关键词： 3D NoC   低功耗   映射算法   遗传算法   模拟退火算法  

摘要： 随着纳米技术与超大规模集成电路(Very Large Scale Integration,VLSI)技术的飞速发展,如何将数量众多的IP核集成到单个芯片内将成为片上系统(Systemon-Chip,SoC)的难题。片上网络(Network-on-Chip,NoC)架构的提出,从体系结构上彻底地解决了SoC所面临的这一问题。随着IP核数量的急速增加,2D NoC开始面临着芯片面积、性能、带宽及功耗等一系列的问题。因此,3D NoC的概念被提出。3D NoC将多个具有2D结构的NoC芯片用3D封装的方式封装成一个芯片,芯片之间主要依靠硅通孔技术(Through Silicon Via,TSV)互连。与2D NoC相比,其具有更小的面积,更短的延迟,在系统性能与功耗方面均获得了极大的改善与提升。功耗优化是NoC设计的重要部分,本文以功耗优化为主要目标,针对如何将IP(Intellectual Property)核合理映射到3D NoC的问题,提出了一种改进初始种群的混合模拟退火遗传映射算法。首先,通过对初始种群选取方法进行改进来获取功耗更低的映射方案;其次,针对其选择方式的随机性,提出了一种改进的轮盘赌选择方法,通过对轮盘赌选择的改进,使得选择最优个体的可能性达到最大;最后,针对遗传算法局部最优问题,在遗传算法交叉操作阶段结合模拟退火算法,得到全局最优方案。实验在Windows系统下采用C++语言实现,结果显示,与传统的遗传算法相比,该算法具有较好的收敛性,能快速搜索到较优解,在核数量众多(124个IP核)的情况下,采用改进的模拟退火遗传算法进行映射产生的平均功耗比使用遗传算法时降低了32.0%。

关键词： 生理监测   模数转换器   逐次逼近   开关策略   共模电压  

摘要： 随着无线传感网技术的快速发展,医疗保健系统迎来了新的发展机遇,可穿戴、可植入设备在生理医疗领域的应用逐渐成为热点,使得用户可以摆脱固定地点、时间的束缚,随时随地进行健康监测。逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)因模拟组件较少、电路结构简单,非常适合生理信号的采集,所以在医疗保健领域具有很好的应用前景。但是,现有的SAR ADC的采样频率普遍较高,不适合于低频率的生理电信号,而且在比较过程中开关切换所产生的功耗通常很大,会影响整个芯片的适用范围和使用寿命。针对上述问题,本文研究和设计了一种适用于生理电信号采集的12位、100 kS/s的全差分开关电容式SAR ADC,整个电路的关键模块由采样保持电路、差分电容阵列、比较器和逐次逼近控制电路构成。论文的主要工作内容如下。(1)分析了低采样频率和低功耗的生理信号监测领域的采样需求,决定采用SAR ADC作为生理电信号采样的ADC类型,并根据指标和需求提出了降低SAR ADC功耗的方法。(2)针对数模转换器(DAC)电容阵列在前三次比较开关切换过程中产生较高功耗的问题,提出了一种高位拆分低位补偿的差分DAC电容阵列,利用高位拆分电容与次高位电容值大小相同这一特性,在比较过程中有效地降低了开关切换所消耗的能量。同时,通过控制开关的闭合,改变最后一次比较过程中末尾冗余电容的大小,从而可以在最后一次比较过程中不引入新的参考基准源。(3)针对高位补偿低位拆分的电容阵列,基于单调型开关策略,提出了一种新型的上极板采样开关策略,解决了前三次转换过程中开关切换功耗较大的问题。进一步,结合提出的高位拆分低位补偿电容阵列,在不引入新的参考基准源的情况下,实现了比较器两端电压的逐次逼近,显著地降低了采样过程中开关切换所产生的功耗,有效地减小了电容的数量和芯片的面积。仿真结果表明,与单调型开关策略相比,平均开关切换能耗降低了95.93%,电容面积减少了50%。(4)针对在上极板单边采样过程中会出现共模电压升高的问题,提出了一种共模电压校正电路,使SAR ADC在比较过程中共模电压始终保持在V/2附近,解决了由于共模电压漂移而引起的SAR ADC线性度失真问题。进一步,采样电路采用栅压自举开关,避免了输入电压变化引起的开关导通电阻的变化,从而消除了在采样过程引起的非线性变化。(5)基于上述方法和SMIC 65 nm CMOS工艺,实现了一款12位、100 kS/s全差分开关电容式SAR ADC电路。仿真结果表明,所提出的开关策略比单调型开关策略的能量利用效率提高了78.3%,在100 kS/s采样速度下,信噪失真比(SNDR)为62.55 dB,有效位数(ENOB)为10.1,功耗为20.18μW,较好地实现了面积和功耗的优化,可满足生理监测领域的应用需求。

关键词： Dialog   SoC   IoT  

摘要： 在物联网(IoT)市场上,Dialog半导体公司凭借广泛的蓝牙低功耗SoC和模块产品组合,锁定了一系列细分市场,包括连网消费设备、智慧医疗设备、智能家居和智能家电等。迄今为止,Dialog累计出货了3亿颗蓝牙低功耗SoC,而且年平均增长率达到50%。随着设备对无线连接的需求不断增长,实现完整的IoT系统将面临着较大的成本压力。综合来看,IoT市场整体呈金字塔结构,位于金字塔底端的设备量较大,但成本相对较低。越往

关键词： 无线传感器网络   低功耗   能量采集   能量感知开关  

摘要： 无线传感器网络是由若干传感器节点组成的分布式网络,各个节点能够采集环境数据信息,通过无线通信的方式实现信息交互。但是能量受限的问题严重限制了无线传感网络的发展,为了解决使用锂电池带来的环境污染以及成本过高等问题,能量采集技术被应用到无线传感器网络之中。能量采集设备将周围环境中的能量转化为电能,代替电池为无线传感器节点供电。然而采能过程的不稳定性使得能量采集设备不能够提供持续稳定的电能,从而严重影响无线传感网络系统整体的性能。本文设计了一种基于能量采集技术的无线传感器网络,其设计工作包括:设计和测试能量采集设备;电源管理电路的设计和制作;设计和完成低功耗无线传感器节点。电源管理电路中的能量感知开关是从硬件角度降低节点能耗的主要途径,也保证储能模块与节点之间电能的智能互相关管理。电源管理电路具有最大功率跟随的功能,可以避免由于电力负载与能量采集设备之间由于阻抗不匹配导致传输效率过低的问题。系统中选用了温差发电器、压电式振动能发电器和磁力振动发电器这三种能量采集设备作为供电源,采集后的电压经过电源管理电路的处理后成为稳定的直流电压,然后测试这三种发电设备的发电性能。无线传感器节点的设计主要从低功耗入手,从硬件和软件两个角度降低节点的能量消耗。本文除了理论分析之外还进行了制作和测试,从而实现了能量采集器为无线传感器节点提供电能。随着研究人员在微电子技术领域的研究不断突破,无线传感器通信网络的设计会更加低功耗、更加微型化,能量采集技术在这个领域的应用也会越来越广泛。

关键词： RF/Wireless system   Energy-efficient system   Millimeter-scale sensor node   RFIC design   Indoor localization   Thesis  

摘要： This dissertation focuses on the miniaturized design and implementation of low-power energy-efficient wireless communication and radio frequency (RF) sensing systems, broadening the use case of smart home devices and Internet of Things (IoT). There are several challenges in miniaturizing wireless systems with an integrated antenna into a centimeter or even millimeter-scale. First, millimeter-sized antennae in RF are electrically-small, resulting in low radiation efficiency as well as difficulties to match the impedance. Second, the energy source is limited due to a small form factor battery. Third, bulky off-chip components, such as a high frequency crystal are unavailable due to reduced system dimension and low power consumption. In this dissertation, these challenges are analyzed and tackled by proposing new circuit architecture and system design techniques as well as new algorithms. Three prototypes of the proposed systems were implemented for evaluation and verification. The first one is a crystal-less 3x3x3 mm 915MHz asymmetric radio system optimized for non line-of-sight (NLOS) communication. The second work is a fully integrated 4x4x4 mm radio with newly proposed carrier frequency interlocking intermediate frequency (IF) transceiver architecture, enabling a symmetric sensor-to-sensor communication. Last, an energy-efficient and rapidly deployable RF localization system with crystal-less custom-designed tag was proposed together with a neural network time-of-flight estimation algorithm. The prototypes presented in this dissertation prove the feasibility of low-power and energy-efficient miniaturized designs to expand applications of wireless sensor nodes and improve the connectivity of devices in the IoT era.

关键词： UCTD   Biotelemetry   Biological markers (Biological tags)   Animal behavior Monitoring   Sensors  

摘要： ENGLISH ABSTRACT: The ability to study animal behaviour is important in many areas of science, including behavioural ecology, conservation and precision farming. These studies typically employ biotelemetry tags attached to animals that collect raw sensor data from tri-axial accelerometers. However, conventional animal behaviour classification techniques are performed offline as a post-processing step and does not provide real-time data analysis. Furthermore, the lifespan of such tags is constrained by their power and memory usage, which are often limiting factors when performing behavioural studies for extended periods of time. The focus of this project was to investigate methods to possibly mitigate these limitations. The main contributions of the work set out in this dissertation are three-fold. First, a novel embedded automatic behaviour classification system which captures and automatically classifies three-dimensional accelerometer data in real-time is presented. All computation occur on specially designed biotelemetry tags while attached to the animal. This allows the probable real-time behaviour to be transmitted continuously, thereby providing an enhanced level of detail and immediacy. As a result of the sustained and serious rhinoceros poaching in South Africa, the behaviour classification system was developed to assist with activities combating this problem. An onboard linear support vector machine with 11 features achieves an accuracy of 99:61% among three behavioural classes (standing, walking and lying down). Stock theft is another significant problem as experienced in the agricultural sector. The behaviour classification system was, therefore, also implemented for sheep. In this case, logistic regression with 34 features achieves a classification accuracy of 89:59%among five behavioural classes (standing, walking, grazing, running and lying down). The estimated behaviour was established approximately every 6:5 s and transmitted to a receiver station fo

关键词： 超宽带   脉冲雷达   低功耗   穿透探测  

摘要： 超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)技术在短距离高速无线通信、探地雷达、穿墙成像和医疗成像等领域具有广泛应用。其中超宽带脉冲雷达系统在无线感知、非接触式医疗监测和物体的速度与位置探测等领域具有独特的优势,并且相比于传统的连续波雷达具有更强的多径分辨能力,更高的定位精度和更低的功耗。目前,结合CMOS工艺低成本和低功耗特性,单片脉冲雷达系统的研究主要集中于短距离室内定位和姿态识别等应用。然而,为实现穿透探测应用,需要保证一定的输出功率,势必造成系统功耗的增加,CMOS工艺低功耗的优势也将不复存在。其中,窄脉冲波形产生电路和超宽带功率放大器作为超宽带脉冲雷达发射前端系统的关键模块,对其功耗和性能进行研究具有重要意义。论文首先对超宽带脉冲雷达系统的国内外研究现状和发展趋势进行介绍。然后阐述了超宽带脉冲雷达系统整体架构和工作原理,以及目前单片超宽带脉冲雷达系统广泛采用的等效时间采样的量化方法。对比分析了常用超宽带脉冲波形的时域波形、频谱图和电路实现方式,创新性地提出了全数字化超宽带脉冲产生逻辑,能够显著降低电路的复杂度、功耗和面积。同时,针对功率放大器功耗较大的缺点,结合超宽带脉冲雷达工作原理,对功率放大器引入新型的开关控制逻辑,在不影响功率放大器性能条件下,使其只在脉冲发射时间内导通,显著降低整体系统平均功耗。本文首先采用TSMC 65nm 1P9M 1.2V标准CMOS工艺实现了3-10GHz超宽带脉冲雷达发射前端。前仿真结果表明:中心频率能够实现3-10GHz调节范围,脉冲宽度0.4-1.2ns可调节,在4GHz载频处实现1.6GHz的信号带宽和7.78dBm的瞬态发射功率,在10MHz重频周期下,其功耗为55.24mW。由于寄生效应、引线电感和PCB的影响,测试结果表明:中心频率能够实现3-6GHz调节范围,脉冲宽度0.67-1.2ns可调节,在4GHz载频处实现1.7GHz的信号带宽和3.05dBm的瞬态发射功率。针对穿透探测尤其是穿墙探测应用,基于TSMC 65nm 1P9M 1.2V标准CMOS工艺实现了4-6GHz超宽带脉冲雷达发射前端。引入脉冲数目选择逻辑和针对功率放大器功耗优化的开关逻辑。前仿真结果表明:中心频率能够实现3-8.5GHz调节范围,脉冲宽度0.117-1.2ns可调,信号带宽为1.13-4.31GHz,在5.8GHz处实现最大18.46dBm的瞬态发射功率,在10MHz重频周期下,其功耗最低为51.7mW。测试结果表明:中心频率能够实现3-5.7GHz调节范围,脉冲宽度0.28-1.2ns可调,信号带宽为1.05-4.55GHz,在5.698GHz处实现最大17.46dBm的瞬态发射功率。

关键词： 异步   准延迟不敏感   低功耗   高性能   设计流程   逻辑努力   多电压阈值  

摘要： 在工业上,由于缺乏异步电路设计的工具、技术和相关逻辑单元库,使得设计人员难以在SoC设计中应用异步电路,因此,异步电路很少应用于工业设计领域。此外,深亚微米工艺也增加了漏电流功耗。基于准延迟不敏感的读出放大器半缓冲逻辑单元库是一种强大的异步电路设计库,它能够在深亚微米工艺下平衡延迟和功耗的影响。为了减少这种差距,本文提出了一种有效的异步准延迟不敏感逻辑单元库的设计,该库采用了适合深亚微米CMOS实现的设计流程,着重于减少传播延迟和功耗。该方法通过闩锁效应来平衡逻辑单元中晶体管的尺寸和性能,通过多电压阈值技术进一步减少了功率约束下的传播延时。该方法在实现晶体管网络中整体性能的平衡非常有用,同时能够对功率约束下关键路径和非关键路径上的晶体管进行加速或减速。该基于先进的准延迟不敏感的读出放大器半缓冲逻辑单元库的设计方法已通过SMIC 40nm工艺的验证。具有Muller C元件的基本单元被设计并以1.1V标称电压进行测试,亚阈值电压设为400mV,并在不同的温度下以1GHz的频率进行采样验证。该设计的原理图、版图设计和仿真在Cadence ICFB完成,并使用Cadence模拟设计环境中的Spectre模型进行验证。当以先前的库为基准进行测试时,生成的逻辑单元库显示出传播延时和功耗均有所改善。

关键词： 开关电源   DC-DC转换器   超低功耗   高效率   同步整流  

摘要： 随着微电子技术的发展,开关电源已经进入了高度集成化的时代。便携式设备、移动终端等市场主流产品对DC-DC转换器芯片的要求越来越高,超低功耗、高效率、小体积成为了DC-DC最主要的研究方向。在分析当前国内外开关电源发展现状和趋势的基础上,对超低功耗DC-DC转换器芯片开展了深入研究,设计了一种高效率的降压型DC-DC转换器芯片,要求其输入电压为2.8V到6V,可直接使用纽扣电池（3.3V）及USB（5V）供电,输出电压为1.8V,输出电压纹波小于3mV,最大输出电流为300mA,最大转换效率在90%以上。设计各模块电路适应2.8～6V的宽电源电压范围,以消除电源分配模块,避免额外功耗;选用同步整流技术来实现调整管的续流,大大降低了续流器件的功耗;各模块电路的静态偏置电流极低;采用闭环补偿电路,降低了系统灵敏度,提高了动态响应。采用0.18μm的CMOS工艺对所设计的DC-DC转换器芯片电路进行了仿真分析,得到在2.8VV的输入电压范围内输出电压稳定在1.8V,直流电源电压调整率为3.75mV/V,输入电压为3.3V和5V输出电压的温度系数分别为32.13ppm和49.42ppm,最大转换效率90.06%,输出电压纹波小于0.77mV,输入电压为3.3V和5V时的负载调整率分别为0.27μV/mA和0.66μV/mA。该电路的CAD仿真结果验证了设计的正确性。

关键词： 卫星定位   低功耗   物联网  

摘要： 近年来随着共享经济、智能监护的热潮,卫星定位的应用领域逐渐扩大,由普通的定位导航设备逐渐演变成位置大数据的搜集设备,在大部分物联网终端设备中,基本都集成有定位装置。但现有的位置数据回传通路都是基于GSM网络的,定位装置功耗高,在使用时都需要频繁充电或配备体积较大的蓄电池。而对某些特殊的物体监管中,安装定位装置的空间有限且无法频繁充电。本文对现有的卫星定位技术和移动网络通信技术以及低功耗技术进行了分析和研究,设计并实现一款微型低功耗定位装置,利用NB-IoT通信技术,进一步降低定位装置的功耗,能够对无源物体的位置数据进行长期采集。定位装置的功耗主要来源于通信模块和定位模块,通信模块的射频单元在无数据交互时仍持续检测信道,定位模块在断电重启时需要持续30秒的星历更新,此时存在很高的峰值电流。针对以上问题,在本方案设计中,将定位装置分为定位模块、通信模块和主控模块。首先在器件选型中选择体积小、功耗低的器件,然后通过电路优化进一步降低功耗。在通信模块的设计中,采用NB-IoT网络,利用PSM工作模式,设计了一种基于CoAP的轻量级通信协议,使其在无数据交互后NAT端口快速回收,及时关闭通信模块的信号接收机,有效减少通信模块在无任务时检测信道的时间。通过优化定位模块的启动方式,使其在睡眠模式下保存星历,有效避免因冷启动搜星所带来的峰值电流。在核心控制模块的设计上,采用双外部晶振方案,进一步降低定位装置睡眠模式下的功耗,并有效地提升了系统的数据处理速度。最后,通过物联网云平台完成定位装置的接入工作,并调用百度地图实现定位数据的可视化。经过对定位装置的性能测量,最终产品的体积小于35*35*10mm,在日发一次数据的情况下,估算能够持续工作2.24年,达到预期的目标。本文设计并实现的微型低功耗定位装置,在体积和功耗上具有一定的优势,能够广泛应用到多种物联网系统中,具有较高的实用价值。