关键词： 动态血糖监测   电化学   无线供电   低功耗   硅基传感器   低功耗蓝牙  

摘要： 糖尿病严重危害人类健康,据国际糖尿病联盟的统计数据,全球糖尿病患者已超过5.37亿,其中中国约占四分之一。相比于传统指尖采血式血糖仪,动态血糖监测可以实时监测血糖变化,已经成为血糖管理的一种有力工具。然而,目前动态血糖监测产品存在使用寿命较短、检测范围受限、有感染风险等问题。针对这些问题,本文研究动态血糖监测系统的无线化、微型化、高精度、协议兼容等相关技术,设计并流片了3款无线无电池动态血糖监测芯片。研究内容和创新如下: 1)基于ΔΣ反向散射的无线无电池动态血糖监测片上系统。针对传统电流检测技术存在的能耗高、精度低等问题,该项工作提出了一种ΔΣ反向散射技术,在提高检测精度的同时减小了信号传输对无线能量传输的影响,将动态血糖监测系统集成在基于1mm×1mm片上天线内。该芯片使用65nm CMOS工艺流片验证,测试结果表明,相比于传统技术,ΔΣ反向散射使无线能量传输增益提高10.8%以上,将100Hz带宽内的信噪比提高到53.4dB。进一步的,将这款1mm×1mm芯片结合葡萄糖传感器构成无线无电池动态血糖监测系统,分别植入4只小鼠的大腿皮下进行动物实验,达到1.65nA/m M的血糖分辨率和小于0.25%的无线检测误差。 2)基于硅基葡萄糖传感器和后失真校准的动态血糖监测芯粒。传统血糖传感器基于印刷电极进行制备,在与CMOS芯片相连接时需要使用较大机械连接件,导致成本高、可靠性差、只能半植入等缺陷。因此,该项工作提出一种硅基葡萄糖传感器的制作方法和动态血糖监测芯粒的封装结构,进而提高系统集成度、减小设备体积。此外,针对当葡萄糖浓度较高时传感器非线性的问题,提出一种后失真校准技术,以拓展动态血糖监测芯粒的线性检测范围。芯粒中的CMOS芯片使用65nm CMOS工艺流片,硅基传感器使用微纳加工和电化学修饰技术制作。测试结果表明,芯粒可以基于小体积（2mm3）实现宽范围（0-40mM/L）、高线性度（R2=0.996）的动态血糖检测。通过对电源管理的优化设计,该芯粒将功耗降低至5.56μW、无线耦合距离提升至1.5cm,进而将无线无电池传感距离与能量接收天线面积的比值提升到15mm-1。 3)基于自适应电流检测和无源低功耗蓝牙（BLE）的电化学传感片上系统。为了提高电化学检测芯片对各种传感器的通用性、与主流局域网协议的兼容性、以及无线传感距离,该项工作提出一种自适应ΔΣ电流传感技术和无源BLE技术,进一步提高电流检测范围和传感距离。电流检测电路会根据传感电流的大小自适应调整缩放比例,拓宽了信号的检测范围和动态范围;检测到的信号会按照BLE广播包协议无源发射,能够兼容现有的手机、平板等设备。该芯片使用65nm CMOS工艺流片验证,芯片测试结果表明,该系统的检测电流上限达到了100μA,电流检测动态范围拓展到了143d B。同时,使用任意支持蓝牙4.0以上的设备都可以接收到BLE广播信号,在30d Bm的无线供电功率下传感距离可以达到5m。

关键词： 插入式微型机顶盒   小型化   高集成度   低功耗   TVOS 5.0  

摘要： 本文深入探索面向未来智能家庭环境的插入式微型机顶盒创新技术方案。该方案旨在通过显著提升硬件集成度，实现机顶盒体积的大幅缩减，创新性地采用直插等隐蔽连接方式接入电视机，高效输出解码后的高清音视频内容。同时，本方案配备单一遥控器，实现对机顶盒与电视机的统一控制，有效减少连接线，显著提升家庭布局美观度及用户收视体验。在硬件设计上，本方案聚焦HDMI接口式插入式微型机顶盒开发，即将传统有线电视或IPTV机顶盒的硬件平台全面微型化，并通过HDMI接口无缝对接电视机，确保高质量音视频内容传输。此外，机顶盒还巧妙利用电视机USB接口供电，进一步简化安装流程与线缆管理。软件层面，方案基于先进的TVOS平台。该平台不仅可轻松对接全国各地现有有线电视服务，还针对IPTV市场，采用“各省定制基础软件平台+属地化IPTV功能应用+属地化IPTV应用软件”的模块化策略，确保与各大IPTV运营商现有业务生态的无缝融合，促进业务的平滑过渡与升级。本方案基于对当前机顶盒市场现状与需求的深刻剖析，提出插入式微型机顶盒技术的必要性与可行性，并详细阐述其设计原理、关键技术及广泛应用场景，为智能家庭娱乐生态的构建提供有力支持。

关键词： 数字化读出电路   大面阵   低功耗  

摘要： 红外光是不可见光,但可根据其特定的效应,由探测器采集后经电路转化成像,红外探测器就是专门用于探测红外光的器件。红外探测器分成制冷型和非制冷型两种,非制冷型红外探测器不需要制冷设备降温,重量和体积都较小、便于携带、能适应复杂的工作环境,在日常和工业生产中都拥有着广泛的应用,随着市场的需求变化,目前非制冷型红外探测器正朝着更大的分辨率、更高的性能、更轻的重量和更低的功耗等多个方向发展。 非制冷红外探测器由传感器和读出电路(ROIC,Readout Integrated Circuit)组成,读出电路是数模混合电路,由数字系统和模拟电路共同搭建。随着探测器分辨率越来越大,传感器的阵列规模随之增加,大面阵设计将直接导致电路规模和数据量的增大:同工艺下,电路规模增大将使得芯片面积增大,芯片面积增大后模数电路交互信号的时序将很难满足,需要对传统模拟电路搭建的AD(Analog-to-digital Converter)信号转化模块使用数字化设计处理解决,这是大面阵设计的第一个难点;同时,由面阵增大引起的新增数据,需要使用更高频的时钟处理,时钟频率升高将造成芯片动态功耗变大,对于小型便携式产品,实现低功耗设计是大面阵设计的第二个难点,本文研究的重心是数字系统低功耗设计和AD模块数字化设计两部分。为实现大面阵红外探测器,本文围绕上述目标做了以下的工作内容: 1.针对数字系统时钟树功耗高的问题,对芯片各模块的时钟进行门控处理,最终门控时钟方案将芯片整体功耗从277.3mW降低到205.8mW,降低了26%的芯片功耗; 2.针对数字系统输入模块功耗高的问题,提出的寄存器门控时钟OOC(Onchip Offset Calibration)方案将芯片整体功耗从205.8mW降低到175.2mW,降低了15%芯片功耗; 3.针对模数电路数据交互时序难满足的问题,提出了同步翻转信号门控时钟AD方案实现了大面阵设计下对大量异步信号稳定触发接收的设计需求; 4.针对数字系统输出模块功耗高的问题,对算法进行了优化,减少了一万多门寄存器,最终算法优化减少的功耗与寄存器门控时钟的OOC模块功耗基本相等,不包含算法模块优化,芯片整体功耗降低了37%。 本论文设计的探测器面阵规模为1280×1024,数字系统功耗为175.2mW。

关键词： 数字阀   阀芯撞击力   软着陆   多目标优化  

摘要： 数字液压技术具有高效节能、控制智能等优点,符合国家“十四五”智能制造发展规划。数字阀作为数字液压系统的核心元件,其集成数字信号控制,可与传感器相结合,实时监测反馈系统状态参数,实现液压系统的数字化闭环控制,提高系统的快速性和稳定性,在降低系统能耗的同时提高系统运行效率。目前对于数字阀的控制策略研究多偏向于提高数字阀响应速度,对数字阀启闭过程减小阀芯与阀座撞击力和降低系统能耗方面的研究较少。因此,本文以低功耗数字阀为研究对象,针对低功耗数字阀开启过程的阀芯撞击问题,提出数字阀高占空比软着陆驱动控制方法和高激励时间软着陆驱动控制方法,并考虑撞击、能耗和响应之间存在的冲突问题,使用多目标优化算法确定软着陆驱动控制最优解。本文的主要研究工作如下: (1)针对一种低功耗数字阀,进行结构介绍,分析其断电自保持工作原理,并建立数字阀的电场、磁场、流场和动力学数学模型,搭建电磁场Maxwell有限元仿真模型、流场Fluent有限元仿真模型,最终在ANSYS Simplorer中构建多场耦合仿真模型,为后续软着陆驱动策略仿真研究奠定基础。 (2)针对数字阀开启过程的阀芯撞击问题,提出数字阀的撞击力评价指标计算方法,以及数字阀工作过程的系统能耗、响应时间评价指标。对数字阀的PWM驱动特性进行分析,并对不同工况条件给出两种软着陆驱动控制方法。以减小阀芯开启撞击力为优化目标,针对评价指标冲突的问题,采用熵增法确定权重系数以进行多目标优化,最终得到最优的数字阀软着陆驱动控制方法。 (3)搭建数字阀静态电磁力测试平台,通过拉压力传感器监测阀芯匀速运动所受电磁力,验证数字阀电磁仿真模型的准确性。搭建数字阀动态特性测试平台,模拟不同负载条件并测试,验证数字阀流场仿真模型的准确性。最终搭建数字阀软着陆动态性能测试平台,对不同驱动控制方法进行试验,验证数字阀软着陆多目标优化控制方法的有效性。

关键词： 无线传感网络   能效优化   数据压缩   低能量自适应聚类层次协议   链式传输   LZW压缩算法   淘金算法  

摘要： 无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由大量分布式传感器节点组成的自组织网络,能在各种环境中进行数据采集,并通过无线通信进行数据传输与处理。在一些应用场景中,无线传感器节点使用微型电池供电,其电能量有限,并且受部署环境限制,电池更换难度较大。因此,研究如何降低传感器节点的能耗具有重要意义。其中,减少数据传输量、优化路由协议等是降低能耗的有效方法。LZW(Lempel-Ziv-Welch)算法是一种典型的数据传输无损压缩算法,因其具备优异的压缩性能、便利的可实现性而被广泛应用,但在无线传感器网络的应用场景中,LZW算法在字典更新机制与数据存储方式上仍有待进一步优化,以提高其在资源受限环境下的性能表现;低能量自适应聚类层次协议(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,LEACH)是无线传感器网络中常用的分簇式路由协议,该协议通过簇头选择机制有效提升了无线传感器网络中节点的能量利用效率,并且通过分层结构简化了网络管理,但当前做法在簇头选择上过于随机、簇头仅使用单跳进行数据传输,导致部分节点能耗不均衡以及过早失效。为此,本文通过LZW算法优化,结合优化淘金算法与多链式路由的LEACH协议优化,对无线传感器网络开展低功耗方法研究。 本文主要研究内容如下: 1)开展LZW算法的优化研究并进行应用。针对路由节点转发数据时存在大量冗余数据的问题,本文通过优化编码方式并引入双字典机制,对LZW算法进行优化,从而有效提升压缩率,减少字典中冗余词条的生成。仿真结果表明,LZW优化算法在文本数据压缩中,压缩率可达约95%至97%,相较于LZW算法,压缩率提高约5%至7%。此外,将LZW优化算法移植至Zig Bee设备中进行对比测试。实验结果显示,相较于未使用压缩算法的路由节点,采用LZW优化算法的路由节点在数据传输量上减少约73%,同时电压降幅减少约12.5%。 2)提出基于优化淘金算法的LEACH路由协议(CLGRO-LEACH)。针对LEACH协议簇头选择不均衡的问题,本文在簇头选举前进行最优簇头数计算,在簇头选举时引入淘金算法(Gold Rush Optimizer,GRO),动态选举簇头,并在设计适应度函数时,综合考虑节点剩余能量、节点到基站的距离以及邻居节点数量等因素,以期找到最优的簇头组合,从而降低网络整体能耗,均衡各节点能量。尽管GRO算法能快速地找到全局最优解,并拥有较高的鲁棒性,但仍存在陷入局部最优解的风险。为进一步增强GRO算法的寻优能力,本文引入自适应Levy飞行与柯西变异等机制来提升算法性能。仿真结果表明,与LEACH协议相比,CLGRO-LEACH协议在首节点失效时间上延迟742轮,网络生命周期延长686轮,网络剩余能量、节点平均剩余能量等指标也都有一定提升。 3)提出基于多链式路由与优化淘金算法的LEACH路由协议(C-CLGROLEACH)。针对LEACH协议在数据传输阶段仅使用单跳进行数据传输,浪费大量能量的问题,本文提出一种多链式路由数据传输方式。C-CLGRO-LEACH协议采取分层递进的数据传输方式,从而有效缩短数据传输路径长度,降低数据传输消耗的能量。仿真结果表明,相较于LEACH协议,C-CLGRO-LEACH协议的网络生命周期延长905轮,节点平均剩余能量以及网络数据包发送量等指标也都有较明显提升。 综上所述,本文提出的LZW优化算法能有效降低数据传输量与节点能耗,CLGRO-LEACH协议在网络生命周期与能量分布方面表现出相对优异的性能,而C-CLGRO-LEACH协议能进一步延长网络生命周期并降低网络整体能量消耗。本文的研究成果为无线传感器网络低功耗控制探索了一种新的方法,也为相关低功耗路由协议的优化提供了有益的参考。

关键词： C类压控振荡器   低功耗   相位噪声   动态偏置   正交二分频  

摘要： 无线通讯的发展推动了高性能、低功耗射频收发机的研究,同时也促进了锁相环的发展。压控振荡器作为锁相环的重要组成部分,其性能影响了锁相环乃至整个通讯系统的性能。压控振荡器作为提供本振信号的信号源,它的功耗是锁相环电路的主要功耗来源,而其输出信号决定了锁相环电路的调谐范围、噪声性能。因此对高精度极低功耗压控振荡器的研究具有重要的意义与价值。本文面向低功耗锁相环应用,设计了一款高精度极低功耗压控振荡器,实现了低功耗条件下输出正交信号,且具有较好的调谐精度。本文主要做了如下工作: 1.本文介绍了几种常见的振荡器结构与工作原理,分析了不同结构的优缺点。介绍了相位噪声理论,并对线性时不变与线性时变模型进行详细的分析探讨,在理论上为降低相位噪声提供了思路。 2.基于传统C类LC压控振荡器结构进行改进,采用CMOS互补交叉耦合提升电流利用率,降低功耗;设计了一种栅极动态偏置电路使交叉耦合对管的栅极电压随着电路工作状态发生改变,解决C类振荡器的启动问题;采用电阻阵列与电流镜电路构成动态栅极偏置的启动电路,相比采用运放环路的启动电路更加适合低功耗应用,同时也省去运放环路引入的噪声。此外在可变电容阵列的设计上,通过两组可变电容并联使振荡器的调谐增益降低,提高了压控振荡器的调谐精度。 3.本文在传统电流模逻辑分频器结构上改进了正交二分频电路,该电路使用有源电阻减小版图面积,并省去了尾电流MOS管以降低工作电压从而减少功耗。 本文基于TSMC 40nm CMOS工艺完成了电路与版图的设计,并完成了后仿真验证。在0.8V电源电压下,压控振荡器可以在各个工艺角下稳定起振,且tt工艺角下振荡器输出经过正交二分频后的振荡频率范围为2.337～2.634GHz,调谐增益为61MHz～79MHz/V,能完全覆盖2.4GHz的目标频点,并且在该工作频率的相位噪声为-122.28d Bc/Hz@1MHz,整体功耗为0.871m W。

关键词： Sigma-Delta调制器   无源积分器   连续时间   低功耗   降采样  

摘要： 随着物联网的不断发展,各种应用对高分辨率、低功耗传感器的需求愈发迫切。相较于奈奎斯特ADC,Sigma-Delta ADC通过更高的采样频率实现了更高的峰值信噪比和无杂散动态范围,被广泛应用于物联网和传感器等领域。而连续时间型Sigma-Delta ADC无需额外的抗混叠滤波器具有天然的抗混叠特性,支持更低的采样率,整体通带更大,在现阶段被广泛应用于超声波传感器、声学传感器等以MHz信号带宽为主的领域。 本文在分析对比Sigma-Delta调制器主流架构后,结合高速高精度的应用需求,提出了一种四阶连续时间混合架构Sigma-Delta调制器,并结合可能存在的非理想因素,对所提出的Sigma-Delta调制器进行建模和仿真,验证了该架构的设计可行性。 基于65nm CMOS工艺完成四阶连续时间混合架构Sigma-Delta调制器的晶体管级电路设计,与使用四个运算放大器的传统四阶Sigma-Delta调制器相比,本文调制器仅使用两个运算放大器,改善了功耗,同时对增益带宽积和环路增益的要求更宽松。调制器中的环路积分器由单放大器双二阶积分器、无源积分器和有源积分器构成,在末级有源积分器之前加入无源网络,使环路积分器在高频下能实现更好的衰减,从而降低带外高频信号引起的不稳定性。在2MHz的信号带宽下,对所设计的混合架构Sigma-Delta调制器进行仿真,结果显示:信噪失真比（SNDR）约为82.8d B,有效位数（ENOB）约为13.5位,动态范围（DR）约为89.4d B,功耗为6.35m W,同时表现出良好的品质因数,FOMS约为167.8d B。 基于已完成的四阶连续时间型混合架构Sigma-Delta调制器,设计数字降采样滤波器,包括5级CIC滤波器、改进型FIR补偿滤波器以及半带滤波器,整体实现64倍降采样功能。仿真结果显示其阻带衰减达到108d B,通带纹波小于0.01d B。