关键词： MIPI D-PHY   高速   低功耗   LDO  

摘要： 随着新一代移动设备对高素质显示要求的提升以及移动设备处理器接口标准化的需求,MIPI(Mobile Industry Processor Interface)协议应运而生。这一协议为移动设备领域带来了革命性的变革,同时为设备间的数据传输和通信提供了高效、稳定的解决方案。由于MIPI高速接口的传输速率和信号质量大部分取决于MIPI D-PHY物理层电路的性能,所以本次的研究主要集中在物理层电路上,而本次设计的物理层电路主要包含高速模块、低功耗模块和电源模块。 在高速模块中,高速发射器主要由一个单端转差分电路和全NMOS桥式驱动电路组成,能够将单端高摆幅信号转化为差分低摆幅信号,实现了低能耗的传输和提高信号的抗干扰能力,为了减低差分信号的共模电压失配,在文中特地对信号传输延时进行了建模;在高速接收器中采用了自偏置结构,不采用额外的电流偏置大大的降低了接收器的功耗,同时能够实现较高的数据传输速率。 在低功耗模块中,低功耗发射器采用了加权推挽发射器来实现电路对不同负载具有不同的驱动能力的要求,控制信号通过译码器连接到发射器的控制开关上,降低了电路的静态功耗。因为低功耗接收器与低功耗冲突检测器的原理都是迟滞比较器,所以此节对迟滞比较器的原理进行了详细的介绍,并采用了两种完全不同的结构来实现接收器电路与检测器电路,体现了电路结构的多样性。 在电源模块中,首先介绍了传统带隙基准源的构成原理,接着提出了一种可以得到与温度基本无关的低压参考电压的基准,同时使用了共源共栅结构提高了输出参考电压的电源波纹抑制能力,最后完成了电路的设计与验证。基于带隙基准源得到的低压参考电压,设计了一种瞬态增强型LDO(Low Dropout Regulator),采用N型MOS管作为稳压器的功率器件,大幅度减低了电路的输出阻抗,提高了LDO的瞬态响应能力,设计的低压电源可以稳定在400m V,输出瞬态仿真波动小于1%,满足高速发射器的要求。 本文基于SMIC 55nm工艺完成了一种MIPI物理层接口电路的设计并仿真验证了它的功能,所有指标满足MIPI D-PHY规范的同时还在部分指标上实现了突破。系统的高速模块单通道的传输速率达到了2Gbps,高于普通的MIPI接口1.5Gbps的传输速率,抖动为5ps,远小于协议要求的32ps,整体功耗为1.4m W。

关键词： 发电传感一体化   摩擦纳米发电机   无线体域网   低功耗   健康监测  

摘要： 物联网作为当前第三次信息化浪潮的代表技术,将在未来产生广泛的影响。作为物联网组成部分的无线体域网,是由人体周边配置的各种传感器构筑的近距离无线网络,在个人健康实时监测方面广泛应用,具有良好产业化前景。然而其功耗和供能方式的不匹配提升了维护成本,降低了用户体验,限制了其发展。面对上述问题,基于人体运动能收集的原位供电技术是一个有前景的解决方案。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator,TENG）因其在低频随机机械能-电能转化效率方面的独特优势,成为人体运动能收集的重要手段。而且,从人体运动中收集到的能量都携带有丰富的运动状态信息,在收集能量的同时解耦出与之对应的电信号,可实现发电传感一体化,构建更加廉价的无线体域网监测系统。 鉴于此,本文围绕基于微纳能源的自供电系统构建展开研究,设计并优化了可穿戴人体运动能-太阳能复合纳米发电机,结合能量管理电路和信号解耦电路实现发电传感一体化,并在功耗、数据处理算法等方面进行了优化,构建了自供电无线体域网,探索了其在人体姿态判断和健康监测的应用。主要研究内容如下: 在第一个工作中,我们设计了基于太阳能和人体运动能收集的复合纳米发电机,结合高效能量管理电路和低功耗信号解耦电路,在收集能量的同时有效采集运动信息,实现了一种发电传感一体化器件,多节点互联构筑了自供电智能健康监测体域网络。首先,根据人体运动特点,设计了弧形结构的TENG,可以产生约425 V的开路电压和30.8μA的短路电流和0.072 W/m2的输出功率密度;并在其表面贴附柔性太阳能电池构建可穿戴复合纳米发电机。其可以与衣物融为一体,舒适度良好。设计了三阶能量管理电路,在实现单周期最大能量输出循环的同时降低了TENG的输出阻抗,可与太阳能电池共同输入到低功耗稳压芯片,实现能量的有效存储。设计了信号解耦电路,利用优化的开关控制策略,在确保能量收集前提下的实现了运动信号的有效提取。利用低功耗微控制器结合通信模块设计了两种发电传感一体化节点:其一利用低功耗蓝牙技术实现运动信息的发送;其二结合窄带物联网技术将必要的数据信息进行广域网传输。以第二类节点为主节点,第一类节点为从节点,实现了一主多从、多点无线协同的分布方式部署,构建了完全自供电无线体域网。为验证系统功能,将上述系统部署于人体,对人体运动状态远程监测,可识别慢走、快跑和爬行等动作,并在跌倒、长时间静止状态下实现了远程报警,展现出系统良好的性能。综上,本文以发电传感器件结合低功耗电路形成闭环系统,采用开源与节流并重的方式,合理设置工作状态,实现了发电传感一体化,构建了无电池无线体域网,该方案对于低成本人体健康监测有一定的参考意义。 为了进一步提升器件的舒适性,在第二个工作中,我们通过基于线型TENG的设计,结合低功耗电路构建了全柔性可穿戴健康监测节点,利用智能算法实现了人体运动姿态的识别。首先,利用柔性金属丝和软硅胶设计了一种单电极式线型TENG。随后,将多条线型TENG以S型编织在弹性织物的两侧,制成了大面积、可拉伸的能量收集织物,用以收集人体运动能。采用聚氨酯模拟人体皮肤,与能量收集织物接触分离,器件开路电压和短路电流最高分别可达300 V和12μA,展示了其良好的人体运动能的收集能力。在此基础上,通过电路器件和参数优化,降低了系统功耗,实现了全柔性自供电传感节点。最后,结合一维卷积神经网络算法实现了人体运动姿态的识别。该工作为全柔性纳米发电机的设计和应用探索了可参考性的策略,在可穿戴和生物医学方面有一定的应用潜力。

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： 无线供电   低功耗   锁相环   发射机   两点调制  

摘要： 随着物联网技术的发展,低功耗射频无线传输芯片技术为物联网的应用提供了低成本、长续航的解决方案。基于类似射频识别技术(RFID)的无电池的无线传输技术,可以实现大量物联网节点的永久续航,比如植入式芯片、可穿戴设备、智慧医疗、智慧农业等场景。本文采用CMOS 65nm工艺设计了基于无线供电的无线发射机芯片,具有高效率的能量收集、低功耗、高数据率和协议兼容等优点。论文的主要工作和创新点如下: 针对物联网芯片无线供电的要求,本文研究了基于无线供电的高效率能量收集技术。采用多级倍压的单端整流器来收集空间中RFID频段的射频能量,并将其转化为直流电压为芯片供电,通过优化整流器的尺寸和级数以提高灵敏度和效率,将整流器的仿真灵敏度提高至-19d Bm(整流器输出电压为2V时),同时最大的整流效率为70%;设计了一款改进的无线供电的状态监测电路,实现了更宽的迟滞电压窗口(0.5V以上)和更低的静态功耗(所有工艺角下低于400n A)。 针对物联网芯片发射机低功耗的要求,本文设计了一款应用在射频发射机芯片中的低功耗锁相环。为了实现低功耗的目标,电荷泵采用反馈晶体管补偿的结构,将充放电电流的最大电流失配从12%降低至6%;压控振荡器采用LC谐振两对负阻管的电流偏置结构设计,压控振荡器的实测频率范围为1.4GHz至2.0GHz,谐振频率为1.7GHz时的实测相位噪声为-93.2d Bc/Hz@1MHz、-115.6d Bc/Hz@10MHz;预分频器采用CML结构,优化其尺寸使CML分频器自谐振频率为两倍的输出频率。采用CMOS 65nm工艺流片,实测PLL相位噪声为-94.8d Bc/Hz@1MHz、-105.4d Bc/Hz@10MHz。 针对物联网芯片发射机低功耗、高数据率和协议兼容的要求,本文设计研究了两款发射机:第一款是基于锁相环的两点调制发射机,提出了一种采用SPI控制两点调制路径中的高通低通两路增益匹配的方式,降低系统的复杂度和功耗。同时提出环路预充技术和相位选择技术,环路带宽为50k Hz时锁相环仿真的启动时间缩短25us,降低占空比工作状态下发射机的功耗。第二款为基于数控振荡器自动校准技术的BLE发射机,采用开环校准闭环发射的方案和全数字的频率校准方案,提出了一种平均的校准时间约为200us、校准电路功耗400u A的二分法搜索控制字的校准方案。数控振荡器采用LC谐振的结构,谐振频率为蓝牙信道频率2.4GHz,采用键合线做电感来降低数控振荡器的起振功耗和提高相位噪声性能。当数控振荡器的功耗起振功耗600u A时,仿真的相位噪声为-103d Bc/Hz@1MHz,-127d Bc/Hz@10MHz。本文设计的两款发射机均可实现1Mbps的数据率且兼容蓝牙协议。

关键词： 逐次逼近型模数转换器   异步逻辑   低功耗   开关电容  

摘要： 自然界中的任何信息都是一个模拟信号,它必须从模拟信号转换为数字信号,才能完成复杂的计算和存储数据的操作。在生物医学电子产品或便携式设备中,模数转换器(Analog-to-Digital,ADC)是传感功能中不可替代的组成部分。因此,ADC的设计者需要在各项指标和功耗之间进行折中。在ADC的选择中,每种结构都有其不同的限制,如版图的面积、功耗、分辨率和速度等。由于逐次逼近型模数转换器(Successive approximation analog-to-digital converter,SAR ADC)具有低功耗、高分辨率、精度高、小尺寸等特点,在上述限制条件之间能达到较好的平衡,因此常被应用于需要长期使用的低功耗设备中。 本文基于中芯国际(SMIC)0.18μm CMOS工艺,设计了一款电源电压为1.8V,有效位数(ENOB)为12位,采样率达1 MS/s的逐次逼近式模数转换器。并通过栅压自举电路和分段式电容DAC结构实现了相同精度和采样率条件下的低功耗结构:在采样开关部分,采用栅压自举电路结构确保了采样开关能够在较低的工作电压下获得比较稳定的导通电阻以及更高的线性度,确保了SAR ADC在较低的工作电压下实现预期设计的高精度,降低了系统的整体功耗;在比较器部分,通过优化了传统LATCH比较器的结构,降低了回踢噪声对输入信号的影响,从而提高了ADC的精度表现;电容DAC部分,采用分段式电容DAC结构通过将电容阵列分段,将总电容大小直接减小了一倍,功耗也随之减小了将近一倍,实现了低功耗的预期目标;在逐次逼近逻辑模块,由于本设计需要在精度与速度之间进行折中,且对精度的要求并不高,因此采用异步逻辑来实现对电容开关的控制,实现了相对于同步逻辑更高速、更低功耗设计效果。本文将对以上提到的部分进行详细的分析论述,并在最后部分进行了仿真验证。 仿真显示,本设计的逐次逼近逻辑型数模转换器的在1MS/s采样频率下,输入为奈奎斯特频率信号时,其有效位数(ENOB)为11.5bit,信噪失真比(SNDR)为70.9dB,无杂散动态范围(SFDR)为86.1dB,功耗为1.33194mW,实现了预期设计目标,为该类芯片工程化提供一定技术参考。

关键词： 手持终端   小型化   低功耗   通信  

摘要： 随着蜂窝移动通信的发展，地面手持终端在高速数据支持能力及应用扩展能力上也飞跃式提升，终端硬件处理能力及软件复杂度不断升高，导致手持终端的小型化低功耗设计成为影响产品力的关键因素。尤其是随着卫星导航、卫星通信、近距离传输等技术的不断进步，在如今的商用手机中天地一体的多模通信成为各大手机厂商竞争的焦点，这给手持终端的小型化低功耗设计提出了更高的要求。本文针对手持终端的小型化低功耗技术进行探析。

关键词： 道岔基坑   低功耗   抽水装置  

摘要： 根据地铁系统对道岔基坑抽水装置的低功耗、高可靠要求,研究设计了道岔基坑抽水装置,依据不同应用场景提出三种道岔基坑抽水装置控制电路的设计方案,分别采用继电器、触发器、定时器进行设计。继电器方式简单可靠但体积大,触发器方式功耗低但PCB板工艺要求高,定时器方式抗干扰能力强、PCB布线要求低且功耗低。三种抽水装置适用于不同的应用环境,且都能够可靠降低隧道内道岔基坑的水位,目前已在运营线路上应用,有效避免了转辙机受积水的侵蚀,减少了道岔故障。