关键词： 卷积神经网络   静态随机存取存储器   低功耗   输入输出扩展  

摘要： 卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)在视觉感知领域实现了优秀的分类效果,甚至超越了人类的视觉水平。但是随着网络发展,大规模的训练数据集和大而深的神经网络结构,使得CNN带来高精度的同时也面临着存储的能效和带宽瓶颈,因此如何进一步降低静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,SRAM)的能耗,使CNN实现更高能效的计算,具有重要意义。为解决CNN发展面临的存储瓶颈,本文基于课题组在SRAM方面的研究经验,采用SMIC 14nm工艺设计了一款面向CNN的低功耗SRAM存储阵列并完成流片和测试工作。为了满足CNN对大带宽SRAM的需求并降低读写能耗,区别于传统SRAM采用列选择的设计架构,宽输入输出(Input Output,IO)SRAM取消列选功能并将IO宽度扩展了3倍,此外译码电路设计采用两级译码结构以降低其译码延迟,时序电路设计采用复制位线技术以减小工艺变化对SRAM读写时序的影响。芯片测试结果显示,在0.48V到0.9V工作电压下,SRAM正确率为100%;在0.72V、0.8V和0.88V工作电压下,每bit平均读写功耗分别为0.0139A/MHz、0.0157A/MHz和0.0187A/MHz,相较于改进前分别降低了66.98%、65.4%和62.15%。本文基于英伟达深度学习加速器(NVIDIA Deep Learning Accelerator,NVDLA)给出CNN能耗模型并预测了宽IO SRAM对CNN计算能效的优化效果。CNN能耗模型说明卷积运算能耗主要包括SRAM能耗和乘加(Multiply Accumulate,MAC)能耗,占比分别为51.39%和48.61%。本文将宽IO SRAM模型替换列选(Column MUX,CMUX)为4的典型SRAM模型并保持其他架构参数不变,能耗分析结果表明CMUX=1的宽IO SRAM可以减少64.76%的SRAM能耗并使CNN计算能效提升33.28%。

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。

关键词： 低功耗   水声采集   MSP432   自适应线谱增强器   变步长  

摘要： 水声信号的分析在现代海洋科学研究中扮演着十分重要的作用,而进行分析的前提是水声信号数据的采集积累。本论文设计了一种低功耗水声数据存储系统,以CPLD和MSP432为核心扩充外围功能电路。利用CPLD控制A/D实现多通道同步采样,将原始混合数据发送到MSP432中,并且预留I/O端口以根据实际需求进行功能扩展,在MSP432中对接收到的数据进行乒乓操作并存储到外部存储媒介上。设备回收后,在PC上位机利用相关软件进行观察分析处理,进行低频线谱检测。设计提出一种双输入可变步长级联的线谱增强器算法,对主通道的噪声进行两次抑制,同时控制参考通道的噪声,从而更好地提高信噪比。在处理过程中采用可变步长对滤波器抽头系数进行迭代,加快了收敛速度,降低了稳态误差。同时要求系统满足微型化、低功耗的要求,以适应工作环境灵活的应用需求,并搭载于不同类型的海洋观测平台使用。在完成方案设计之后,对整个系统的硬件构造、电路进行设计以及硬件调试工作和软件编写。本系统经湖上外场试验测试,系统的实际工作性能与预期设定的性能指标相符。外场试验中能够对水下环境噪声和目标信号数据进行长时间采集存储,保证了系统工作的可靠性和持续稳定性,具有良好的工程应用前景。

关键词： 低功耗   电流复用   GaAs pHMET   宽带低噪声放大器  

摘要： 本文介绍了一种基于0.5 μm GaAs pHEMT工艺的2-4 GHz宽带低噪声单片放大器(LNA)。该双级放大器由Cascode结构构成。基于自偏置技术与负反馈技术,该放大器能够实现单电源供电,并具有宽带工作特性。实测结果显示,在2-4GHz宽频带范围内,带内的典型噪声系数为0.7 dB,输出功率1dB压缩点大于14 dBm,OIP3大于30dBm,且直流功耗仅为250 mW。芯片尺寸为0.65×0.85 mm2。因此,该芯片在兼顾低功耗的同时具有极佳的宽带低噪声性能和高线性度特性,在5G无线通信系统中具有广泛的市场应用前景。

关键词： 模数转换器   多分段电容阵列   近阈值技术   低功耗   校正电路   逐次逼近型  

摘要： 目前,人机间的语音交互技术正逐渐应用至各类电子设备中,音频信号的模数转换是该技术必不可少的一部分。模拟量到数字量的转换通常需要模数转换器实现。随着CMOS工艺的进步,越来越多的音频ADC采用不含运算放大器的逐次逼近型结构实现。根据音频信号的特点、后续数字处理系统对信号精度的要求以及系统对功耗的要求,本文设计实现了一款适用于音频系统的高精度、低功耗SAR ADC。为了实现高精度的设计要求,本文提出了一种高分辨率SAR ADC多分段电容阵列的设计方法。根据电容阵列输出端电压的变化以及电容串并联的等效计算,提出了两种多分段电容阵列结构及结构参数的计算方法,并通过分析电容寄生和电容失配对多分段电容阵列线性度的影响,确定了两种结构各自的适用场合。采用提出的设计方法对16位SAR ADC的电容阵列进行设计,仿真结果表明设计的电容阵列无增益误差且非线性误差小于0.3LSB,采样电容占比高达92.42%。相比于电容阵列的传统设计方法及相关研究中的电容阵列设计方法,提出的多分段电容阵列设计方法有效地减少了SAR ADC的非线性误差,提高其信噪比并优化其面积。为了实现低功耗的设计要求,本文针对高精度SAR ADC特有的校正电路采用了近阈值技术。SAR ADC中校正电路的加入能提高ADC的精度,但却带了额外的功耗开销,低功耗校正电路的设计有助于ADC整体功耗的降低。在基于近阈值技术的低功耗SAR ADC校正电路设计时,首先阐述了近阈值数字电路的设计方法,并基于TSMC40工艺设计了校正电路所需的近阈值基本单元;其次以乘法器为例验证了设计方法的可行性,检验了近阈值基本单元性能,测试了近阈值技术对功耗的优化效果;最后根据近阈值数字电路的设计方法和设计的近阈值基本单元实现了工作在近阈值电源电压下的SAR ADC数字校正电路,仿真结果表明设计的近阈值SAR ADC数字校正电路在0.5V近阈值电源电压下能实现预期功能,与标准电压下采用标准单元组成的校正电路相比,功耗典型值减少了75.44%。为了设计完整的SAR ADC,本文进一步完成了SAR ADC主要模块设计、版图绘制及仿真测试等工作。采样开关采用栅压自举技术,减小了采样开关阻值受输入信号的影响;比较器采用动态锁存结构,并利用时钟延时提高了比较器的精度。仿真结果表明本文基于TSMC40工艺设计实现的SAR ADC,校正前有效位数为13.8bit,功耗为78.9u W,Fo M为115.2f J/c·s,版图面积为323.92μm*291.39μm。对于加入校正电路的完整ADC而言,校正电路若采用近阈值技术可以将ADC整体功耗降低为不采用近阈值技术ADC整体功耗的83.87%。因此,本文设计的SAR ADC符合音频系统对模数转换器精度和功耗的要求。

关键词： 水下电话   信号处理平台   语音通信   OMAP-L138   低功耗  

摘要： 海洋资源的开发对于人类的发展有着重要的意义,但由于海洋环境复杂,海洋资源的开发遇到了很大的限制。为了能够充分合理的开发海洋资源,保护海洋环境,实现可持续发展,受过专业训练的蛙人的水下作业是必不可少的。水下电话是水下作业中普遍用到的工具,信号处理平台作为水下电话的关键部分,其设计对水下通信的性能有重要影响。本文设计出了一款小型化、低功耗,稳定可靠的水下蛙人通信系统信号处理平台。实现了两个水下电话之间的单边带调制方式的语音通信和水下电话与超声波通信模块之间的多进制频移键控方式的数据传输。针对设计需求,进行了完整的需求分析和方案论证以及元器件的选型。最终确定的信号处理平台采用DSP+MCU架构,以OMAP-L138的DSP内核为数字信号处理的中心,设计了音频功率放大、DDR2存储、SD卡存储、实时时钟、串行通信接口、语音信号编解码、语音信号识别、语音信号合成、超声波通信等功能。完成了上述功能模块的原理图和PCB设计,利用Allegro PCB SI对DDR2存储器的关键信号进行了仿真,利用Pspice对关键电路进行了仿真。软件设计方面主要介绍了信号处理平台的工作模式设计、语音菜单控制设计、DSP程序加载方式分析、DSP程序在线升级方式设计、SD卡驱动设计、语音CODEC芯片接口说明、语音CODEC芯片麦克风输入滤波器设计与测试。最后通过对信号处理板卡的功能测试验证了设计的正确性,通过湖试进一步确认了设计方案的正确性和可靠性。文末对本次的设计进行了总结,提出了设计中存在的不足之处,针对实验中出现的问题以及未完成的部分给出了下一步的工作计划。

关键词： 航管模拟训练系统   数据管理   PUB/SUB   多线程  

摘要： 航管模拟训练系统是为空中交通管制学员提供初始学习、技能提高及应急情况处理等多种不同训练课程的重要装备,向学员提供与空中交通管制员工作环境一致的虚拟操作环境。航管模拟训练系统中需生成大量训练数据,如模拟航迹数据、飞行情报数据、气象数据、训练脚本数据等,分发至各个分组的模拟管制员终端、模拟飞行员终端和教员终端,对网络数据的传输负载要求高。本文分析了一种基于多线程的训练数据管理方法,采用PUB/SUB设计模式实现对系统中各席位软件并发进行训练数据分发的功能,以保证训练过程中各分组训练数据传输的稳定可靠。本文对航管模拟训练系统中数据管理的设计与实现的研究,旨在为航管模拟训练系统的设计创新提供参考。

关键词： 流水线逐次逼近型模数转换器   动态放大器   高速   低功耗   增益校准技术  

摘要： 随着时代的发展及人类对自然界更深入的认识,越来越多的模拟量需要被具体化的认知。模拟到数字转换器（Analog-To-Digital Converter,ADC）将被应用在生活的方方面面。如今移动通信技术已经到来了高速时代。这既包括精度高功耗低的医疗穿戴设备,也包括高速高精度的数据传输设备。所以研究高速高精度低功耗的ADC是非常有意义和价值的。很多时候单一结构的ADC不能满足需求,流水线逐次逼近型模数转换器（Pipelined-SAR ADC）成为当今研究的热点。它即具备流水线型ADC精度高、速度快的特点也具备逐次逼近型ADC功耗低,面积小,高数字化的优势。其中的动态放大器响应速度快,功耗低,可以进一步提高其能效。本文分析研究Pipelined-SAR ADC理论、系统架构和关键技术,设计了一款12位625MS/s Pipelined-SAR ADC。主要研究其设计难点残差放大器的设计,采用了一款新型的latch型动态放大器,并基于其特点提出了一种增益校准技术。在保证速度和功耗的前提下提高了动态放大器的线性度,提升了ADC的精度和动态性能。本设计采用28nm CMOS工艺,电源电压为0.9V,输入信号频率为300MS/s,仿真性能如下ENOB为10.65bit,SFDR、SNDR为76.512dB和65.92dB。由于校正算法的优势,功耗仅为10.17mW。

关键词： 便携式设备   心电信号   模拟前端   低功耗   干扰消除  

摘要： 信息科技的进步加速了健康医疗系统的蓬勃发展。无线体域网和可穿戴系统芯片的最新研究促进了个性化保健和各种疾病的有效治疗。随着超大规模集成电路和片上系统的发展,生物系统微型化目标在当代得以实现。生物电信号采集模拟前端是便携式医疗设备中重要的组成部分,是连接前端接口系统到数据处理器的桥梁。因此,研究低功耗、微型化、高性能生物前端采集系统芯片具有重要的产业意义和广阔的应用前景。心电信号的低频低幅度特性,对模拟前端电路的噪声性能、功耗和芯片面积等提出了严苛的要求。本文以心电信号采集模拟前端电路为研究方向,对心电信号采集处理的关键技术进行了系统研究。本文首先给出了电极和心电信号特性,并针对心电信号采集环境特点,确定模拟前端电路设计指标要求。在此基础上,从关键电路和技术角度研究了低功耗高性能模拟前端实现方案。详细阐述电路在降低功耗、消除干扰和优化噪声上所涉及的先进技术方案。并最终采用一种斩波耦合电流复用仪表放大器、低通滤波器和逐次逼近模数转换器组成的系统架构予以实现,对心电信号进行了有效采集与处理。(1)在仪表放大器中采用多通道复用电流运算放大器,实现了两通道输入级共用同一电流源,降低了前端电路的整体功耗;采用斩波调制技术有效消除了电路的闪烁噪声和输入失调电压;采用直流消除环路、纹波抑制环路以及右腿驱动电路分别降低了前端电路的电极偏移电压、高频纹波以及工频干扰。此外,为了提高模拟前端电路的采集质量,减小心电信号幅度的衰减,采用新型斩波耦合方式提升模拟前端输入阻抗。(2)该前端电路集成了三阶开关电容滤波器,通过滤除高频噪声来提高信号质量,并设置有效信号带宽避免模数转换器出现混叠现象。(3)设计了一款逐次逼近型模数转换器,针对低功耗需求利用dummy电容,在相同精度下电容阵列总电容减半,有效减少芯片功耗与面积,提高了整体芯片的集成度。基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,实现一款低功耗电流复用心电信号采集模拟前端电路。并完成了整体电路的搭建,仿真和版图设计,同时进行了流片,封装和测试。该前端电路芯片面积为0.72mm,在1.8V供电电压下,功耗为16.11μW,输入阻抗为2.6GΩ,所设计的两通道低噪声放大器在0.5-250Hz带内的增益为39.6d B,等效输入积分噪声为1.4μVrms,CMRR为93d B,PSRR为85d B,整体有效位数为8.62位,电路各项指标均满足设计要求。

关键词： 物联网   监测终端   低功耗   智慧消防   水压监测  

摘要： 户外消火栓作为城市消防安全的基础设施之一,在预防和应对火灾时起着十分重要的作用。然而,由于消火栓设施分布零散、水压监测手段落后、设施老化和人为损坏频繁等原因,消防部门对辖区内消火栓的监控和维护较尤困难。因此,需要一个实时监测系统,以在第一时间进行信息反馈和处理。物联网利用射频识别、传感网络等技术整体感知各类信息,通过融合互联网和无线网络实现可靠传输,使用智能技术对信息进行分析和处理,实现监测与控制的智能化。针对上述问题和现有消火栓产品的缺点,并结合物联网技术,本文提出了一种基于物联网的实时监测终端并开发了与之相适应的消防水压监测软件,以便对消火栓水压及其它信息实时监测,实现对消防系统的智能化管理。论文主要研究工作如下:（1）针对监测终端结构和功耗问题。本文提出的监测终端体积小,易于安装,该终端采用各种低功耗元器件,选用STM 32作为主控制器,根据其低功耗性能选用三种工作模式,利用LDO降压为各模块提供不同供电电压,通过精心设计,在实时监控时功耗低,能满足较长时间的运行。（2）针对告警信息及时处理问题。本文选择IDEA作为开发工具,使用Java语言作为设计开发语言,通过Web Service同数据库交互数据,按照软件工程方法,确定需求分析和详细设计,对监测系统进行开发。在开发时,设定了一系列的信息自动处理规则,首先将监测终端上传的模拟数据通过设定的告警信息分析规则转换成数值数据（“0”、“1”）的原始数据,再通过告警压缩规则和工单处理规则等,将原始数据进行分析和处理,自动转换成工单形式分派给维护人员,并填写处理日志,实现消火栓的智能化管理,解决信息及时处理和反馈问题。监测终端和消防水压监测系统各项功能的测试和分析结果表明,该监测系统较好地满足了实际需求,提高了监控和维护消火栓设施的效率。