关键词： CAN   低功耗   高可靠性   电路设计   ESD  

摘要： 随着汽车电子技术的不断发展，CAN (Controller Area Network)总线已成为汽车电子控制系统中的重要组成部分。本文提出了一种低功耗、高可靠性CAN芯片的设计方案，通过优化电路设计和降低功耗技术，实现了低功耗和高可靠性的目标。其主要技术特点包括：采用低功耗休眠模式，减小空闲状态下的功耗；采用输入耐压保护架构和差分对管的保护电路设计，提升CAN BUS总线的保护能力；采用自主开发的超低漏电的ESD保护电路和双向静电防护电路，实现IEC接触放电±8 kV。实验结果表明，该CAN芯片在保证高可靠性的同时，实现了低功耗的设计目标，适用于对功耗和可靠性要求较高的应用场合。

关键词： 流水线型模数转换器   低功耗流水线内核   高线性度自举开关   开关电容动态偏置电路   电容失配校准  

摘要： 流水线型模数转换器(Pipeline ADC)一直以来在高速高精度转换器领域都是最重要的结构之一。由于能同时实现高速和高精度,使得Pipeline ADC在通信、雷达、仪器仪表、医疗设备以及导航等领域得到了广泛应用。随着通信技术的发展,大量通信系统都面临着系统升级和设备更新的问题,对ADC的指标提出了更高的要求,需要ADC同时具有低成本、高线性度、低功耗以及能与现有系统保持接口兼容性的能力。虽然Pipeline ADC最新研究成果表明利用最先进的工艺,使用开环放大器、环形放大器等结构可以进一步提升ADC的性能指标并同时降低功耗,然而使用先进工艺不仅设计和制造成本十分高昂,而且电源电压也必须随着工艺尺寸的缩小而降低,难以满足上述系统对ADC低成本和接口兼容性的要求。因此,使用低成本的工艺,设计满足现有系统升级所需的低功耗高线性度Pipeline ADC,具有很大的研究意义和市场价值。本文以低功耗高线性度Pipeline ADC关键设计技术为研究课题,对Pipeline ADC的低功耗内核架构设计技术、高线性度自举开关设计技术、低功耗放大器设计技术、高速低失调比较器设计技术以及电容失配校准设计技术等关键设计技术进行了深入研究,并利用研究成果实现了一款具有低功耗高线性度特点的16位125 MS/s Pipeline ADC,完成了对关键技术的物理验证。本文主要的工作内容如下: (1)提出了一种低功耗、高线性度的Pipeline ADC内核架构。根据功耗和线性度两个重要指标,首先确定了最优的第1级流水线分辨率位数,并根据噪声、电容失配等要求,确定整个Pipeline ADC的流水线级数和后级各级分辨率,再利用每级精度要求随着级数增加而降低的特点,设计了最优比例缩小尺度因子,从而降低系统功耗。 (2)提出了一种高线性度自举开关。受开关寄生电容的影响,传统的自举开关由于寄生电容分压的原因存在自举电压偏低的问题,会使导通电阻偏大从而降低采样带宽。同时在开关晶体管所在P阱和深N阱,以及深N阱和P衬底之间存在与输入信号电平相关的非线性寄生电容,会降低开关的线性度。为了降低两者影响,所设计的高线性度自举开关利用双电容支路自举技术进一步提高了自举电压,并利用浮空深N阱的技术降低了非线性寄生电容对线性度的影响。 (3)提出了一种低功耗放大器设计技术。由于Pipeline ADC工作时类似于流水线操作,放大器只需在时钟半个周期内正常工作,因此设计了一种开关电容动态偏置电路,在放大器非工作相时将电流偏置于极低的水平,而在工作相时转换成正常偏置电压。为了提高放大器状态切换速度,减小对工作相建立时间的影响,动态偏置电路在非工作相使电流源晶体管偏置在亚阈值区,并提前于放大相进行切换。与传统开关偏置电压或开关电流开关放大器相比,开关电容动态偏置技术的偏置电压具有陡峭的上升沿和下降沿,并且不会像开关电流放大器一样因消耗过多的电压余度而减小信号摆幅。 (4)提出了一种高速低失调比较器。由于采用了多位分辨率的流水级,使得每级比较器的数字冗余校正范围减小,增加了对比较器的精度要求。本文设计了一种输入和输出都带有自零技术的带三级预放大器的高速动态比较器,在提高预放大器的增益和带宽的基础上,可较大程度降低失调电压和回踢噪声,满足多位分辨率级中Sub-ADC的精度要求。 (5)提出了两种电容失配校准技术。由于电容失配会影响ADC的线性度,而CMOS工艺中电容匹配精度只能达到10位左右,因此ADC必须对电容失配进行校准才能满足16位的线性度。本文设计了两种电容失配校准方法,一种是基于比较器跳变的改进型校准方法,每次仅使1个比较器跳变并利用后级ADC对前级电容失配进行直接量化来得到电容失配信息。一种是基于INL曲线的电容失配校准方法,利用INL曲线来间接得到电容失配信息,从而对电容失配进行校准。相比于传统校准方法,本文所提出的两种方法具有所需器件和校准步骤都更少的优势,可提高校准精度。 为了验证研究内容在低功耗高线性度ADC设计方面的优势,本文基于0.18μm CMOS工艺设计并实现了一款低功耗、高线性度的16位125 MS/s Pipeline ADC,ADC在10 MHz模拟输入和125 MS/s转换速率下实现了101 d B的无杂散动态范围(Spurious-Free Dynamic Range,SFDR)和75.85 d B的信号噪声失真比(Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio,SNDR),在1.8 V电源电压下功耗仅为189m W,达到了296 f J/conv.-step的优值(Figure-of-Merit,FOM)。

关键词： 水声通信   收发硬件系统   电路设计   性能指标  

摘要： 中国地震事业的发展离不开海洋世界，在海底进行地震观测能够促进地质构造研究、地震灾害预警、资源勘探、海洋科学研究的发展。由于海底的环境比较复杂，海底地震观测对设备和技术要求很高，在海底进行地震观测还面临着巨大的挑战。水声通信系统在海洋地震观测研究中发挥着重要的作用，它以水声通信的方式传输地震仪监测的数据。　　应用于海洋地震观测的沉浮式地震仪与甲板机之间的数据传输离不开水声通信。由于水声通信硬件系统长时间工作在水下，因此，降低硬件系统功耗显得尤为重要。本文针对此问题，分析并研究出了水声通信低功耗收发硬件系统，设计出发射端与接收端具体电路，完成了电路设计与电路板制作。　　（1）调研分析水声换能器内部结构组成以及作用与原理，研究并探讨了换能器主要性能指标，为选择合适的换能器提供理论依据，并对其匹配形式进行了相应的研究。选择了型号为DYW-H12-500的水声换能器，其发射响应和接收灵敏度分别为132dB、-190dB左右。　　（2）将STM32F407作为低功耗数字芯片，并以LT3970为电源芯片设计了低功耗的电源管理模块。系统采用锂电池供电，分别为数字处理模块、发射端电路以及接收端电路提供3.3V、5V、12V电压。设计了值班电路，由数字处理模块控制发射机的电源供电的通断，达到了优化系统功耗的目的。完成匹配电路的分析设计，使换能器与水声通信硬件系统合理匹配。　　（3）提出发射端电路的设计方案以及电路整体的性能指标。选取D类功率放大器作为发射端的功放，根据设计要求研究了PWM电路、驱动电路、功率放大电路、变压器电路的具体方案，提高了发射端电路的工作效率，使发射端电路达到设计指标，能够稳定输出功率为500mW的信号。　　（4）提出接收端电路的设计方案以及电路整体的性能指标。前级放大电路采用差分放大电路，实现56dB的增益放大。带通滤波器选择多路反馈二阶低通滤波器与高通滤波器，构成四阶带通滤波器，能够输出频率为8-16kHz的信号。后级放大电路选用反比例放大电路，实现8dB的增益放大。各部分电路都选择了低功耗、低噪声、高效率的芯片，以此来降低系统的整体功耗。　　（5）完成实物制作与测试，分别对发射端电路与接收端电路进行了测试分析，PWM电路与功放电路信号稳定，发射端输出12kHz信号，信号峰值电压达到31.6V。接收端电路输出信号幅值为3.56V，其放大增益与设计要求一致达到64dB，整体达到了设计要求。