由器需电源供电,无休眠。本文提出了路由低功耗优化的解决方案,采用时间同步的方式,在少量增加终端能耗和运算的情况下,显著降低了路由器能耗,实现了路由器电池供电的目的。