关键词： 卤素钙钛矿   Cs2AgBiBr6薄膜   忆阻器   低功耗  

摘要： 忆阻器,作为第四种无源基本电路元件,具有结构简单、速度快、功耗低、易于3D集成等优势,既能满足下一代高密度信息存储与高性能计算对通用电子存储器的性能需求,又能实现非易失性状态逻辑运算和类脑神经形态计算等功能。目前已经在各种各样的材料体系中,如氧化物、硫化物、氮化物、二维材料及钙钛矿材料等,观察到了阻变开关特性。近年来,卤素钙钛矿材料因其优异的电子-离子传输特性和简单通用的制备工艺,使得其作为一种极具吸引力的新型材料,在光电和信息存储领域被广泛研究。本论文主要围绕环境友好型无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6薄膜材料的制备及忆阻器件应用方面展开研究。主要研究内容及研究结果如下: 1.在大气环境中通过简单的一步旋涂法结合低压协助（LPA）处理,成功制备了高质量无针孔的Cs2AgBiBr6双钙钛矿薄膜。系统研究了不同DMF和DMSO溶剂的体积比对Cs2AgBiBr6薄膜形貌的影响。研究结果表明合适的DMF和DMSO溶剂的体积比可以有效抑制薄膜针孔的形成和Ag的析出。构建了结构为Ta/Cs2AgBiBr6/ITO的忆阻器原型器件。器件表现出典型的双极性阻变行为,在存储窗口约10倍条件下稳定循环100多次且开关电压极低(VSet～57 mV,VReset～-692 mV),表明该器件在低功耗信息存储领域中具有一定的应用前景。该部分研究结果已发表在Nanotechnology上。 2.在大气环境中制备的Cs2AgBiBr6双钙钛矿薄膜质量严重依赖于当前的环境条件（特别是湿度条件）。为了改善薄膜制备工艺的可重复性,我们在手套箱中旋涂制备了可重复生长的高质量Cs2AgBiBr6双钙钛矿薄膜,着重研究了不同退火温度（200-300℃）和电极材料（活性电极Ag和惰性电极Ta）对忆阻器阻变性能的影响。结果表明,合适的退火温度可以适当提高Ag/Cs2AgBiBr6/ITO忆阻器件的开关窗口,而采用惰性电极Ta则可以显著提高器件的循环次数（>1000循环）。循环次数的提高主要是由于活性电极Ag在测试过程中会逐渐消耗,而惰性电极Ta则不会与薄膜材料发生反应。 3.为了进一步提高器件的存储窗口,探究了卤素Cl掺杂对Ag/Cs2AgBiBr6-xClx/ITO忆阻器性能的影响。研究结果表明Cl掺杂可以有效调控忆阻器件的存储窗口:当Cl的掺入量x为0.5时,忆阻器的存储窗口值达到最大,约100倍,但过量的Cl掺杂,则会导致器件的存储窗口逐渐衰退,这可以归因于过量的Cl掺杂引入了更多的缺陷。

关键词： 进位选择加法器   低成本单元   冗余晶体管   低功耗   低延迟  

摘要： 加法器是算术模块的基本单元,用于实现二进制加法并参与其他算术运算,一个高性能的加法器可以显著提升整个算术逻辑单元的性能。在众多类型的加法器之中,进位选择加法器(CSLA)被认为是高速加法器之一。但是近些年来,一些CSLA设计普遍有较多冗余晶体管,导致功耗,延迟,面积开销大。针对此问题,本文设计出了两种CSLA,通过引入提出的低成本单元XWNN来减少CSLA的开销。 为了减小CSLA的功耗和面积开销,本文改进了共享布尔逻辑进位选择加法器(CBL-CSLA)。改进后的设计在保持功能正常的情况下,通过使用XWNN单元减少冗余晶体管,有效降低了面积和功耗开销。在4位电路结构下,与一些最新的CSLA相比,该设计的晶体管数量、功耗和功耗延迟积分别至少降低20.93%、23.12%和16.00%,但是延迟至多增加了9.26%。 为了降低改进的CBL-CSLA的延迟,提升其综合性能,提出了一种高速低开销的CSLA。它通过使用重新配置的组合逻辑来减少电路冗余逻辑,同时使得该CSLA可以由XWNN单元实现并进一步减少冗余的晶体管,从而降低电路的延迟、面积和功耗开销。在64位简单分组电路结构下,该设计与一些最新的CSLA相比,晶体管数量、延迟、功耗和功耗延迟积分别至少降低了10.47%、12.54%、8.06%和20.32%。 此外,为进一步减少两种CSLA的延迟和功耗,基于上述两种设计的优点,提出两个构建64位平方根(SQRT)分组CSLA的方案。与最新的几种设计相比,第一种方案的晶体管数量、延迟、功耗和功耗延迟积分别至少降低9.77%、5.11%、6.79%和14.80%;第二种方案各性能参数分别至少降低9.77%、9.03%、6.64%和18.18%。 图[34]表[9]参[61]

关键词： 低功耗   逐次逼近   模数转换器   混合结构   预测  

摘要： 随着人均寿命和可支配收入的增长,国民健康意识的逐渐增强。常规的临床诊断需要在医院进行检测,占用患者大量时间而且检测过程往往伴随着不适感。便携式医疗电子设备相较于传统医疗设备具有实时监控、体积小巧、侵入度小、集成度高等众多优势。便携式医疗电子设备需要在不影响人们正常生活的前提下,采集和检测人体的生物电信号,小型化、低功耗、低成本是硬性要求。在这一背景下,降低功耗和提高系统寿命成为了设计的重中之重。典型的生物电信号检测系统主要包含模拟采集前端和数字处理后端,通过模数转换器电路（ADC）将两部分串联起来,ADC作为核心模块之一,其性能至关重要。SAR（Successive Approximation）ADC由于功耗低、结构简单和易于集成等特点,成为了低功耗ADC的首选结构。本文针对生物电信号采集应用场景,设计了一款适用于稀疏信号的10位超低功耗SAR ADC。 针对传统电容DAC（Digital-to-analog Converter）面积和功耗较大的问题,结合生物电信号在大部分时间内变化缓慢、周期性变化的特点,本文提出一种采用预测算法的混合结构SAR ADC。该ADC具有7位MSB CDAC和3位LSB RDAC,约为传统CDAC面积的1/8。3位LSB RDAC通过四个电阻控制两个单位电容,相比八个电阻控制一个电容,这允许每个单元电阻具有更高的压降和可靠性,与具有相同单位电容的基于VCM-base的纯CDAC相比,所提CAP-RES混合DAC功耗降低约48.65%。提出的一种免复位预测算法,通过向前搜索过程和向后搜索过程,大幅减小平均量化次数,从而降低ADC整体功耗。整个高位量化过程单边最多切换两个电容,也极大地减小了电容失配对线性度的影响。 本文基于130nm BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺设计了基于预测方式的免复位分段式SAR ADC,基于virtuoso环境开展了电路设计和仿真验证。本设计采用1.2V数字电源电压,采样频率10k S/s,电容DAC位数为9位,基于Spectre/Hspice后仿结果显示:无杂散动态范围（SFDR）为65.22dB,信噪失真比（SNDR）为58.85dB,有效位数（ENOB）为9.48bit,输入频率160Hz下功耗341.77n W,Fo M值为47.86f J/Conv.-S,ADC主体面积约0.067mm2。

关键词： 实时时钟芯片   低功耗设计   数字集成电路   功能模块  

摘要： 随着物联网和便携式设备的广泛应用，实时时钟芯片(Real-time Clock,RTC)的重要性日益凸显。RTC芯片作为电子设备中提供精确时间基准的关键组件，其低功耗设计成为当前研究的热点。针对这一研究方向，本论文将设计了一款具有多种功能的低功耗RTC芯片。　　论文首先讨论了 RTC芯片基本结构和工作原理，数字集成电路设计流程和低功耗设计方法;在此基础上，基于华虹宏力的110nm工艺设计了一款以数字电路为主的RTC芯片，该芯片使用I2C通讯协议，工作频率最大支持400kbits/s，具有报警、倒计时、分钟和半分钟中断等多种功能，还具有频率校正机制，使时钟的频率偏差小于2ppm;论文从RTC芯片的诸多设计要求出发，完成了 RTC芯片的整体组织架构规划，重点说明了 I2C通讯模块、功能模块以及时钟分频和管理模块的功能原理，详细设计了芯片的各项功能，并对功能进行了仿真验证，完成了相关的前端设计工作;对所设计的代码进行了逻辑综合，将前端设计的RTL级代码文件转换为门级网表文件，并进行了形式验证;上述工作完成后进行版图设计，包括布局规划、自动布局、时钟树综合等步骤，将网表文件转化为实际上符合生产工艺并可供制造用的版图文件。最后对版图进行功能验证、静态时序分析和物理验证等一系列验证步骤，确保了整个设计在逻辑、时序、设计规则等诸多方面的正确性和可靠性。为了降低功耗，论文在整个设计过程使用了一系列低功耗设计方法，有效降低了功耗，在典型工作条件下(工作电压1.2V,温度为25℃)的工作电流仅为0.5μA,典型工作条件下数字部分功耗为81.29nW,芯片版图面积为23200.13μm2。　　本论文采用华虹宏力110nm工艺设计了一款RTC芯片，芯片具有功耗低，稳定度高的特点，符合项目的设计要求，具有一定的使用价值。

关键词： 海底地震仪   水声通信   正交频分复用   低功耗   误码率  

摘要： 中国是一个幅员辽阔的海洋国家,拥有大约1.4万公里的岛屿海岸线和1.8万公里的大陆海岸线,因此海洋能源与资源的开发对我国海洋工程项目的可持续性发展具有重要的战略意义。基于一带一路地震监测台网项目的开展,本论文主要研究一种低功耗的OFDM水声通信系统。因为水声通信设备在水下工作时需要外部电池长期供电,在观测作业中对于电池的更换难度较大。可通过降低系统功耗来减小耗电量,提高电池的使用寿命,延长设备工作时间。由于水声信道环境复杂,信号衰落比较严重,而OFDM可有效对抗选择性衰落,抗干扰能力较强,频谱利用率较高,适合应用于水声通信领域。本文基于此课题目标做出了以下研究: (1)通过引入通信声纳方程,得出声波在水声信道的传播规律,从传播损耗、多径效应、噪声干扰和多普勒效应4个方面分析水声信道的特性。由于水声信道的复杂性使信号在传输过程中容易受到多重干扰,导致信号的解调出现失真,通过OFDM的加入,能够有效对抗频率选择性衰落,克服符号间干扰,提高频谱利用率。 (2)将120bps传输带宽作为基本设计要求,扩展循环前/后缀后的符号长度为640个采样点,时长为0.5秒。对于长度N为512、采样率1280Hz的OFDM信号传输,当最大子载波序号n<180时OFDM信号的频带上限为450Hz,此时需要采用调幅或调频等方式将OFDM信号调制到适合水声通信的载频即8k Hz～16k Hz上。最后通过输入不同的信噪比,得出接收端的信噪比范围最适合在16～20d B,此时系统误码率较低,功耗也不是很高。而且发现FFT长度越短,相同SNR的误码率越低。通过设计差错控制编码模块、交织器编码模块、QPSK映射编码模块和插入循环前缀及构造IFFT输入数据模块,完成了IFFT与FFT的算法实现。发现基于FPGA实现的OFDM编解码结果与MATLAB仿真结果一致,验证了OFDM符号长编码传输的可靠性。 (3)由于缩减电路规模、降低数字电路的运行频率有利于实现低功耗的水声通信系统,本章节最终实现的电路就只包含了水声换能器、输入和输出放大滤波电路和MCU外围电路,电路更简单,功耗更小。选取低功耗的STM32L476芯片,设计了基于STM32单片机的低功耗OFDM水声通信系统。通过IFFT算法、加窗、FM调制和数模转换完成了OFDM信号的编码;通过FM解调、模拟数字转换和FFT算法完成了OFDM信号的解码。通过多次功耗测试结果,得出功耗的平均值为340.9m W,实现了OFDM水声通信系统低功耗的研究目标。最后在实验室进行了水池试验,测得通信速率为120bps时,OFDM信号解码的误码率为9.8584%。

关键词： 海洋要素三维可视化   拓扑构型   改进MC算法   多线程   八叉树  

摘要： 可视化技术在海洋环境研究领域具有重要的作用,不仅能扩展人类对海洋的认知和理解,还提供了一种直观、高效的分析工具,可以更直观的获取海洋中信息的变化。然而,海洋环境是个极其复杂的环境,海水中存在多种海洋要素,具有变化复杂多样等诸多特点;同时,随着观测技术的发展和进步,能够获得的海洋要素数据也呈爆炸性态势。面对庞大的计算量与高精度图像的绘制要求,如何快速且准确的绘制出海洋要素三维图像成为了一个关键问题。 目前体视化方法有很多,面绘制中的MC(Marching Cubes,行军立方体)算法具有精度高、计算效率相对较快等特点,非常适合海洋要素三维可视化处理。因此,本文基于MC算法进行海洋要素的三维可视化研究。首先对MC算法的基本原理及研究现状进行了详细分析;在此基础上,依据海洋要素的特点,针对传统MC算法存在拓扑二义性无法确定,效率存在优化空间等问题进行了改进;最后基于改进的MC算法设计并实现了海洋三维可视化系统。具体研究内容如下: (1)针对传统MC算法中拓扑二义性无法保证的缺点,提出一种细分拓扑结构的方法进行处理。对拓扑结构错误等问题进行了深入的分析,针对容易产生二义性的一些拓扑情况进行准确细分。通过强制规定二义性面正连接的方式,确保与相邻体素的连接不出现错误,保证拓扑正确性。 (2)采用优化八叉树数据结构对MC算法进行改进。由于传统MC算法需要遍历所有体素的特点,八叉树数据结构对算法进行剖分递归运算,能够规避大量空白体素的计算,通过针对海洋要素特点进行合理设置递归终止条件,使运算效率得到了提升。 (3)在提升MC算法效率之外,充分考虑计算机硬件条件,提出一种多线程并行运算方法。通过将拓扑构型分为四个大类,使用不同的线程进行针对处理,使得算法效率得到了进一步提升。 (4)基于改进MC算法设计并实现了一套海洋要素三维可视化系统。系统分为数据载入,等值面提取,图像绘制三大模块。通过前后端分离的形式完成,前端基于Cesium框架设计而成。后端基于Spring Boot框架搭建,并进行封装打包,拥有跨平台的特性。