关键词： 电磁流量计   超声波流量计   低功耗   智能化   改进卡尔曼滤波  

摘要： 随着工业自动化和环境监测领域的快速发展,市场对流量计的功能要求日益增加,希望一款流量监测系统不仅能够适应流体复杂多变的环境,而且可以支持无线传输、无人值守、自动报警的智能化功能,还要有电池供电长期运行的低功耗特点。本论文针对这些实际应用需求,设计了可技术优势互补的电磁和超声波类型的两种流量计,在系统硬件电路设计、软件程序设计以及上位机设计中进行了较为完整的优化工作。搭建了一套可覆盖较宽测量场景且具有低功耗和一定智能化特点的流量测试系统,并在此基础上开展了验证性测试实验。 首先,本论文分别对电磁流量计和超声流量计的硬件部分进行了设计。对于电磁流量计,选用低频矩形波励磁技术以减少噪声干扰和降低功耗,同时又一定程度上提升测量准确性;对于超声波流量计,则选用时差法测量流量,以非接触式安装,保持流体完整性。系统硬件选型时在技术参数满足使用要求的前提下注重器件的低功耗,对于电磁流量计,采用了高精度低功耗的仪表放大器进行信号处理,并使用了24位的低功耗模数转换器进行信号转换;对于超声波流量计,采用TDC-GP22芯片进行时间差测量,不仅简化了电路结构,而且实现了皮秒级分辨率的高准确度。此外,选用了基于SX1278芯片的Lo Ra无线通信模块,该模块在休眠模式下的功耗仅为2.3u A。通过以上设计,既保证了流量计性能,又有效降低了整体系统功耗。 其次,在系统软件设计时采用了模块化方法,主要包括流量计的主程序设计、流量计量模块设计、数字滤波模块设计、通信模块设计以及上位机设计。在上位机设计中,通过Lo Ra模块以主动轮询方式与流量计进行通信,并通过可视化界面展示流量数据。为了提高系统的智能化水平,系统还集成了空管警报和电池低电量警报功能,并允许用户根据需要自定义流量的正常检测范围,从而有效预防潜在的运行异常。此外,为了进一步提高流量测量的精确度和稳定性,对传统卡尔曼滤波方法进行了改进,所改进的滤波算法加快了流量非线性变化时的响应速度。 最后,开展现场测试实验,结果表明:电磁流量计和超声波流量计样机都能以电池供电的方式长时间稳定运行。经误差修正后,电磁流量计相对示值误差约为±1%,超声波流量计相对示值误差约为±1.5%。结果证明,所设计的流量计系统在满足流量精确计量要求的同时,也具备了低功耗和智能化特点。

关键词： 光通信   光接收机   前端放大器   反相器   低功耗  

摘要： 当今时代,数据流量呈现爆炸式增长的趋势,这对光通信网络的速度及质量提出了更高的要求。特别是近些年来,随着10G无源光网络（PON）的大规模部署,进一步推动了市场对高性能光通信芯片的需求。本文聚焦当下高速光模块的工业化发展,设计了一款基于65nm CMOS工艺的低功耗、无电感的10Gbps光接收机前端放大器。 尽管CMOS工艺以其高集成度、低成本和低功耗的特点成为众多厂商工业化量产的首选,但晶体管本征增益的降低和电压余度的减少给CMOS光通信芯片的设计带来了巨大的挑战。目前市面上的高速光接收芯片仍主要采用Bi CMOS工艺。针对CMOS工艺的设计难点,许多研究人员选择在电路设计中采用基于反相器的级联结构,但如何保证级联结构的稳定性对于设计者而言是一项重大挑战。另一方面,在传统跨阻放大器的设计中,为了获得更大的增益带宽积,许多研究者会引入带宽拓展技术,但这通常会带来一些其它的负面影响。如电感峰化技术会占据大量的芯片面积,并显著降低系统的相位裕度;引入负电容会使得噪声上升等。 为克服上述挑战,本文基于反相器结构设计了一款新型无电感低功耗的光接收机前端放大器芯片。其中,所提出的跨阻放大器在传统3级的基础上进行改进,创新性地使用了5级级联结构,通过更多的级数来实现噪声、增益和带宽间的平衡,同时利用电容补偿和电阻负反馈解决信号过冲和电路稳定性的难题;主放大器则采取前馈补偿的方式引入一对左半平面的零点,在不牺牲带宽的情况下增加相位裕度。 针对功耗设计的难点,本课题一方面依靠反相器N管、P管电流复用,另一方面通过在电路模块中使用低功耗结构来协助实现。其中,自动增益控制环路采用结构简单、功耗较低的半波整流方案,并通过电平检测和峰值检测相结合的方式,解决了该结构转换效率低的问题;在输出缓冲器的设计上,则利用电压模逻辑（VML）结构显著降低了芯片的静态功耗。 本文完成了光接收机前端放大器的电路设计、版图绘制与仿真验证,所设计芯片的整体面积为750μm×600μm。在250f F的光电二极管寄生电容下,后仿真结果表明,电路的-3d B带宽为8.34GHz,跨阻增益为125.1d BΩ,等效噪声电流为12.01pA/Hz1/2。在3.3V电源电压下,芯片整体静态功耗为80.5m W。从仿真结果可得,所设计电路满足10Gbps光接收机应用要求。

关键词： 毫米波   混合波束赋形   低功耗   块坐标下降   交替最小化  

摘要： 研究毫米波通信系统中的低功耗混合波束赋形架构及其算法设计，旨在应对现有毫米波混合波束赋形中硬件灵活性低与功耗高的挑战。为解决现有混合波束赋形架构的不足，提出一种新型低功耗混合波束赋形架构，该架构通过在移相器网络前后引入射频开关网络，实现射频链路与移相器及天线阵列的动态连接，并建立所提架构的系统模型，包括数字预编码与模拟预编码过程，同时考虑数字模拟转换器的量化误差与移相器分辨率等硬件限制。为最大化能源效率，推导了包含频谱效率和系统功耗的能源效率模型，提出基于块坐标下降的混合预编码算法，迭代优化数字预编码、模拟预编码矩阵及数模转换器分辨率。基于NYUSIM毫米波信道仿真平台的仿真结果表明，所提混合波束赋形架构与预编码算法在完整与部分信道状态信息下的能源效率均优于现有的代表性架构及预编码算法，同时频谱效率相较于全连接架构的损失低于20%。

关键词： 流水线ADC   无采样保持电路   动态比较器   增益自举  

摘要： 随着集成电路行业的发展,电路面积越来越小,用户们对设备的发热续航等要求专注度提高。模数转换器作为传感器芯片的核心电路,由于其高集成度和高性能要求,会使芯片功耗较大,造成芯片发热严重,进而影响其他电路的工作状态,导致设备续航缩短,性能偏差甚至失效。一个高分辨率和采样频率的模数转换器直接决定着设备对于信号处理的准确度,而流水线ADC作为一种复合型结构的模数转换器,能够较好地改进基础全并行flash ADC和逐次逼近型SAR ADC的缺点,在中分辨率高速低功耗模数转换器领域被大量应用。 本文围绕流水线ADC的功耗问题进行研究。首先采用无采样保持电路的结构,将流水线ADC系统功耗最高的采样保持模块去除,极大地降低了系统功耗。其次通过对流水线ADC系统功耗的组成进行分解,系统主要功耗由flash ADC内多个比较器和MDAC内运算放大器组成。因此当flash ADC模块内的比较器使用单级动态比较器时,可以省去各比较器的高带宽前级预放大运算放大器引起的功耗,这样将会使整个系统的平均功耗显著降低,通过对比较器电路的设计,比较器精度小于488μV,传输延迟时间小于300ps,输入失调电压小于125mV。另外由于流水线系统存在余差运算放大器,需要将上一次量化后的余值放大传输给下一级进行下一次量化,为了解决该运算放大器摆幅要求过高的问题,因此对MDAC引入半位冗余算法,实现运放的输入输出摆幅减半。最后本文通过对开关电容共模反馈的增益自举运算放大器进行研究,在原有运放的基础上提出动态工作的结构,进一步降低流水线ADC系统的功耗。 本文基于55nm CMOS工艺,在3.3V的电源下完成了 12bit 100Msps流水线ADC的电路设计,系统整体版图面积455μm×260μm。通过仿真验证,静态参数可实现DNL≤0.8LSB,INL≤1.6LSB。动态参数在频率24.90234375MHz的输入信号下,SNR为66.208dB,SFDR为80.861dB,且系统的平均功耗仅为64mW,相较于同指标系统有明显改善。