关键词： 宽带   射频前端   CMOS工艺   低功耗   线性度   交叉耦合  

摘要： 随着物联网的发展,对于无线接收机提出了更高的要求。射频前端电路位于接收机链路前端,对于整个接收机的性能有重要影响。高性能宽带射频前端电路不仅可以改善接收机整体性能,而且会大大提高无线通信系统的灵活性。因此,基于CMOS工艺设计宽带射频前端电路具有重要的理论意义和应用价值。论文基于40nm CMOS工艺,研究并设计了一种适用于0.2-2.5GHz频率范围的宽带射频前端电路。它主要由低噪声放大器、缓冲器、无源混频器和跨阻放大器组成。低噪声放大器在传统的共栅极基础上采用了电容交叉耦合技术,实现宽带输入匹配;为了让整个接收链路有更好的线性度,混频器采用电流型无源混频器;在低噪声放大器和电流型无源混频器之间插入缓冲器,降低射频前端电路设计复杂度,使得射频前端电路具有更低的噪声系数,缓冲器电路采用电流复用技术,降低了功耗;为了能将电流型无源混频器的电流转变为电压,同时使得射频前端电路有更大的动态范围,采用了可变增益的全差分跨阻放大器,为了获得较大的输出电压摆幅,采用了电阻负反馈的运放的结构来设计跨阻放大器。论文完成了电路设计、前仿真、版图设计和后仿真。后仿真结果表明,电源电压为0.9V,接收机增益为40d B,在最高增益模式下电路双边带噪声系数小于6d B,链路的输出1d B压缩点为-1d Bm,射频前端电路工作电流小于5m A。本文设计的宽带射频前端电路满足设计指标要求,经流片验证后可应用于物联网收发芯片中。

关键词： 突触晶体管   静电纺丝法   低功耗   水诱导法   突触行为  

摘要： 随着大数据、人工智能等领域的不断发展,人们对于具备低能耗高性能的计算需求与日俱增。基于CMOS逻辑电路和冯诺依曼架构的传统计算系统的发展目前已经遇到瓶颈,在未来将无法满足大数据时代下对海量数据处理的需求。人脑是一个由大量神经元和突触组成的高度互联且结构可变的的复杂网络。这种体系结构比任何当前的数字计算机都更有可能实现更加鲁棒、更可加塑性和更加容错的学习与记忆功能。突触是大脑实现信息传递和处理的关键部位,因此研制具有突触功能的器件对构建神经形态运算体系有着重要的意义。在突触仿生器件中,基于离子导电门控栅介质的双电层薄膜晶体管在突触模拟中展现出巨大的潜力。利用电解质巨大的双电层电容既可以有效地实现器件的超低电压工作,又可以利用离子运动引发的弛豫来模拟突触塑性。在本研究中分别利用静电纺丝和溶胶凝胶技术制备了金属氧化物突触晶体管。主要研究内容如下:1)采用静电纺丝技术制备了氧化锌锡(ZnSnO)纳米纤维,并集成了基于ZnSnO纳米纤维的突触晶体管。为了模拟人脑的突触行为,以溶解在聚氧化乙烯(PEO)中的高氯酸理(LiClO)作为突触晶体管中的栅极电解质。在低偏置电压和高偏置电压下,依靠电解质中的离子动力学模拟了包括短期和长期在内的突触塑性,并观察到单个突触事件的能耗低至0.44 pJ。该研究展示了一种新的制备纳米纤维突触器件的方法,为未来建立大规模、节能的一维人工突触的神经形态网络提供了实验指导。2)采用了无毒的水诱导法在低温下制备了基于聚酰亚胺衬底的氧化铟(InO)突触晶体管,并将Li ClO溶解在PEO中作为栅电解质。对于水诱导过程,通过延长退火时间而不是相对较短的时间的高温退火,可以实现突触晶体管的类似的电学性能。研究了退火时间对不同温度退火下电解质门控晶体管电学性能的影响。结果表明,在200 C退火的聚酰亚胺衬底上的电解质门控晶体管具有较高的电学性能和良好的机械稳定性。由于聚合物电解质中的离子迁移弛豫动力学,成功地模拟了兴奋性突触后电流、双脉冲易化、高通滤波特性和长期记忆特性等各种重要的突触行为。结果显示基于溶液处理的InO电解质门控突触晶体管的工作在神经形态学应用中具有很大的潜力。

关键词： 电压基准源   低功耗   高稳定性   全MOS  

摘要： 电压基准源是模拟集成电路中的一个重要的单元,广泛应用于模数转换器、数模转换器、动态存储器等集成电路中。传统的带隙基准电压源结构由于工作电压高,静态功耗过大且引入了电阻造成了面积过大等问题;能源问题和芯片散热对工作性能的影响驱使着芯片设计往低功耗方向进行;于是低功耗的趋势使得基准源电路的设计转向研究CMOS电压基准源电路。但随着集成电路技术的不断发展,CMOS管的沟道长度越来越短,在集成电路制造过程中,难免会产生管子各个参数的工艺偏差等非理想因素,以及在外界温度和噪声波动的干扰下,会使得电路工作异常,对基准源电路的稳定性造成诸多影响;为此我们需要对电路地稳定性加以提升。本论文从低功耗及高稳定性的角度入手,使用TSMC65nm工艺设计一个低功耗高性能的电压基准源,它基于MOS管的亚阈值区工作,工作电流极低,大概几个微安或者更低,确保其低功耗;此外还要保证它对工艺、温度、电源电压不敏感,即在外界各项干扰因素下,它仍能输出稳定的基准电压供给如数模转换器或放大器做偏压用,使得这些系统能正常运行。本文首先介绍了电压基准源的种类和工作原理及其主要测量指标;之后研究搭建基准源电路的两大核心模块:偏置电路和电流镜;在对比不同偏置电路以及电流镜对基准源性能的影响后,提出新型的自偏置电流镜;随后提出本设计的初始架构,采用Cadence Virtuoso软件对设计电路进行仿真和验证并分析,发现抗噪能力偏差,且未考虑到实际应用电路可能存在电路未启动或输出电压精准度不够等问题,为此进行了如下优化:1.加入放大器,利用负反馈的特性增大了输出端口到电源电压之间的等效阻抗,从而最大限度降低从电源传到输出端的噪声;2.加入启动电路,避免实际电路在上电时,电流产生电路出现零简并态而导致整个电路不工作;3.加入校准电路,为避免实际芯片输出电压与设计值有较大偏差,为此加入此模块做后处理校准。最后,结果表明,本文所设计的CMOS电压基准源,整体功耗为801nW,且在-60到110℃的工作范围内,输出电压范围为:458.65-459.10mV;当电压在0.9到2.4V变化时,线性调整率为3.6mV/V;在考虑工艺偏差的影响,由蒙特卡洛仿真知,-60到110℃内,温度系数为11.3ppm/℃;而输出电压范围为454-462mV;,在低频直流频率段,电源抑制比为38dB,启动时间为23μs。

关键词： 低功耗   浮标   浒苔   GPRS通信   阿里云服务器  

摘要： 海洋是我国领土的重要组成,拥有着十分宝贵的财富资源,占据着重要的国防战略地位和经济实用价值。海洋浮标是一种用于获取海洋气象、水文、水质、生态、动力等参数的漂浮式自动化监测平台,为海洋预报、防灾减灾、海洋经济、海上军事活动等服务,对沿海国计民生和国土安全等多方面具有重大意义。随海洋富养化情况日益加重,浒苔等海洋生物泛滥生长,已经影响到人们生活和生态环境。浒苔生长与传播与海水温度、盐度、风速、风向、海水流向等因素密切相关。论文设计一款新型的海洋浮标控制系统,按照海洋浮标国家标准要求,选取了相应的传感器完成海水温度、盐度、风速、风向、海水流向等参数数据采集;扩展了图像传感器对浮标附近海区进行图像抓取,通过浮标附近海面图像判断是否有浒苔爆发情况;扩展了GPRS远程数据传输模块,定时与岸边基站进行数据通信。论文从硬件和软件两个环节进行了降低功耗设计,在硬件设计方面上,除了选用低电压低功耗元器件以外,采用磁保持继电器对周期性供电传感器进行了供电控制,在非工作时间断电以降低系统功耗;在软件设计上,除了充分利用MCU自身功能实现低功耗外,针对数据传输模块工作功耗较大关键问题,采用霍夫曼树算法将要传输的数据压缩后再发送,缩短了数据传送时间,降低了数据传输过程中的功耗,达到降低系统功耗的目的。通过实验室模拟实验,验证了系统设计的正确性,有效降低了系统功耗,具有一定的实用价值。

关键词： 低功耗   相位噪声   压控振荡器   温度补偿电路  

摘要： 人们生活中常用的无线通信产品在快速更替,发展方向趋于低功耗和集成化。振荡器作为通信系统的核心电路,它的性能指标在很大程度上决定了系统的性能指标。振荡器电路关键性能指标包括工作频率、调谐范围、相位噪声和电源抑制比等。振荡器的设计需要根据应用场景不同来决定性能指标要求,但降低功耗、优化面积和减小相位噪声则成为常见的设计要求。论文设计了一款应用于蓝牙收发机的低功耗压控振荡器芯片。设计中包括了带隙基准电路、低压差线性稳压器电路、压控振荡器核心电路、分频器电路和输出缓冲器电路。论文分析了带隙基准电路和低压差线性稳压器电路工作原理、噪声和电源抑制比性能,提出了一种低噪声低压差线性稳压器电路,并介绍偏置电路设计要点。论文分析了压控振荡器核心电路的电路结构和相位噪声模型,改善了调谐增益线性度的变容管电路结构,并通过改进常用开关电容阵列提高电路对称性,优化振荡回路中电感Q值来改善相位噪声。该电路在Dongbu 0.11μm CMOS工艺下进行流片,测试结果表明压控振荡器芯片调谐范围均能覆盖2.4GHz-2.48GHz,在1MHz频偏处相位噪声为-118.6d Bc,核心电路电压为1.2V,电流约为1.05m A。论文针对通信系统中高频压控振荡器电路振荡频率的温度特性进行分析,提出一种能显著减小振荡频率偏移量的温度补偿电路。该温度补偿电路主要包括温度检测电路、逻辑电路和偏置电压产生电路。该高频压控振荡器电路在Towerjazz0.18μm Bi CMOS工艺下完成电路设计,仿真结果表明调谐范围为23.5GHz-29.6GHz,在1MHz频偏处相位噪声为-107d Bc,温度从-40℃变化到125℃引起的振荡频率偏移量为31MHz,相比没有温度补偿电路的压控振荡器频率偏移量下降91%。

关键词： NB-IoT   低功耗   远程抄表系统   远程抄表APP  

摘要： 天然气作为一种洁净环保的清洁能源,不仅燃烧时产生更低的温室效应,有助于改善空气质量,而且经济实惠,供应稳定。21世纪以来,国家大力发展天然气产业结构,现如今天然气已经走入千家万户,成为居民日常起居生活的基本需求之一。然而,随着城市的发展,用户数量剧增且分散各处,复杂且繁琐的传统人工抄表已经无法适应社会需求,远程抄表系统的开发也迫在眉睫。本论文文分析了已有的各种抄表方案,比较了各种有线传输和无线传输的技术,考虑其各方面优缺点,提出了一种高效、低成本、低功耗且高可行性的远程抄表方式,即基于NB-IoT的燃气抄表系统设计。NB-IoT(全称是Narrow Band Internet of Things,译为窄带物联网)是IoT领域刚刚兴起的一项技术,支持广域网中低功耗设备的蜂窝数据连接,也被叫作低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)。并且NB-IoT的低功耗优势可将设备的电池寿命延长至10年,并且持续提供室内的蜂窝数据的连接和覆盖。本设计基于一款气体超声波流量计,在其基础上新增一个NB-IoT模块,该模块通过UART串口与单片机C8051通信,C8051通过AT指令集来控制NB-IoT模块。NB-IoT模块每日定时向云服务器发送用户燃气使用量,云服务器将其存储到数据库进行数据分析,并将数据显示手机APP端,用户可直接登录个人账户查看自家燃气用量,抄表员则可登录账户查看住宅区用户燃气使用量,即完成远程抄表,省去人工抄表入户难、缴费难以及监控难等弊端。在该设计过程中除了需要PCB板设计、焊接及调试等硬件相关知识,还需要在云服务器端搭建数据库存储相关信息,上位机端使用了Dart语言设计抄表系统安卓应用程序,不仅具有注册与登录的功能,而且可将用户燃气流量等数据加载至客户端应用程序显示并分析,方便用户及抄表员查看。

关键词： 带隙基准   跨导运算放大器   正瞬态检测   瞬态增强   缓冲级  

摘要： 低压差线性稳压器（LDO）能够提供稳定的、几乎无纹波的输出电压,同时因为它结构简单,输出噪声小,良好的稳压和快速瞬态响应性能等优点,在现代电源管理单元中有着举足轻重的作用。如今电子产品正朝着集成化的方向发展,因此近年来的大多数研究集中在应用于片上系统（So C）方案的无片外电容LDO上。无片外电容LDO设计面临的稳定性和瞬态特性两大难点是当下研究热点,本文针对两大难点设计了一种低功耗瞬态增强型无片外电容LDO。由于是无片外电容,本文采用了带缓冲级频率补偿电路和米勒补偿等措施,对系统稳定性进行补偿。带缓冲级频率补偿电路作为误差放大器和Pass管的中间级不仅可以降低误差放大器的负载,而且能够驱动Pass管来改善瞬态响应特性。缓冲级由于有低输出阻抗的特点,能够将Pass管栅端极点推向高频,因而使得系统更加稳定。同时缓冲级也改善了Pass管栅端的压摆率（Slew Rate）,对LDO的响应速度有一定的改善。在Pass管栅端加入了瞬态增强电路,该电路改善了LDO在负载跳变时的瞬态性能。在输出端加入了正瞬态检测（PTD）电路,该电路能够显著地衰减负载陡降导致的电压尖峰,减小瞬态响应过程中产生的过冲电压量。由于上述频率补偿和瞬态增强措施,误差放大器采用一级跨导运算放大器结构,用较小的偏置电流以获得足够的增益,同时实现了低功耗。基于Hua Hong Grace 0.11μm 5.5V CMOS工艺设计的低功耗瞬态增强型无片外电容LDO电路,电源电压范围是1.8V-5V,输出电压是1.6V,负载在50μA-100m A范围内系统都可以稳定。当负载电流以99m A/μs跳变时,过冲电压最大为85m V,欠冲电压最大为92m V,恢复稳定时间为4.73μs。在空载情况下,系统电流消耗约为66μA,而在负载为满载100m A的情况下,系统消耗的功耗为67μA。

关键词： 飞行器结构   冲击监测系统   低功耗   小型化   压电传感器  

摘要： 飞行器结构在服役过程中会承受各种物体的冲击,严重威胁结构的服役安全。但冲击是瞬时事件,需要对其进行机载在线监测,而航空航天应用对监测系统的功耗、体积等有严格的限制,因此迫切需要开展飞行器结构的低功耗冲击监测方法和冲击监测系统的研究。本文针对飞行器结构的低功耗、小型化、在线连续的冲击监测需求,对基于压电导波的冲击监测方法和冲击监测系统进行研究。主要工作及创新如下:（1）开展了基于数字化监测原理的冲击监测方法和系统低功耗方法研究,提出了基于反向加权和的冲击定位方法,该算法简单高效、运算量小,降低了对冲击监测系统的硬件需求;提出了基于稳压二极管阵列和芯片管脚电平标准的低功耗数字化方法,以极低的功耗实现冲击响应信号的数字化转换;针对冲击事件瞬时、随机的特性,研究了冲击监测系统的睡眠—唤醒机制,大幅降低了冲击监测系统的平均功耗。（2）开展了低功耗冲击监测系统的硬件和软件设计研究,针对现有冲击监测系统功耗高、体积重量大等问题,结合系统的低功耗方法,对各模块电路进行设计并实现了系统硬件的低功耗和小型化;结合睡眠—唤醒机制对系统嵌入式程序进行设计并实现了系统软件的低功耗和在线连续的冲击监测功能。（3）对低功耗冲击监测系统进行了性能测试,结果表明系统的静态功耗仅为1.44m W,工作状态下功耗为5.89m W。此外,该系统支持32个压电传感器通道,封装前重量仅为22g。在复合材料机翼盒段结构上对低功耗冲击监测进行了功能验证,结果表明该系统的冲击区域定位准确率达到96%以上。

关键词： 园区自动驾驶   低功耗   路径跟踪   障碍物避障   车道线检测  

摘要： 自动驾驶技术在园区巡逻、环卫等具有重要的应用潜力,但园区交通要素多、环境复杂、光照以及定位信号不稳定都给自动驾驶的感知决策系统带来了挑战。人工智能算法在自动驾驶领域的深度应用,极大的增强了自动驾驶车辆对复杂场景的感知能力,但同时对车载计算平台算力提出了较高要求。园区车辆一般体积较小,受限于电源系统的容量和功率,难以满足复杂算法的实时运行条件,这限制了人工智能算法在园区自动驾驶车辆的应用。为此,本文以机场场内部分道路的自动驾驶场景为例,首先,针对园区下的行驶环境,设计低功耗异构计算平台。其次,根据计算单元与算法特性并基于人工智能算法完成车道线检测、障碍物感知识别,实现路径跟踪及避障的功能,支持园区条件下低速(50km/h)自动驾驶。论文主要工作如下:(1)根据园区环境及计算单元的特性,完成面向园区的车载计算系统整体设计。主要包括传感器选型、低功耗异构计算平台设计、软件算法架构及通讯设计。传感器主要包括GNSS(Global Navigation Satellite System)、16线激光雷达以及摄像头;异构计算平台主要包括CPU、GPU、FPGA以及MCU(Microcontroller Unit);软件上设计基于ROS(Robot Operation System)的软件算法框架,支持各子系统实时运行及系统间通讯。(2)基于前述整体系统架构,在园区车辆感知子系统的实现层面,根据计算单元与算法特性分别部署了障碍物识别与车道线识别子系统。其中,基于FPGA采用yolov3(You only look once)的目标识别算法实现对障碍物检测。基于Xavier采用组合图像滤波及基尔霍夫变换,实现了车道线检测。在此基础上,实现激光雷达与视觉感知的融合,得到障碍物及车道线的空间定位信息。(3)基于Xavier与MCU实现了决策控制子系统,分别实现了轨迹跟踪、避障规划及底层运动控制功能,保证小车行车的实时性及安全性。通过有限状态机实现无人车的行为规划,并通过纯追踪算法进行无人车的轨迹跟踪。根据检测结果,设计多轨迹换道的避障方案,并且通过STM32底层控制器对小车实现控制,控制采用电机软启动、平滑转向等算法。(4)利用TRAXXAS大X底盘搭建出轻量化自动驾驶小车,对前述研究内容进行实车验证。本文设计的异构计算平台功耗约为120W,实现了固定轨迹的路径跟踪、车道线检测、障碍物检测及避障的功能。并在园区场景下测试了固定路线的轨迹跟踪以及避障的自动驾驶,最终实验结果达到预期,表明了本文设计的自动驾驶系统可以满足园区低速环境下的自动驾驶并实现了系统低功耗的要求。

关键词： 目标检测   多目标跟踪   无人机  

摘要： 无人机在战场上有着重要的战略意义,主要任务为侦察军情、监视目标、战斗评估等视觉任务。本文主要研究了在无人机平台上的对地目标检测与跟踪,针对低功耗嵌入设备的特点,优化检测算法,结合跟踪算法,设计了一个适用于无人机上低功耗嵌入式设备的目标检测与跟踪系统。在无人机的高空视野中,由于视距宽阔,感兴趣目标与无人机距离变化很大。同一目标在不同距离时,其尺寸不同,且在距离较近时,旋转变化也较多。对于目标检测任务来说,难度较大。在目标距离较远时,其尺寸远小于距离较近的目标,在同一画面中,尺度相差大的目标,对于目标检测任务说,难度较大。在无人机平台上,只能够搭载低功耗的嵌入式设备,且嵌入式设备算力较低,几乎无法搭载实时目标检测与跟踪系统,其实时性一直以来都是研究的难点。本文设计的快速目标检测算法中,主要采用残差结构技术,空洞卷积技术,深度可分离卷积技术,可变形卷积技术,多层特征融合技术等,设计了一种快速的,在高空对地面目标效果较好的快速目标检测算法,其速度达到了8.81FPS,平均准确率达到了86.3%,是一种能够部署在无人机搭载的低功耗嵌入式设备中,具有较高的实际意义。在目标检测的基础上,进一步对视觉任务中的多目标跟踪做了研究,提取了目标的颜色直方图和Io U联合特征,计算距离矩阵,利用卡尔曼滤波对目标做运动预测,结合匈牙利算法完成检测目标和预测目标的特征匹配。本文将目标检测算法与跟踪算法结合,设计出一种面向无人机平台的低功耗对地目标检测与跟踪系统,其速度能够达到12-15FPS,具有一定的实际使用价值和意义,并对无人机平台的目标检测与跟踪系统,提供了一种有效的设计思路。