关键词： 逐次逼近型ADC   低功耗   电容阵列   低噪声比较器   异步逻辑  

摘要： 模数转换器(ADC)是电子系统架构中的关键模块,逐次逼近(SAR)ADC因其高效能和精度特别适用于无线体域网络和便携电子设备等应用。然而,随着供电电压降低,给SAR ADC带来了诸多问题:(1)降低信号处理能力;(2)限制动态范围;(3)噪声性能差等,对SAR ADC精度和效能造成负面影响。 本文设计了能适用于0.7 V电压下的一款12位1 MS/s低功耗异步SAR ADC。为了保证在低电压下稳定工作,分别对各个模块进行了低压低功耗设计。首先,ADC采用两级自举开关结构,该结构在采样时保持较低的导通电阻,同时采用负电压关断和衬底偏置技术减小关断时的漏电,从而确保了高采样精度和良好的线性度;其次,提出了一种低功耗的Split型电容切换策略,避免共模电平的使用,简化了开关控制逻辑电路。电容阵列采用分段式结构,既减小电容的面积,又减小了DAC的整体功耗;接着,为了使比较器能在低压下稳定工作,采用电源到地堆叠三个MOS管低噪声动态比较器,优化比较器的开关时序,减小电路噪声。比较器采用了输出失调存储(OOS)技术对失调电压进行校准;最后,SAR逻辑采用一种锁存结构的动态逻辑减小漏电,降低功耗。SAR逻辑采用异步时序来避免依赖于高频时钟产生器,大大降低了ADC的系统功耗。SAR ADC通过外部控制信号来调节延时,以确保每位权重电容的电平切换建立时间足够。 基于华虹55 nm CMOS工艺完成SAR ADC的电路设计、版图绘制以及仿真验证。内部ADC版图面积是310μm×420μm,带PAD的完整ADC版图面积是1000μm×1000μm。后仿真结果显示,在0.7 V低电源电压、1 MS/s的采样速率以及低频的输入信号条件下,本文设计SAR ADC的有效位数(ENOB)达到10.13 bit,信噪比(SNR)为64.75 dB,信纳比(SINAD)为62.4 dB,无杂散动态范围(SFDR)为70.11 dB,整体功耗仅为19.34μW,优值Fo M达到了17.25 f J/conv.-step。以上结果证明,本文所设计的低压SAR ADC在较高采样速率下具有良好的动态性能和低功耗特性。

关键词： 能量收集技术   纹波并联   最大功率点追踪   低功耗  

摘要： 随着物联网的广泛普及和现代微电子技术的持续进步,电子产品正朝着微型化、集成化的方向发展,进而推动了电子设备的便携化和无线化趋势。无线传感器网络也随之得以迅速发展及应用。然而,在实际工程应用中,此类设备的供电问题已成为制约其快速发展的关键因素之一。相较于传统的电池供电方式,利用能量收集技术的自供电方案在可持续性、长期稳定运行、成本效益和对多种环境等方面展现出显著优势。但这一技术仍然处于工程验证阶段,面临诸多挑战,例如能源转换与管理、输出功率有限、以及对无线传感器用电需求的适配性问题等,限制了其发展和实际应用。 本文针对现实工程需求和技术难点,开展了以下具体工作: (1)建立了电磁式振动能量收集系统的等效模型,对振动能量转换为电能的基本理论、转换后的电学特性进行研究。首先研究电磁式振动能量收集器的基本理论,包括电磁感应原理和振动能量转换的物理模型。然后分析输出能量在电压类型(交直流)、电压大小等方面的特性,通过引入整流接口电路、电源管理电路等模块,解决系统与用电设备的适配问题。然后对电源管理电路中的重要模块——Boost升压变换器在不同工作模式下的输入特性进行详细分析,通过对比两种工作模式下的控制系统在追踪理想MPP值偏差的情况,确定了Boost变换器的工作模式,提升MPPT控制稳定性以及控制精度。最后研究了该工作模式下的关键参数选定,为提升系统稳定性和降低能量转换的损耗提供理论指导。 (2)设计了一种适用于低压场景的新型低功耗能量收集系统。首先分析电磁式振动能量收集系统中能量的传输路径和转换过程,包括交直整流变换和直流升压变换。然后,通过对比不同传统整流回路的特点设计有源倍压整流接口电路。同时,在直流升压变换过程中,引入最大功率点追踪控制,并通过数学分析推导最大功率点条件以及追踪控制原理。在现有的最大功率点追踪方法的基础上进行改进,将Boost升压变换器的控制方式选定为COT控制模式,仅对充电阶段的输入电压检测,实现检测目标从原先的电压、电流、功率减少到只对电压监测。采用的纹波并联方法不再需要多个乘法器对最大功率点进行判断,只需要一个微分器和比较器MPPT控制。最后,利用Simulink进行闭环控制的仿真实验,对比实验结果显示,系统引入闭环MPPT控制后,对外输出功率提升了61.22%,整流后的输出电压基本稳定在3V以上,能够满足大部分低功耗传感器的用电需求,验证了所采用方法的可行性和必要性。 (3)设计控制电路,并验证电路功能和系统的稳定性、响应速度等。首先对输入交流信号分析,搭建使用场景的电源模型。然后,结合倍压电路和有源整流设计接口电路,针对设计的电路拓扑以及能量源输出具有低压低频特点选取合适的比较器、MOS管。搭建的电源模型与整流接口电路连接仿真,综合考虑输出仿真结果和电压纹波,计算出倍压电容的选定值。设计控制电路包括最大功率点追踪电路和COT电路。最大功率点追踪电路根据改进算法的特点,设计了负斜率变化电压的微分求导电路,以及对输入信号差分处理的电流比较器,保证了判断的准确和稳定。实验结果显示设计的控制电路模块输出功能满足要求,误差电流小于20 n A,系统的相位曲线相对于0d B增益点有60,稳定性好,响应速度优于常见电源控制器,延时仅约为2.93ns。

关键词： 存内计算   模数转换器   低功耗   旁路窗口  

摘要： 随着人工智能的发展,通过将计算单元嵌入存储单元（即存内计算）,大幅降低了数据访问延迟,显著提高了计算效率。在存内计算芯片中,存储阵列外围需要集成模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）,将模拟计算结果转换为数字输出,进行移位加法、池化等操作。然而,大量并行工作的ADC会带来显著的功耗和面积开销。本文将围绕存内计算芯片中高性能、低功耗的模数转换器进行研究,主要研究内容如下: （1）针对存内计算架构中低功耗设计需求,设计了一款采样频率为2 MS/s的8位逐次逼近型（Successive-Approximation Register,SAR）ADC。结合高位分裂、低位单调的电容开关时序,既避免了大量开关和逻辑的引入,又降低了共模电压的波动和对参考电压缓冲器的驱动要求。考虑到密集型应用场景,在片内集成了参考电压缓冲器,并采用了复制支路降低了对运放带宽的要求。基于55 nm CMOS工艺完成了版图设计、流片验证和测试分析。ADC内核面积为10208μm2,功耗为27.63μW。芯片测试结果表明,设计的ADC在低频输入下有效位数为7.02 bit,微分非线性（DNL）为-0.97/+1.57 LSB,积分非线性（INL）为-1.52/+0.72 LSB。 （2）以MNIST和CIFAR-10作为目标数据集,分别采用LeNet-5、AlexNet网络来验证ADC性能对网络模型识别准确率的影响。通过在ADC量化模型中注入失调误差和非线性误差,评估其在不同数据集上对网络模型识别准确率的影响,并将SAR ADC芯片的测试结果作为误差标准值带入ADC量化模型进行识别准确率验证。结果显示,在失调误差为2.56 LSB、非线性误差为0.59%时,LeNet-5网络的识别准确率下降了0.29%,而AlexNet网络的识别准确率下降了1.87%。 （3）基于测试结果和识别准确率实验,并结合卷积运算输出结果呈正态分布的特征,本文设计了一款采样频率为10 MS/s的基于旁路窗口的异步SAR ADC。首先,通过跳过旁路窗口内高位电容的切换,降低了数模转换器（Digital-to-Analog Converter,DAC）的功耗,同时提高了DAC的线性度。其次,在电容阵列中的最低位采用了C-2C电容,从而使整体电容的数量减少了47.6%。并且,增加了动态比较器的失调校准模块,降低了由动态比较器引起的失调电压。经过校准,失调电压由4.63 mV降低至0.58 mV。最后,为了缓解异步时序在PVT下波动较大的问题,设计了延时自适应配置模块,在ADC正常工作前,自动完成延时的配置。 基于55 nm CMOS工艺完成了版图设计,ADC面积为5192μm2。后仿真结果表明,在低频输入下,ADC的有效位数为7.88 bit,DNL为-0.25/+0.31 LSB,INL为-0.44/+0.13LSB,内核总功耗约为45.91μW,品质因数为19.49 fJ/Conv。

关键词： 物联网   NB-IoT   通用单元电路   低功耗   云平台  

摘要： 通信技术和云计算的发展,促使物联网技术在生产生活中得到了更为广泛地应用。物联网设备复杂多样,其低功耗要求日益增长,开发一种低功耗通用单元电路来满足不同领域的数据采集需求具有强烈的现实意义。因此,本文在研究低功耗技术的基础上设计了基于NB-Io T(Narrow Band Internet of Things,NB-Io T)技术的低功耗通用单元电路,最后以课题研究期间参与的数据采集器为实验对象,进行了低功耗通用单元电路的验证。 首先,本文从物联网发展历程出发,研究了物联网的无线通信方式,并明确了各种通信方式的适用范围。对比物联网的无线通信方式后,根据当前应用环境选择NB-Io T作为通用单元电路的联网方式。在研究现当前基于NB-Io T通信协议的物联网设备时,发现这些设备存在通用性不强的问题,结合这些问题明确通用单元电路设计总体方案。 然后,对低功耗测控技术进行研究,依据NB-IoT工作模式改进电路低功耗实现方法,并设计低功耗供电分配电路满足主控芯片、通信芯片等元件低功耗设计需求。在此基础上,对通用单元电路的各硬件部分依照低功耗原则进行设计,完成低功耗信号采集电路、低功耗通信电路,完成通用单元电路PCB(Printed Circuit Board,PCB)设计。在通用单元电路硬件设计完成的基础上进行软件设计,对NB-IoT低功耗编程、MCU低功耗编程进行改进,进一步降低电路功耗。在低功耗编程的思路下完成开发环境搭建、数据采集编程、数据通信编程等。 最后,将通用单元电路应用到课题研究期间的电机负载状态检测系统、信息采集器项目中,进行数据采集和低功耗和电路性能的验证,从多个角度验证基于NB-Io T低功耗通用单元电路设计的功能完整性。与传统物联网设备相比,其可以采集的数据更多、使用环境更加丰富、低功耗设计更加明确,体现出其在物联网设备应用领域的通用性、可靠性和稳定性,可避免重复开发,在多种应用领域可得到进一步应用。

关键词： 低功耗解调系统   光纤多参数传感器   乙炔吸收峰   垂直腔面发射激光器  

摘要： 光纤光栅具备本质安全、稳定性高、抗电磁干扰能力强等优势。目前,基于光纤光栅的温度、压力、应变、位移等多参数传感器已经逐步应用于煤矿、桥梁,航天等领域。光纤光栅解调系统用于解调传感器的波长信息,是整个传感网络的重要一环。但现有的解调系统存在功耗高、成本高、体积大等问题,不适用于所需监测点较少、供电困难的场景中。为解决上述问题,本文开展低功耗、低成本、高精度的光纤光栅解调系统研究。主要研究内容如下: (1)说明了本文的研究背景及意义,并介绍了光纤多参数传感器的发展以及光纤光栅解调技术的进步。阐述了光纤光栅的结构以及光纤光栅的温度、应变感知原理,同时对比现有的光纤光栅解调方法,将扫描激光器法作为最终选择。 (2)提出了使用乙炔吸收光谱自校准的光纤光栅解调系统,该系统使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为光源,并利用乙炔吸收峰作为波长参考用于解调光纤光栅。其中为降低系统功耗未对激光器使用温度控制,通过研究激光器在0～40°C时的波长重叠范围,进而确定解调系统在该温度范围内运行时的波长解调范围。另外设计了散热装置促进激光器散热,使解调系统在间歇工作模式时提高了电能利用效率。在处理乙炔吸收峰的归一化数据中,根据吸收峰的强度不同作为重要的识别特征,提出了基于定位特征峰、辅助峰的吸收峰识别算法,另外使用吸收峰分割算法将识别后的吸收峰序列进行分割,对分割后的各个单峰区域单独寻峰。最终实验结果表明解调系统的波长重复性为±3pm,波长精度为±2pm,运行功耗降低至0.264W。 (3)基于低功耗解调系统,搭建了应用于煤矿巷道的多参数监测系统。为了满足实际监测需要,设计了一种大量程的光纤顶板离层传感器,并在实验室中使用低功耗解调系统对光纤顶板离层、锚索应力以及温度等多参数传感器进行测试,实验结果表明低功耗解调系统的位移解调精度为±2mm、压力解调精度为±4k N。在实际应用中使用容量为20Ah的电池供电,计算得到低功耗解调系统在间歇工作模式时的运行时长至少为100天。最终解调系统还监测到巷道顶板的伪顶岩层存在17.5mm的塌陷量,证明了该解调系统在实际应用中具备较好的可行性、可靠性。

关键词： 存储测试   微型化   低功耗   RISC-V  

摘要： 弹载测试获取弹丸工作状态的关键手段。发射试验前,弹载测试系统需固封于药室,随弹进行2-3天保温实验,以确保系统稳定。因此,对于小体积微电源的弹载存储测试系统,低功耗一直是设计人员关注的核心问题之一。同时,近几年芯片信息安全问题促使各行业加快推进国产自主可控;然而,现有弹载测试系统多依赖国外芯片设计。针对上述问题,本文深入研究了国产低功耗弹载存储测试系统,详细研究了其设计原理、性能特点以及应用前景。具体研究内容如下: 首先,遵循通用化原则,对弹载存储测试系统进行了总体方案设计。通过对比分析国内外弹载存储测试系统技术发展现状,以存储测试通用化为目标进行了系统总体方案设计;并在总体方案的基础上,进一步提出了针对存储测试系统的低功耗设计策略。 然后,基于低功耗设计策略,对国产弹载存储测试系统硬件设计进行了研究。其中,利用国产低功耗器件选型设计实现了系统硬件基础低功耗;通过电源管理电路设计,引入倒置开关控制MCU电源模式,并进行电压智能管理的方式实现系统硬件运行低功耗。 随后,针对国产弹载存储测试系统,深入研究了其软件设计。基于通用化原则,将存储测试系统软件划分为状态机模块、采集存储模块及驱动模块;并基于DMA和乒乓存储算法实现了数据采集的高速存储,同时降低了系统软件运行功耗。在此基础上,基于QT多线程技术设计了系统数据管理分析软件;通过相应的上下位机通信协议实现存储测试系统的初始化配置、数据文件上传等功能。 最终,对国产弹载存储测试系统的系统功能验证,并进行了功耗测试。通过试验验证,证明了所设计国产低功耗弹载存储测试系统在实现各项功能的基础上,具有良好的低功耗特性。为了验证设计的通用性,基于弹载存储测试系统进行了三轴冲击测试系统适配设计,并对其进行了现场验证。

关键词： 海洋监测浮标   低功耗   数据采集   通信网络  

摘要： 我国作为一个海洋大国,拥有丰富的自然资源和巨大的经济潜力。近年来,我国海洋经济蓬勃发展,沿海经济活动对海洋环境造成了严重影响,海洋生态问题日益凸显,我国面临严峻的海洋灾害影响。因此,持续、实时的海洋环境监测网络对及时发现海洋环境变化,并采取有效措施保护近岸海域水质和相关海洋经济产业至关重要。 海洋监测网络当前面临着采集和通信系统功耗高,网络监测范围小的问题。本文针对海洋监测浮标网络所面临的不足,从低功耗海洋多元环境信息采集系统和低功耗海洋监测浮标网络通信系统两个维度进行研究与实现。 首先对两个系统的功能、原理及涉及的技术进行研究分析。 其次针对低功耗海洋多元环境信息采集系统进行研究和设计,从硬件和软件两个角度的多个方面展开低功耗分析与设计,使系统实现对传感器及浮标状态信息的采集、处理、传输和储存等功能。 然后针对海洋监测浮标网络通信系统中存在的问题,提出了一种链式拓扑结构的通信网络,采用低功耗的Lo Ra技术与北斗短报文通信技术相结合的通信方式进行数据传输。根据浮标网络的数据上传要求,设计逐级上传的远距离数据传输方式;根据上位机对浮标的控制要求,提出了一种基于GPS的远距离数据传输方式。通过构建低功耗、远距离的浮标监测网络,实现海洋环境监测数据的物联网化。 最后对本文研究与设计的两个系统关键技术进行功能、功耗进行实验室及海上实际测试与验证。通过测试表明各项数据均能够周期性的正常采集,实验室条件下16个节点的链式网络通信丢包率小于1%,系统在待机时电流仅为45u A。这使浮标网络在缺乏光照的环境下,也能依靠波浪能纳米发电机正常工作,并实现大范围的海洋环境监测和数据的网络化传输。

关键词： 实时采集   可视化   网络通信   UI设计   异步编程   多线程  

摘要： 航空航天是我国的战略性产业,是我国先进制造业的重要组成部分,在航空航天领域需记录的数据越来越庞大。发动机研制成型后,需对发动机各个部件的温度变化和震动情况等进行数据检测,使用记录软件记录测试全过程数据,确保能够实时查看运动部件的工作状态,为后续的数据分析和设计改进提供保障。针对此类现象,本文设计实现了多参数传感数据实时采集可视化软件。 软件基于C#设计完成,实现128通道长时间数据采集,可测量电压、应变、温度、热流等多种物理量,为运动部件提供长期监测环境。本文讨论了运动部件数据采集系统的需求和构成,分析设计采集软件的开发环境及常用技术。整个软件前端使用UI控件进行布局,后端使用异步编程技术分配采集任务,实现每秒可视化刷新100个采集点。设计了通信控制、高效存储、分析处理、动态显示和数据回放五个模块。通信控制模块利用TCP协议、UDP协议和裸机通信的传输数据特点,自定义通信协议并将其封装在TCP和UDP协议上。存储模块结合了文件IO流技术,实现快速保存。分析处理模块能够进行数据帧的解析处理,读写大文件时采用了内存映射技术,加快文件的读写,由动态显示模块实现多参数的实时显示与刷新。最后基于后续数据记录分析的需求,设计了数据回放模块,能够准确还原历史曲线,有助于测试人员的决策和运动部件工作规律的总结。此外,本文还设计了局域网通信模块,验证了实验室数据共享方案的可行性。 软件在使用UI界面、多线程、异步编程、内存映射等技术的基础上,采用生产者-消费者模型、环形缓冲区模型进行设计。软件设计已通过Alpha测试和Beta测试,能够及时、正确地响应各项功能需求,适用于不同采集场景,为航空航天运动部件现场测试和进一步优化提供了参考。

关键词： 5G通信   低噪声放大器   SOI工艺   电流复用技术   极点调控技术   变压器结构  

摘要： 随着无线通信迅猛发展,5G通信技术凭借其高速率、低延迟和大容量特性,在我国智慧城市的建设中发挥了关键作用。然而,作为5G通信技术的核心,射频芯片依然被海外巨头垄断。截至2021年,国内射频前端芯片市场85%的份额被美日厂商占据。面对美国对中国芯片产业的打压,以及限制中国获取先进芯片等种种行为,国内射频芯片的自主研发显得尤为重要。作为射频链路中首个有源放大模块,低噪声放大器的性能会直接影响整体链路的噪声系数和稳定性,且宽带化和低功耗的低噪声放大器能够适应5G通信需求。因此,自主研发适用于5G通信的宽带低功耗低噪声放大器,对突破国内芯片发展瓶颈具有重大意义。 本文针对拓宽低噪声放大器的电路带宽、降低电路功耗以及优化噪声和降低电路面积等方面展开了研究,具体工作如下: 基于国内55 nm RF-SOI工艺,实现了一款用于5G通信的宽带低噪放。该款放大器采用Cascode结构,通过引入极点调控技术拓展电路增益带宽。针对电路稳定性差的问题,采用“T型”输出匹配网络优化了电路稳定性。仿真结果表明,电路在3.3～3.7 GHz频段最小噪声系数仅1.08 dB,最大增益达到19.79 dB,且具有优异的增益平坦度。放大器直流功耗为21.7 mW,1dB压缩点4.69 dBm,经测试,电路在3.6～4.2 GHz频段实现最小噪声1.55 dB、最大增益15.55 dB、1dB压缩点-11.61 dBm及22.3 mW的直流功耗。 基于65 nm CMOS工艺,设计了一款用于5/6G通信的超宽带低功耗紧凑型低噪放,该放大器采用PMOS-NMOS互补性电流复用结构,通过引入反馈的方式拓展电路带宽的同时省略了偏置电路绘制,降低电路复杂度。针对电路噪声系数较高问题,采用电压—电流双重消噪技术优化电路噪声,并通过变压器正反馈与负反馈相结合的方法减小电路面积的同时,拓展电路增益带宽,并提升电路稳定性。经仿真,电路在2～8 GHz的超宽带范围内最小噪声系数为1.7 dB,最大增益达到了18.7 dB,电路直流功耗仅13.2 mW。