关键词： 物理不可克隆函数   仲裁器PUF   电流模式PUF   超低功耗设计   硬件安全  

摘要： 物理不可克隆函数电路(physical unclonable function,PUF)是近年来伴随物联网兴起而蓬勃发展的新兴硬件安全技术。PUF具有的无需存储、防篡改能力、随机性、低成本、低功耗、小体积等优势,使其在物联网硬件信息安全领域具有广泛的应用前景。但物联网硬件设备往往工作在复杂的环境中并且对成本和能源有要求,这些限制因素都对PUF技术的应用形成诸多阻碍。因此,在确保PUF电路仍然能够具有高度稳定性的前提下,本文主要针对面向物联网安全PUF技术应用的超低功耗设计问题进行研究。首先,本文基于经典的仲裁器PUF(arbiter PUF,APUF)结构为其提出了一个具有高能效和高温度稳定性的方案。钳流(current-starved,CS)反相器被插入到每一个多路选择器的输入去降低传统反相器信号翻转的斜率并拓宽由输入激励选择的两条对称链式路径的时间延迟偏差。CS反相器被偏置在零温度效应点(zero temperature coefficient,ZTC),使两条对称链式路径累积延迟对温度变化不敏感,并且被限制的CS反相器漏电流也有效降低了APUF的动态功耗。同时,本文还提出了一种基于两个完全对称RS锁存器的仲裁器去克服传统仲裁器面临的非对称问题(基于D触发器的仲裁器)和亚稳态问题(基于一个RS锁存器的仲裁器)。本文提出的APUF设计已经采用标准65nm工艺流片并且成功验证以上性能。该芯片具有紧凑的硅面积(3838 um)、较低的能耗(在25Mbps的工作条件下,2.74pJ/bit)、46.8%的唯一性和0.8%的本征误码率。这些物理测量的性能参数优于已经报道的同类型APUF。其次,本文针对电流模式PUF中的电流比较电路结构复杂和功耗过大的问题提出了一个基于胜者全拿(winner-take-all,WTA)电路的失配电流差异数字化的方法。该WTA结构不仅简化了电流比较电路,而且功耗和电流差异的计算时间也都被有效的降低。同时,基于WTA结构的电路特性,本文还提出了仅需要简单逻辑电路就可以被实现的不稳定位检测方法(unstable bit detection,UBD),该方法不仅可以提高PUF响应位的稳定性还可以降低测试成本。为了验证整套方案的有效性,本文设计了一款基于电流镜阵列的PUF。该PUF采用标准65nm工艺并成功流片。测试结果表明,WTA电路的静态功耗只有0.902uW,在13.3Mhz的工作频率下,整体功耗为5.42uW,而能耗只有0.41pJ/b。同时,将本文提出的UBD方法和另一个不稳定位稳定方法(TMV5)结合,常温常压下的不稳定位和误码率可以被降低到0%。而在-40℃和120℃的温度变化范围内,误码率被降低到0.31%/10℃,在1.72V和1.88V的供电电压变化范围内,误码率被降低到0.14%/0.1V。以上两类误码率分别较原始误码下降了84.88%和73.58%。唯一性在应用稳定方案后依然达到50.1%。而该PUF响应位集合在95%置信区间中的自相关系数是±0.0324。以上两种类型的PUF都具有高稳定性并通过了NIST随机性测试,同时超低功耗的特性达到了研究目的,满足了设计要求。

关键词： NB-IoT   仪表   低功耗   远距离  

摘要： 当前数字化技术的发展极大地推动了国内外各油田企业的信息化建设,同时数字化油田建设也是各油田企业在未来发展趋势的必然选择。其中数据采集与数据传输是数字化油田建设整个价值链中尤为重要的一个环节,然而油气田的开采大部分处于偏远地区,大多分散且距离远,这无疑对当前数字化油气田的发展是一种挑战。随着物联网技术的日益发展,NB-IoT(Narrow Band Internet of Thing,窄带物联网)技术应时而生,该技术很好地满足了对低功率、长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务。本文分析了当前油气田井口数据采集与数据传输所存在的不足,通过将NB-IoT技术作为纽带,并结合运营商开放的物联网平台设计实现了一种基于NB-IoT技术的物联网仪表数据传输系统。该系统包括硬件和软件设计两个主要部分,硬件设计选择基于Cortex-M3内核的芯片作为无线仪表的MCU,实现超低功率,同时将NB通信模组与数据采集模块集成在无线仪表中,完成系统硬件设计;软件设计是在硬件设计完成基础上进行的,实现了油气田井口的数据采集、处理以及存储的功能,进而通过NB-IoT通信模块将采集的数据发送至基站,最终由基站转发至物联网平台,用户进行远程监控。该系统不仅优化油气井数据采集和传输的方式,而且为解决油气田偏远井和单井的数字化问题提供了新的方法。本文对基于NB-IoT技术的物联网仪表数据传输系统进行了环境搭建与测试,验证了该系统运行效果符合预期结果,且具有一定的实际应用价值。

关键词： 双模分频器   锁相环   频率综合器   低功耗   SiGe   宽带  

摘要： 锁相环频率综合器是连续波汽车雷达的重要组成部分,特别是近年来汽车雷达传感器的应用越来越广泛,其重要程度也与日俱增。双模分频器作为锁相环工作中必不可少的一个模块,不仅要承接来自上级电路的高频信号,还要为后续电路提供稳定可靠的交流信号,有着承上启下的重要作用。因此,对双模分频器的研究、分析与设计,具有较大的学术价值和工程应用价值。本论文旨在研究并设计基于0.13mm SiGeBi CMOS工艺的0.1～3GHz 4/5双模分频器。该双模分频器由三个基本的D触发器组成,各个触发器的输出信号通过组合逻辑门进行布尔运算,运算的结果成为下一级电路的输入信号。其中,D触发器采用真单相时钟(TSPC)的结构,相较于电流模逻辑(CML)或其他类型的触发器结构,TSPC触发器有较宽的工作带宽和极低的静态功耗,比较适合该场景下的双模分频器设计。为提高输入灵敏度,在输入端级联了一条反相器链;为增强输出驱动能力,在输出端的缓冲级采用大尺寸晶体管;为进一步降低延迟,将组合逻辑门的晶体管嵌入到TSPC触发器中。论文介绍了电路的拓扑结构、前仿真结果、版图设计、后仿真结果和流片测试结果。测试结果显示,在1.2V的工作电压下,4/5双模分频器分频范围为0.1～3.1GHz,输入灵敏度可以达到-3.8d Bm,工作电流小于1.5m A。芯片尺寸是685μm*575μm,面积约为0.4mm。该4/5双模分频器具有较高的工作频率和较宽的工作带宽,其核心电路的静态功耗接近于0,目前已成功应用于连续波雷达锁相环,并且也可应用在其他锁相环系统中,具有较广阔的应用前景。

关键词： 逐次逼近模数转换器   上级板采样   低功耗   电压带隙基准源  

摘要： 随着MEMS惯性器件的诞生,由于其自身具备的体积小、功耗低、重量轻、耐用性好等独特优势,在很多领域中均得到了广泛的应用。而对于MEMS加速度计的研究,考虑到加速度计的信号输出会随着外围温度的改变而产生偏差,有必要对周围温度测量,并依据一定的关系进行补偿。在对信号的处理中,数字信号已成为主要的信号处理方式,为了把感知的温度模拟信号转化为数字信号,有必要设计一种应用于MEMS加速度计中用于温度补偿的模数转换器,综合考虑精度、速度性能的低要求以及SAR ADC在功耗和面积上的优势,选定逐次逼近型模数转换器作为研究对象进行研究。本文设计了一种12位逐次逼近模数转换器,其主体采用分段结构的电荷型SAR ADC,对分段结构进行改进,将冗余电容由原来所在的低位电容阵列放到高位电容阵列中,解决耦合电容非整数倍的问题,但同时对比较器的精度提高了一点点要求,同时采用电容上级板采样方案,不需要对电容进行置位,因此模数转换器的第一位量化实际上不需要电容阵列的参与,可以节省一位电容即可完成全部转换,因此设计的高位和低位电容阵列分别为6位和5位。采用基于Vcm的开关切换方案,在很大程度上降低了电路的功耗。比较器采用两级级联结构,且都由同一时钟控制,没有静态功耗,采用将输入信号与输出信号隔离的方式阻断回踢噪声,为减小采样信号的非线性采用栅压自举开关,选用具有二阶曲率补偿的电压带隙基准源,温漂为8.718ppm/℃,逐次逼近逻辑由D触发器构成,设计时序逻辑信号发生器,作为与电容相连的每一位数字逻辑的控制端,当时钟上升沿到来时依次触发每一位寄存器,完成每一位量化结果的寄存和电容下级板的电平切换,由于对电容下级板电平切换不涉及到信号的失真采用CMOS对管开关。对整体电路仿真,当采样频率为5k Hz时,得到电路的功耗为115.25u W,信噪比为63.43d B,有效位数为10.24位。

关键词： 综合测试仪   脉冲电流测量   PCI数据采集   相位差   过零点法   多线程  

摘要： XXX机构作为某防空装备的重要部件,其性能指标不仅直接关系到产品质量而且还影响以该机构作为控制装置的某防空装备的战场打击精度。本课题依托云南某公司的合作开发项目,在国内外自动测试系统研究基础上,展开对XXX机构综合测试仪的软硬件设计与研究工作。针对项目委托方手动测试效率低、数据可靠性差、测试结果手动记录繁琐的问题,通过运用现代测控技术、数据采集技术和数据库相关技术,研制了一台综合测试仪。本文首先对综合测试仪进行需求分析,阐明了该综合测试仪适用于测试XXX机构各项性能指标的设计要求,明确了研制该综合测试仪所需的技术和待解决的技术难点,设计出系统的总体方案,并分别从硬件系统和软件系统进行方案设计与分析。然后阐述了该综合测试仪的硬件选型及设计方案,最终搭建了完整的综合测试仪硬件平台。针对脉冲电流测量问题,分析并对比了常用方法,为待测脉冲电流选择合适的测量方法并设计了测量电路结构;设计并介绍了一种基于PCI采集卡的相位测量方案。为了实现对XXX机构信号数据的采集和可视化功能,本文对基于PCI数据采集卡的数据采集算法进行了设计,同时采用波形显示控件和其他组件实现了波形数据的可视化、平移、放大和缩小等功能;为了实现对XXX机构两路特殊信号的相位差计算,本文介绍了相位差的基本原理和计算相位差的常用算法。针对XXX机构两路信号的特殊性,通过分析相关法、DFT法和过零点法设计了一种改进的过零点相位求解法,实现了计算两路信号相位差的功能。基于Visual Studio 2017平台和C#编程语言,开发了XXX机构综合测试仪应用软件。运用模块化设计思想和多线程技术对应用软件的各部分功能进行设计,并进行了程序流程分析和功能实现;运用数据库技术和报表生成技术实现了测试数据的自动保存和报表定制并针对大量数据存取数据库问题提供了一种解决思路。测试表明:该综合测试仪运行稳定、具备通信、数据测量与采集、数据分析、数据显示、数据存储和报表生成等功能,满足实际使用需求。本综合测试仪能够满足针对XXX机构自动测试的要求,提高了检测效率和测试数据的安全性,达到了研制目的。

关键词： 低功耗   抗辐射   真单相时钟   单粒子翻转  

摘要： 随着晶体管尺寸的按比例缩小,触发器不断攀升的软错误率成为高可靠集成电路设计必须考虑的重要因素。因此,触发器加固设计也就成为研究的热点。减少电路软错误率最简单做法是使存储节点保持足够的电荷量,但是这在纳米工艺下已不切合实际,因为电路节点电压和电容与晶体管尺寸成正相关,随着晶体管尺寸进入纳米级,电路节点电压电容也随之缩小,从而导致节点电荷也大大减小。传统的三模冗余技术,虽然是最有效方案,但是这种技术过度增大了电路中的面积,功耗和延迟开销,所以该方案并不能在任何情况下都能保证电路满足设计指标。由此,现在更加有效方式是直接对触发器结构进行加固设计。就超大规模集成电路的发展而言,工艺尺寸在不断缩小,且正在向纳米器件发展;芯片面积不断增加,从而在单个芯片上的集成度越来越大;多媒体技术的发展对高性能芯片的需求使芯片的时钟频率不断提高,使得芯片的功耗急剧增加,从而导致封装、散热装置等费用迅速增加,并已达到封装技术所能处理的极限,而且过高的功耗导致各种便携式设备的续航能力受到极大的挑战。因此,低功耗的加固触发器设计是超大规模集成电路设计的迫切技术需要。本文主要研究了CMOS集成电路的功耗种类以及由来,阐述了在集成电路中用来评价触发器性能的指标,并且简单介绍了本文所采用的降低触发器功耗设计的基本原理（真单相时钟技术）,该技术的结构优势以及设计难点。本文提出了一种低功耗型的加固触发器:TSPC-RHM,其整体思路是采用RHM单元容忍内部节点产生SEU,采用真单相时钟降低电路总功耗,并且采用C单元屏蔽内部毛刺传播到输出端,使输出波形更规整。HSPICE仿真表明,TSPC-RHM触发器在延迟、功耗、面积开销之间取得了良好的折中。延迟平均降低了26.11%,功耗平均降低了70.82%,功耗延迟积平均降低了76.78%,面积平均降低了28.13%。PVT波动分析表明,TSPC-RHM触发器对工艺波动也不敏感。本文对已有的多种TMR锁存器进行综合分析,简单介绍了三模冗余锁存器的构成模块,多种表决器结构以及结构来源,利用HSPICE仿真工具模拟出多种三模冗余锁存器的仿真波形图,并且测量其延迟以及功耗。经过综合对比,TMR7锁存器（使用P3+N1型表决器）的综合性能最优。

关键词： 低功耗   低压差线性稳压器   All-CMOS带隙基准   动态自偏置   过冲抑制  

摘要： 便携式电子产品的普及使电源管理芯片成为IC行业重点关注的对象之一。随着电子产品的快速升级换代,以及电源管理市场的扩大,电源管理在集成电路领域中占据重要地位。作为直流电源管理芯片的一种,低压差线性稳压器具备成本低廉、输出噪声低、高精度、结构简单等优点,可为系统中用电模块提供高质量的电源电压,有不可替代的地位。因此,在保证成本低廉和高集成度的前提下,需要研发新的功耗低、高稳定性、响应速度快的电源管理芯片。本文着重于低功耗LDO的设计与研究。论文中叙述了低压差线性稳压器的结构和性能参数,给出折中关系为电路设计提供理论基础。针对低功耗LDO,提出采用亚阈值工作状态的All-CMOS带隙基准和动态自偏置技术,降低电路的静态电流;为优化瞬态响应加入过冲抑制电路,降低输出过冲电压。动态自偏置技术通过采集功率PMOS的负载电流,提高误差运放的静态电流,实现负载变化时电路结构的转变,提高重载下的瞬态响应及电流利用率。过冲抑制电路可以对负载电流和电源电压发生瞬时变化时,对过冲电压进行下拉或上拉。文章分析了传统带隙基准原理和影响因素,介绍All-CMOS基准的亚阈值工作原理,提出电路设计并推导出基准电压公式。LDO设计方面,介绍LDO拓扑结构及常用的频率补偿方法,针对动态自偏置技术而发生结构变化时的环路稳定性进行分析;电路设计分模块讲述电路原理及设计重点。电路基于SMIC130nm工艺设计实现,仿真结果展示在满载50mA、1.2.3V的输入电压下,输出电压1V,压差电压150mV,轻载100nA下静态电流约2.5μA;多工艺角环路仿真相位裕度大于60°;负载瞬态响应的下冲建立时间约300ns,上冲建立时间约400ns,上冲和下冲电压约50mV;设计实现低功耗、高稳定性,优化了瞬态响应。仿真后介绍电路版图设计流程,以及在版图设计时所需注重的问题,最后给出电路版图和结论。

关键词： 卟啉   苝酰亚胺   分子自组装   共价有机框架   气体传感器  

摘要： 卟啉衍生物、苝酰亚胺等大环配合物因其大的π共轭结构具有优异的光学和电学性质,在分子器件领域广泛应用。由于大环共轭配合物优异的半导体性质、良好的化学稳定性和易于调节的性质使其具有更加优秀的表现。在众多的研究方向中,气体传感器及其气敏性能一直是研究的热点。本文主要进行了以下几个方面的研究:1.基于三维协同的rGO/Eu(TPyP)(Pc)杂化气凝胶的制备及室温下抗湿性NO气体传感器的应用在π-π相互作用的驱动下,将三明治型卟啉酞菁金属配合物Eu(TPyP)(Pc)(TPyP=中位-四(4-吡啶基)卟啉;Pc=酞菁)在还原氧化石墨烯(rGO)表面进行原位自组装,形成了三维协同的rGO/Eu(TPyP)(Pc)杂化气凝胶。所得的气凝胶不仅有效地结合了Eu(TPyP)(Pc)的气体传感性能和rGO的良好导电性能,而且还表现出显著的协同效应。由于具有良好的性能,在室温下,所制备的气体传感器在室温下对NO表现出优异的灵敏度和选择性以及低检测限。同时,rGO/Eu(TPyP)(Pc)杂化气凝胶的疏水多孔结构使所制备的传感器具有良好的抗湿性,克服了实际应用中的关键技术问题。所制备的传感器同时具有高性能、低功耗和对环境变化的良好耐受性的特点,有望在实际样品中提供―现场‖和―在线‖测量工具。2.基于非共价自组装的rGO/DF-PDI复合材料的制备及室温下抗湿性三乙胺气体传感器的应用在非共价π-π相互作用的驱动下,N,N-二-正己基-1,6,7,12-四(3,5-二氟-4-氰基苯氧基)-3,4:9,10-四羧酸二酰亚胺(DF-PDI)在还原氧化石墨烯(rGO)上进行自组装,得到复合材料rGO/DF-PDI。rGO/DF-PDI复合材料不仅有效地结合了DF-PDI的气体传感性能和rGO的良好导电性能,而且还表现出p-n结的放大作用和rGO/DF-PDI薄膜的高比表面积。得益于这种显著的协同效应,rGO/DF-PDI基气体传感器在室温下对三乙胺气体具有很高的灵敏度、良好的选择性和低检测限。值得注意的是,rGO的疏水性使所制备的传感器具有出色的抗湿性,解决了实际应用中的关键技术问题。文中介绍的传感器具有高性能、低功耗和对环境变化的良好耐受性的特点,有望为即将到来的物联网提供一个可以在实际系统中在线识别三乙胺的解决方案。3.基于原位生长的COF-366-Fe/GA及电化学检测活细胞释放的一氧化氮的应用将COF-366-Fe/GA通过COF-366-Fe在三维石墨烯气凝胶(GA)上原位生长制备而成,这使得COF-366-Fe/GA具备了COF-366-Fe的高电催化性能及GA的三维多孔结构,从而制备一个可以实时检测的超灵敏NO传感器件。得益于COF-366-Fe/GA的出色协同作用,所制备的生物传感器表现出快速、超灵敏的响应,且检测限低、灵敏度高。此外,在人脐静脉内皮细胞分泌的信使NO释放后,分子信号可以被所制备的器件立即捕获。这些结果表明,具有精确可控活性位和三维多孔结构的COF-366-Fe/GA解决了氮配位电催化剂活性位随机排列的问题,这将为生物标记物在临床诊断中的实时分析提供了有前景的强大平台。

关键词： 无线传感器网络   地下管廊   分簇路由协议   最优簇首数目   节点部署  

摘要： 随着物联网技术的快速发展,作为物联网技术的重要基石,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)凭借自组织,大规模以及拓扑动态化的特点,近年来在很多领域得到广泛的应用,例如军事侦查、环境监测,灾害预警等领域。然而由于传感器节点的能量受限,所以如何提高节点的能量使用效率,延长网络的生命周期就显得极为重要。本文的传感器节点部署在地下管廊中,针对因地下管廊长而窄的管道结构而导致网络能耗不均衡的问题,提出了一种基于地下管廊的节能分簇路由协议。该协议从多个方面优化网络的性能,均衡网络的能耗。本文主要研究工作如下:首先,阐述了WSN的研究背景和发展现状,介绍了WSN的体系结构、网络特点和相关技术,同时还概述了WSN路由协议的特点和设计要求,以及常见的经典协议。其次,针对由于地下管廊长而窄的管道结构而引起的网络能耗极其不均衡问题,本文提出了一种适于地下管廊的节能分簇路由协议。该协议提出了一种新的应用于地下管廊的无线传感器网络模型,并推出网络的最优簇数来均衡整个网络能耗;以大母簇选举来均衡簇的大小和簇内节点的分布;以综合考虑节点的剩余能量、节点与基站的距离和节点的局部密度来选出合理的簇首。最后,为了验证新协议的性能,通过大量的仿真实验结果对比,证明新协议对地下管廊的无线传感器网络的性能有一定的提高。

关键词： 4H-SiC   IGBT   关断能量损耗   正向压降   击穿电压  

摘要： 近些年,第三代半导体材料SiC受到研究人员广泛地关注,这是由于SiC相比于Si具有更宽的禁带宽度、更高的临界击穿电场、更高的电子饱和漂移速率,同时在抗辐照和耐高温方面,SiC相比于Si也更具竞争力。作为功率半导体器件的重要组成部分,SiC IGBT由于电导调制效应的存在,使其拥有高正向导通电流密度、低正向导通压降,另一方面,SiC的应用使IGBT兼具了耐高压、耐高温的优势。综合以上特点的SiC IGBT将成为高电压、大电流的高功率领域中功率半导体器件的主力军,在高铁输电网络、高压电网、新型清洁能源等领域逐渐替代传统功率半导体器件。本文针对传统SiC IGBT结构进行了改进,利用Silvaco TCAD软件设计并仿真两组改进结构,旨在改善SiC IGBT性能。本文基于传统4H-SiC沟槽栅IGBT结构进行研究与改进,其核心工作可概括为以下两部分:第一部分,本文设计了具有部分沟槽集电极的4H-SiC PTC-TIGBT结构用于降低关断能量损耗。该结构在集电极侧引入深入N-漂移区内部的沟槽集电极,并在沟槽集电极上方添加未被N型缓冲层覆盖的P+集电极。当4H-SiC PTC-TIGBT正向导通时,沟槽集电极提供更多空穴注入,增强N-漂移区电导调制效应,进而降低正向压降;在4H-SiC PTC-TIGBT关断过程中,沟槽集电极为电子提供低电阻通路与加速电子抽取的电场,两者协同作用,达到缩短器件关断时间,降低关断能量损耗的目的。为了维持15k V的正向耐压,4H-SiC PTC-TIGBT增加了N-漂移区尺寸,使得器件尺寸增大,改善正向耐压退化是需要解决的重要问题。第二部分,为改善4H-SiC PTC-TIGBT正向耐压特性退化问题,本文设计了优化后的4HSiC NPN-IGBT结构。该结构在略微损失正向特性的同时改善正向耐压和关断能量损耗,并且其N-漂移区尺寸与对照结构一致。其结构特点是在N型缓冲层中插入部分高掺杂N、P、N层,用以折中正向压降与关断能量损耗,利用4H-SiC NPN-TIGBT阻断状态时反向偏置NPN结构优化N-漂移区内电场分布,加速N-漂移区中过剩载流子抽取,达到同时优化正向耐压和关断能量损耗的目的。