关键词： 无源UHF RFID标签   模拟前端电路   数据读取电路   低功耗  

摘要： 近年来,物流、零售等行业的快速发展对电子标签的识别距离和设计成本提出了更高要求,在各类电子标签中,无源UHFRFID标签凭借其成本低、识别距离远、多对象同时识别的优势成为这些大规模应用领域的最佳选择。无源UHF RFID作为被动式的非接触识别技术,其标签芯片的工作能量全部来自于读写器发射的射频载波,则标签芯片的功耗便成为制约其识别距离的主要因素。因此,对无源UHF RFID标签芯片展开低功耗研究具有十分重要的意义。 为了满足大规模应用场景对电子标签的要求,本文研究了用于无源UHF RFID标签芯片的低功耗模拟前端电路和基于反熔丝型OTP存储器的低功耗数据读取电路,在保证标签芯片稳定工作的同时降低了电路功耗,进而提升标签的识别距离和整体性能。 对于低功耗模拟前端电路,研究主要集中在以下几个方面。第一,利用亚阈值技术和有源电阻技术设计了一款低压低功耗基准源电路,该电路在1.2V的典型工作电压下,仅以232nW的静态功耗即可实现所需基准电压,且其低频处的PSR优于-69dB,在降低功耗的同时有效兼顾了精度和面积要求。第二,设计了一款低静态电流LDO电路,通过采用工作在亚阈值区的一级运放作为误差放大器,将静态功耗降低至420nW,并利用二极管连接型PMOS管代替大的反馈电阻,有效减小了电路面积,从而降低标签芯片成本。第三,提出了一种基于可控延迟单元和信号保持单元的高可靠性上电复位电路,其在缓慢上电、快速上电、小电源纹波和大幅度掉电等情况下,均能够正常输出有效复位脉冲,且静态电流仅为81nA,在保证低功耗的同时进一步提高了复位信号可靠性。第四,设计了一款低功耗弛豫振荡器,其利用NMOS管的阈值电压取代了传统弛豫振荡器中复杂的比较器单元,将电路功耗降低至664nW,并通过温度补偿电路和开关电容自校准电路克服了因温度或工艺变化造成的时钟信号偏差,使输出时钟频率精度可达到2.34%,兼顾了标签芯片低功耗与高稳定性的设计要求。从整体来看,模拟前端电路功耗仅为1.4μW,版图面积为60μm×150μm,具有功耗低、面积小和稳定性高的特点。 对于低功耗数据读取电路,本文采用基于预充电机制的电压型灵敏放大器作为其核心单元,利用严格的时序控制信号即可对反熔丝型存储单元进行有效读取,避免了额外参考电流的存在,显著降低了电路功耗。此外,在低功耗灵敏放大器研究的基础上,完善了数据读取通路中的其他模块设计,并利用不同电阻值来模拟存储单元编程前后的不同状态,对完整的低功耗数据读取电路进行了相应仿真验证。后仿真结果表明:在读取频率为160kHz的情况下,所设计的数据读取电路平均功耗仅为3.6μW,相较于以电流型灵敏放大器为核心的传统读出电路,功耗优化率可超过50%。 本文深入研究了应用于无源UHF RFID标签芯片的低功耗模拟前端电路以及低功耗数据读取电路,并基于UMC110nm工艺完成了相应的原理图设计、版图绘制以及仿真验证,为实现RFID标签的大规模应用奠定了坚实的基础。

关键词： 逐次逼近寄存器模拟数字转换器   采样热噪声   电容失配校正   比较器   残差放大器  

摘要： 模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)在电子系统中起着关键作用,连接着物理世界和数字电路。其中,逐次逼近寄存器(Successive Approximation Register,SAR)ADC因其简单、低功耗的特性,在低功耗应用中领先于其他类型的ADC。随着半导体工艺进步,传统的纯模拟电路设计面临挑战,而SAR ADC因其简单的数字化结构,在先进半导体工艺中表现突出。移动设备对低功耗的需求使得对SAR ADC的研究变得尤为迫切,因为其直接影响续航时间和用户体验。 随着各行业对ADC精度要求的提高,高精度ADC的研究变得至关重要。传统的结构包括流水线(Pipeline)和过采样(Oversampling),但过采样整形ADC无法满足需要快速量化响应的应用场景,而且需要额外的抽取滤波器。SAR ADC和Pipeline SAR ADC是常用的结构,具有低功耗和高精度等优势,且适合多通道复用。本课题旨在探索高精度Pipeline SAR ADC和SAR ADC的设计方法,以支持工业控制、仪器仪表和医疗器械等领域的需求。 本文重点研究了SAR ADC和Pipeline SAR ADC的电路设计和架构,探讨了低功耗低噪声比较器和残差放大器设计、采样热噪声以及电容失配的校正等主要问题。在研究背景和意义介绍后,概述了模数转换器的基础知识,着重解释了SAR ADC和Pipeline SAR ADC的结构、工作原理、性能指标以及常见的非理想因素。针对这些问题,详细介绍了比较器优化、级间放大器设计和电容失配校正等关键技术。基于传统结构和技术,本文提出了以下方法以提升SAR ADC和Pipeline SAR ADC的性能和能效: (1)增益提升和亚稳态概率降低的压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)比较器:通过电流复用技术,在相同能耗下增大了压控振荡器的电压到时间的增益,从而在不增加额外功耗的情况下提升了比较速度和噪声性能。此外,通过鉴相器内部的反馈调整死区大小,成功降低了压控振荡器比较器遇到亚稳态的概率。 (2)结合压控延迟线(Voltage-Controlled Delay Line,VCDL)的动态偏置比较器:通过在传统动态偏置比较器前加上压控延迟线作为比较器的第一级,将输入电压转换成时域信号,并将动态偏置放大器的输入共模提升到电源电压。提升了动态偏置放大器的速度,同时保留了其动态偏置特性,有利于提升噪声性能和降低功耗。这一方法实现了更好的速度-噪声-功耗之间的平衡关系。 (3)结合自适应延迟线的低噪声浮动反相放大器比较器:所提出的比较器对传统基于浮动反相放大器的设计进行了改进。首先,引入了自适应延迟线来控制锁存器级的导通,以便在小幅输入信号下增加延迟,从而提高预放大器的增益,减少锁存器级的等效输入参考噪声,从而降低比较器整体输入参考噪声。其次,在预放大器级内部引入了内嵌正反馈,以加快预放大器的放电速度并增强输出增益。 (4)采用可切换延迟控制信号和预复位机制的14位,50 MS/s SAR ADC设计:这项设计在上述第(3)点中提到的比较器基础上进行了改进。该结构引入了可切换延迟,将SAR ADC的前九个周期设置为高速比较模式。这一模式的实现方式是通过可切换延迟控制,同时导通比较器的预放大器和锁存器,以牺牲噪声性能来提高速度。在剩余的量化周期中,将比较器切换到低噪声模式,通过自适应延迟降低噪声,从而提高SAR ADC的整体噪声性能。为了进一步提高速度,采用了预复位机制,提前对比较器进行复位,减少了比较器复位所需的时间,减少了时间开销。 (5)开关电容放大技术的线性度提升与噪声降低:该设计结合了相关电压移位(CLS)和噪声带宽切换,实现了等效开环增益的提升和等效输出噪声的降低。相较于传统的方案,这一设计将SFDR性能从51 d B提升至88 d B,输出噪声则从583.3V降低至450.8V。 (6)信号带宽提升和线性度改善的采样热噪声消除技术:该技术采用微分电路补偿路径,解决了传统采样热噪声消除技术在高频输入信号下放大器输出饱和的问题,从而提升了系统的带宽和线性度。仿真结果显示,当输入频率约为5MHz时,该结构的无杂散动态范围(SFDR)从83.1 d B提升至117.7 d B,同时将总等效输入噪声(包括采样热噪声和残差放大器噪声)从113V降低至39.8V。 (7)18位4 MS/s Pipeline SAR ADC的设计,包含输入信号不相关的电容失配校正方案:本设计采用了电容阵列拆分、交换和重新组合的方法,并结合微扰注入,利用分裂式(Split)ADC结构,实现了对电容失配的后台输入信号不相关的校正。此外,采用双权重值对参考电压偏差

关键词： 降压型DC-DC转换器   ACOT控制模式   低功耗   高效率  

摘要： 随着电子行业的不断发展,各种电子器件和芯片都朝着小型化发展,伴随着尺寸的减小,各种电子器件的功耗不断上升,对于电源管理芯片同样意味着将朝着更高的效率、更低的功耗以及更小的尺寸发展。在不同的领域中对于电源管理芯片的性能要求也有所不同,航天航空领域对于开关电源的可靠性和稳定性要求十分严格,便携式设备的需求则是低功耗。本文的主要目的是设计一个高效率、低功耗的Buck转换器芯片。 DC-DC转换器作为直流输入直流输出的电源电路,能为电子设备提供稳定的输出。为DC-DC选择不同的控制模式,可以使其正常工作在不同场合下。一般常用的控制模式是电压模式控制和电流模式控制,但这两种控制方式存在电路复杂、系统稳定性差的问题。因此我们找到了一种COT的控制模式,其结构简单,可通过固定导通时间实现快速瞬态响应。不过COT控制模式也存在不足,由于它的导通时间固定,使其开关频率不稳定;另外,它需要较大的输出电容,考虑到尺寸和成本,COT控制模式并不适合在市面上推广。最终,在众多控制模式中选择了ACOT控制模式——自适应恒定导通时间控制模式,其导通时间随输入输出的变化自行调节,开关频率恒定,解决了COT控制模式的不足,并具有良好的瞬态响应和更高的转换效率。 本文首先介绍了DC-DC的三种拓扑结构,详细研究了同步降压型DC-DC转换器的基本原理和工作模式等,并对其功耗来源和提升效率的参数选型进行了分析。对所采用的ACOT控制模式进行了介绍,并对其稳定性和直流失调问题进行分析。基于预期的设计要求,对转换器的关键子模块进行了详细的分析、设计,并进行了仿真验证。经过验证,各个子模块性能均能满足设计需求。 最后,本文采用0.18μm BCD工艺,对电路的整体性能进行仿真验证。验证结果表明,该转换器具有1.8V-4V的输入电压范围,输出范围为0.6V-2V,开关频率约为1MHz,最大负载电流为2A,Buck的静态电流约为4.15μA,并且在最小输出电压也有80%以上的转换效率,该转换器实现了低功耗高效率的设计目标。

关键词： 时钟芯片   封装转换   最小化设计   低功耗  

摘要： 阐述一种可以替代RX-8025SA的时钟芯片（Real Time Clock,RTC）模块（RX-8111CE封装转换模块）的设计，将RTC和周边器件设计到一个合适大小的印制电路板上，完成最小系统设计，解决了封装尺寸限制的问题，设置转接PCB使得评估可以在目标板上快速完成，同时可以兼容SA (SOP-14)的封装，并直接兼容对应的产品。

关键词： 数模转换器   R-2R型   低功耗   电阻匹配  

摘要： 数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC),作为沟通自然界和机器世界的桥梁,在如今数字化急速发展的大时代背景下,正在逐渐成为电子产品中最不可或缺的一环。近年来,DAC的设计越来越偏向于专用集成电路,即针对特定的电路进行特定性能要求的DAC设计。在要求测量数据与实际数据非常接近的高精度传感器中,DAC被用作对传感器中传输的数字信号进行数据转换,需要具有精度高、功耗低和噪声低的特点。在此条件下,本文设计了一种高精度低功耗的R-2R型数模转换器,主要研究内容如下: 1.基于0.18μm BCD工艺设计了一款16bit R-2R型DAC,整体结构包括低压差线性稳压器(Low-dropout Regulator,LDO),DAC核心部分和运算放大器三个模块。DAC核心结构部分对加权网络进行探讨,采用了温度计和R-2R结构相结合的分段式电阻网络结构,设计电平转换单元与译码器单元,并对开关结构与反馈电阻结构进行了阻抗匹配性设计,提升了电路的精度。 2.运算放大器第一级采用折叠共源共栅结构提高增益,第二级采用跨导线性环偏置的Class AB结构增大驱动能力并降低输出阻抗。LDO采用折叠共源共栅加源跟随器的结构提高稳定性,大尺寸反馈电阻和功率管设计增大驱动能力。在LDO和运算放大器的设计上都采用了高低电源电压结合的结构以及BJT管和MOS管相结合的结构降低电路的功耗和噪声。 3.通过Cadence Virtuoso软件设计整体电路并进行前仿真、版图设计,后仿真,最终DAC电路能够工作在-45℃～125℃的范围内,10～25V电压输出,输入单音正弦波动态频谱分析SFDR约为92d B,SNDR约为82d B,在信号频率约1KHz处噪声约为40n V/√。整体电路功耗约为4.7m W。本设计目前已进行流片并通过测试,具备基本功能,能够应用于高精度传感器中。

关键词： 电源系统   高能量转换效率   低功耗   亚阈值基准   LDO  

摘要： 无源超高频射频识别(UHFRFID)是一种非接触的自动识别技术,该技术通过射频信号的空间耦合特性直接读取标签芯片的内部数据,从而实现多个标签信息的高效识别。RFID系统具有低成本、小体积和远距离识别等优势,在物流跟踪和身份识别等领域被广泛应用。RFID技术的发展使得无源标签对读写距离的需求逐渐变高,电源系统作为整个无源标签芯片的能量源,不仅为芯片提供稳定的电源电压,还决定着RFID系统的识别距离与精度,因此标签芯片的电源模块成为当今RFID技术的研究热点之一。 为了实现标签芯片的远距离识别,基于ISO18000-6C协议标准,设计了一款高能量转换效率、低功耗的无源UHF RFID标签芯片的电源系统,该系统包括整流电路、基准电路、稳压电路和限压电路。在整流电路中为实现高能量转换效率,对目前常见的几种整流结构进行能量转换效率对比,并选择能量转换效率最高的桥式栅交叉耦合结构实现倍压整流。针对低功耗的设计需求,采用亚阈值技术实现基准电路设计,并在传统亚阈值电路上进行改进,通过虚二极管连接的偏置结构增加一条负反馈环路,这有效地提高了基准电路的环路增益,同时基准输出具有良好的电源抑制比,可以抑制整流输出端存在的噪声。稳压电路采用LDO结构,其中误差放大器在折叠式共源共栅结构的基础上,部分晶体管采用低阈值晶体管,将其与对应的高阈值晶体管栅极相连,该结构不需要额外的偏置,减小了电路功耗。在整体电源系统的设计中,整流电路通过差分开关管交替打开来降低输出纹波。为防止芯片在近场区工作时出现高压情况,采用了限压电路来防止芯片功能受损。考虑带调制的输入射频信号,通过LDO低压差设计来提高电源系统的掉电裕度。 基于UMC 0.11μm CMOS工艺完成了 UHF RFID标签芯片电源系统的电路设计与版图绘制,并进行后仿真验证。仿真结果表明:整流电路在输入射频幅度为0.58V时,实现了最大为67.7%的能量转换效率。基准电路的静态电流为559nA,稳压电路的静态电流为2.13μA。电源系统可以负载30μA电流,同时可以适应12.5μs无输入的调制信号,电源系统性能良好。

关键词： 动态血糖监测   电化学   无线供电   低功耗   硅基传感器   低功耗蓝牙  

摘要： 糖尿病严重危害人类健康,据国际糖尿病联盟的统计数据,全球糖尿病患者已超过5.37亿,其中中国约占四分之一。相比于传统指尖采血式血糖仪,动态血糖监测可以实时监测血糖变化,已经成为血糖管理的一种有力工具。然而,目前动态血糖监测产品存在使用寿命较短、检测范围受限、有感染风险等问题。针对这些问题,本文研究动态血糖监测系统的无线化、微型化、高精度、协议兼容等相关技术,设计并流片了3款无线无电池动态血糖监测芯片。研究内容和创新如下: 1)基于ΔΣ反向散射的无线无电池动态血糖监测片上系统。针对传统电流检测技术存在的能耗高、精度低等问题,该项工作提出了一种ΔΣ反向散射技术,在提高检测精度的同时减小了信号传输对无线能量传输的影响,将动态血糖监测系统集成在基于1mm×1mm片上天线内。该芯片使用65nm CMOS工艺流片验证,测试结果表明,相比于传统技术,ΔΣ反向散射使无线能量传输增益提高10.8%以上,将100Hz带宽内的信噪比提高到53.4dB。进一步的,将这款1mm×1mm芯片结合葡萄糖传感器构成无线无电池动态血糖监测系统,分别植入4只小鼠的大腿皮下进行动物实验,达到1.65nA/m M的血糖分辨率和小于0.25%的无线检测误差。 2)基于硅基葡萄糖传感器和后失真校准的动态血糖监测芯粒。传统血糖传感器基于印刷电极进行制备,在与CMOS芯片相连接时需要使用较大机械连接件,导致成本高、可靠性差、只能半植入等缺陷。因此,该项工作提出一种硅基葡萄糖传感器的制作方法和动态血糖监测芯粒的封装结构,进而提高系统集成度、减小设备体积。此外,针对当葡萄糖浓度较高时传感器非线性的问题,提出一种后失真校准技术,以拓展动态血糖监测芯粒的线性检测范围。芯粒中的CMOS芯片使用65nm CMOS工艺流片,硅基传感器使用微纳加工和电化学修饰技术制作。测试结果表明,芯粒可以基于小体积（2mm3）实现宽范围（0-40mM/L）、高线性度（R2=0.996）的动态血糖检测。通过对电源管理的优化设计,该芯粒将功耗降低至5.56μW、无线耦合距离提升至1.5cm,进而将无线无电池传感距离与能量接收天线面积的比值提升到15mm-1。 3)基于自适应电流检测和无源低功耗蓝牙（BLE）的电化学传感片上系统。为了提高电化学检测芯片对各种传感器的通用性、与主流局域网协议的兼容性、以及无线传感距离,该项工作提出一种自适应ΔΣ电流传感技术和无源BLE技术,进一步提高电流检测范围和传感距离。电流检测电路会根据传感电流的大小自适应调整缩放比例,拓宽了信号的检测范围和动态范围;检测到的信号会按照BLE广播包协议无源发射,能够兼容现有的手机、平板等设备。该芯片使用65nm CMOS工艺流片验证,芯片测试结果表明,该系统的检测电流上限达到了100μA,电流检测动态范围拓展到了143d B。同时,使用任意支持蓝牙4.0以上的设备都可以接收到BLE广播信号,在30d Bm的无线供电功率下传感距离可以达到5m。