关键词： 二维铁电材料   隧穿晶体管   铁电调控异质结   铁电调控同质结   铁电/介电调控  

摘要： 随着大规模集成电路的发展,芯片功耗已成为亟需解决的重大难题,新型低功耗器件是当下领域内的研究热点。隧穿场效应管（Tunnel Field Effect Transistor,TFET）的载流子隧穿机制能够突破传统载流子热发射机制的功耗极限（60 m V/dec）,实现器件快速开关状态,因而受到广泛关注。然而,目前TFET的发展面临着器件结构单一、表界面质量差、能带对准难以调控等障碍。鉴于此,本论文基于二维铁电材料的强铁电极化场调控以及二维异质结的高质量界面特性,构筑了基于二维铁电铜铟磷硫（Cu In P2S6,CIPS）的新型铁电调控隧穿场效应晶体管,深入探究了不同异质结构的铁电调控器件的低功耗及隧穿电学特性,主要研究内容如下: 开展铁电调控二维异质结隧穿场效应晶体管研究。二维异质结能够产生较小的隧穿距离或隧穿势垒宽度,基于Mo S2/WSe2异质结的能带匹配特性,构筑CIPS/Mo S2/WSe2铁电调控异质结器件。通过调控铁电极化场的强度和方向,CIPS铁电调控有效改变异质结的能带对准,实现异质结能带隧穿特性,输出特性展现了共振隧穿现象,获得了沟道电流跨越两个数量级范围的低于60 m V/dec亚阈值摆幅特性,最低亚阈值摆幅低至28.3 m V/dec,开关比大于10～9。 开展铁电调控二维同质结隧穿场效应晶体管研究。采用双极性材料WSe2作为沟道材料,利用WSe2同质结优化器件表界面质量,构筑CIPS/WSe2铁电调控同质结器件。通过强铁电极化场的有效调控以及同质结的高洁净度表界面特性,实现WSe2同质结的隧穿型能带对准,获得了沟道电流跨越四个数量级范围的低于60m V/dec亚阈值摆幅特性,最低亚阈值摆幅低至14.1 m V/dec,开关比大于10～8,并且在铁电场强极化特性的调控下,有效驱动同质结能带结构转变,输出特性展现了负微分电阻现象,并具有最高超过10的峰谷电流比,进一步揭示了器件的隧穿特性。 开展二维介电层的铁电/介电调控隧穿场效应晶体管研究。通过在沟道和铁电材料界面引入高质量二维h-BN介电层,优化器件的电容特性以及漏电流性质,通过铁电/介电层复合结构的调控,使器件达到电容匹配的状态,并且降低了漏电流对沟道电流的干扰,优化了器件转移特性的回滞,器件回滞从110 m V降低至3.1m V,并且器件仍具有29 m V/dec的低亚阈值摆幅,开关比大于10～6,漏电流降低至1 p A以下,实现了几乎无回滞的隧穿低功耗器件。

关键词： 时钟树综合   缓冲器插入   低功耗  

摘要： 在当今现代社会中,半导体芯片已成为高新技术产业发展的关键推动力。随着技术的不断进步,芯片制造工艺也在不断提升,逐渐迈入了超大规模集成电路的时代。这使得对芯片性能和能效的要求变得更加严格,同时也增加了电路设计的复杂性。因此,电子设计自动化(EDA)技术变得至关重要,它能够显著提高芯片设计的效率和准确性,为现代社会的科技发展提供了坚实的支撑。 在数字芯片设计中,时钟树综合成为至关重要的一环,通过优化时钟信号传输路径提高系统性能和可靠性。然而,时钟网络通常是芯片中功耗最大的部分,其高功耗会导致散热难度增加,影响芯片性能和寿命。时钟树综合需要在保证时钟信号质量的前提下,最大程度地优化结构和减小功耗。因此,在芯片设计过程中,时钟树综合的作用愈发凸显,成为提高芯片整体性能和可靠性的重要手段。 为了应对上述挑战,本文提出了一种高效的解决方案,涉及时钟树拓扑生成、缓冲器插入和尺寸优化,以及时钟树综合与布局协同优化。首先,针对时钟树拓扑结构的构建,本文基于推迟合并策略提出了一种改进的零偏差时钟树合并方案,旨在加速拓扑结构的构建过程,并同时减少线长和功耗,从而提高时钟信号的传输效率和稳定性。其次,在缓冲器插入方面,本文在时钟树拓扑生成的过程中引入了一种灵活的缓冲器插入策略,通过调整不同层的缓冲器尺寸,实现了功耗的降低和时钟树鲁棒性的增强。此外,为了进一步优化总动态功耗,本文还改进了传统的物理设计流程,提出了一种时钟树综合与布局协同优化算法,通过优化触发器的位置和布局,进一步减小时钟树的线长,降低总开关功耗,从而实现了对时钟树综合优化范围的扩展和进一步提升设计效果的目的。 本文所提出的高质量时钟树综合优化算法已经通过对ISPD-09/10系列基准电路的实验验证。相比于开源EDA工具中的时钟树综合算法Triton CTS,本文提出的算法在全局时钟偏差方面减少了10%,最坏局部时钟偏差减小了15%,功耗减小了11%,运行时间比其低了16%。此外,在对CLKISPD05系列基准电路进行的实验验证中,本文的算法也取得了令人满意的结果,与传统布局流程后的时钟树综合结果比较,本文的算法可以使时钟网络线长减少45.1%,总开关功耗降低12.7%,而仅仅增加了1%的信号网络的总线长。

关键词： 水声通信   发射端   D类功放   接收端   带通滤波电路  

摘要： 我国地震事业的发展离不开海洋世界,在海底进行地震观测能够促进地质构造研究、地震灾害预警、资源勘探、海洋科学研究的发展。由于海底的环境比较复杂,海底地震观测对设备和技术要求很高,在海底进行地震观测还面临着巨大的挑战。水声通信系统在海洋地震观测研究中发挥着重要的作用,它以水声通信的方式传输地震仪监测的数据。 应用于海洋地震观测的沉浮式地震仪与甲板机之间的数据传输离不开水声通信。由于水声通信硬件系统长时间工作在水下,因此,降低硬件系统功耗显得尤为重要。本文针对此问题,分析并研究出了水声通信低功耗收发硬件系统,设计出发射端与接收端具体电路,完成了电路设计与电路板制作。 (1)调研分析水声换能器内部结构组成以及作用与原理,研究并探讨了换能器主要性能指标,为选择合适的换能器提供理论依据,并对其匹配形式进行了相应的研究。选择了型号为DYW-H12-500的水声换能器,其发射响应和接收灵敏度分别为132d B、-190d B左右。 (2)将STM32F407作为低功耗数字芯片,并以LT3970为电源芯片设计了低功耗的电源管理模块。系统采用锂电池供电,分别为数字处理模块、发射端电路以及接收端电路提供3.3V、5V、12V电压。设计了值班电路,由数字处理模块控制发射机的电源供电的通断,达到了优化系统功耗的目的。完成匹配电路的分析设计,使换能器与水声通信硬件系统合理匹配。 (3)提出发射端电路的设计方案以及电路整体的性能指标。选取D类功率放大器作为发射端的功放,根据设计要求研究了PWM电路、驱动电路、功率放大电路、变压器电路的具体方案,提高了发射端电路的工作效率,使发射端电路达到设计指标,能够稳定输出功率为500m W的信号。 (4)提出接收端电路的设计方案以及电路整体的性能指标。前级放大电路采用差分放大电路,实现56d B的增益放大。带通滤波器选择多路反馈二阶低通滤波器与高通滤波器,构成四阶带通滤波器,能够输出频率为8-16k Hz的信号。后级放大电路选用反比例放大电路,实现8d B的增益放大。各部分电路都选择了低功耗、低噪声、高效率的芯片,以此来降低系统的整体功耗。 (5)完成实物制作与测试,分别对发射端电路与接收端电路进行了测试分析,PWM电路与功放电路信号稳定,发射端输出12k Hz信号,信号峰值电压达到31.6V。接收端电路输出信号幅值为3.56V,其放大增益与设计要求一致达到64d B,整体达到了设计要求。

关键词： 环境反向散射   负阻放大   调频信号识别   隐蔽通信控制   低功耗  

摘要： 无线传感器网络、物联网等无线通信系统研究与应用中,低功耗、低成本、广域覆盖是系统的主要发展方向,而其中如何有效地降低系统工作功耗、提升通信距离成为系统终端节点的研究难点和热点。利用反向散射通信天然的功率隐匿特性,通过反向散射调制环境中的电磁信号进行隐蔽通信和控制,为低功耗广覆盖的隐蔽无线通信系统提供了新的技术手段。研究采用RC微分解调电路与嵌入式识别算法,实现对环境辐射源信号低电路复杂度和低功耗识别,并采用负阻放大提升反向散射通信距离,能够有效增大无源物联系统的作用范围和环境适应性。本文开展低功耗、低成本、智能化的环境反向散射隐蔽通信控制节点研究与设计实现,主要工作和特色总结如下: 1.在总结分析多种已有反向散射通信系统架构、工作原理及特点的基础上,提出了环境反向散射隐蔽通信控制系统架构,然后对负阻反向散射放大电路、基于无源RC微分的解调电路工作机理进行了理论分析,采用ADS电路仿真软件对这两个核心电路进行了设计仿真与性能优化,研究设计了基于STM32微控制器的调频信号辐射源识别电路和嵌入式识别算法。 2.研究设计了环境反向散射隐蔽通信控制节点电路与系统,完成了节点偶极子天线设计仿真优化、电路原理图及PCB版图设计、反向散射通信波形及帧结构设计、嵌入式算法与系统软件开发、节点电路加工制作等研究工作。 3.搭建了环境反向散射隐蔽通信控制节点实验验证平台,对隐蔽通信控制节点电路的主要性能指标进行了测试分析,结果表明基于射频晶体管的负阻反向散射放大电路在0.38m W的低功耗条件下实现了40.08d B的高增益,环境反向散射调制后的功率隐匿性达到40d Bc以上,调频信号解调电路的检波接收灵敏度达到-40d Bm,能够对多种调频信号进行分类及特征识别,并经系统测试隐蔽通信控制节点至接收机的通信距离达到100m。 本文研究设计的环境反向散射隐蔽通信控制节点具有低功耗、低成本、轻量化和低电路复杂度等特点,能在低功耗约束条件下实现反向散射信号放大和辐射源信号识别,适用于态势感知、信息收集、隐蔽数据传输等无源物联系统集成,具有良好的工程参考价值。

关键词： 智能轮胎   胎内单元   低功耗蓝牙   通讯   测试技术  

摘要： 实时获取轮胎与路面的接触特性是提高整车安全性和操控性的基础。在轮胎内布置传感单元将轮胎与路面的接触特性通过无线传输的方式发送到整车电控系统,是提高整车安全性和操控性的有效手段。当前行业对智能轮胎的需求已从胎压监测系统(TPMS)发展到轮胎磨耗、轮胎侧偏角估算等,对无线传输的速率、功耗等提出了更高的要求。低功耗蓝牙(BLE)作为一种短距离无线通讯方式凭借其跳频技术和功耗管理策略已广泛应用。但如何使用BLE技术在兼顾智能轮胎胎内单元对传输速率需求的同时还能合理的进行低功耗管理以延长智能轮胎的使用寿命是关键。本文针对智能轮胎胎内单元的低功耗蓝牙通讯关键技术开展研究,包括胎内数据采集及蓝牙数据包传输、胎内蓝牙多对一通讯及胎外APP开发、低功耗管理、OTA升级技术等,研究具有重要的理论和实际应用价值。 本文主要研究工作如下: (1)根据智能轮胎磨耗、侧偏角估算需求,构建了胎内单元传感芯片+BLE芯片架构,完成了胎内单元芯片选型,即SP49和TLSR8253。明确了胎内蓝牙通讯关键技术包括胎内数据采集及蓝牙数据包传输、胎内蓝牙低功耗管理、胎内蓝牙多对一通讯及胎外APP开发、胎内蓝牙OTA升级等。 (2)根据智能轮胎磨耗估算、侧偏角估算需求,明确了胎内单元传输最大数据量6 KB/s。选择了I2C作为SP49和TLSR8253的通讯方式。确定了胎内蓝牙的通讯模式分别是Notify通讯方式、数据包有效载荷240 bytes、PHY速率模式为BLE 2M。最后通过实车10 m处轮胎旋转测试,验证了胎内蓝牙数据包传输方案的可行性。 (3)胎内单元休眠唤醒方案制定,整个胎内单元唤醒流程为轮胎加速度大于2 g时唤醒SP49,再由SP49通过GPIO将TLSR8253唤醒,当轮胎加速度小于2 g时SP49休眠,并向TLSR8253发出休眠指令。制定(200～297)ms作为轮胎磨耗、侧偏角估算的连接间隔,并通过验证可行。通过胎内蓝牙广播测试确定了广播时间为(1～3)s的单频道广播方式。通过空旷环境和蓝牙处于轮胎内两种环境下不同发射功率的对比,验证了乘用车使用0 d Bm作为发射功率的可行性。 (4)根据智能轮胎胎内蓝牙多对一通讯需求,明确了多个胎内蓝牙同时广播、发包时产生的的信号干扰、叠加等问题,完成了胎外测试APP的开发。通过测试APP配合胎内蓝牙完成了多胎内蓝牙同时广播、发包测试,验证了胎内蓝牙随机广播延迟方案和同时发包的可行性。 (5)对胎内蓝牙OTA升级的原理进行了分析,制定了OTA升级协议,完成了胎内OTA升级程序的编写。在OTA安全上制定了PIN码+白名单的双重认证方式,最后通过轮胎内OTA升级测试,验证了OTA升级程序的可靠性。

关键词： 超声波燃气表   阻抗匹配   流道结构设计   离散信号相关性   低功耗  

摘要： 超声波燃气表具有精度高、稳定性好、测量范围大、非接触式测量等特点,广泛应用于需要计量和管理各种燃气流量的工业生产、能源供应及民生等领域。但国内超声波燃气表方案的部分技术与模块仍然依靠国外进口,自主研发的超声波燃气表在产品性能和技术水平上都有待提高。本文旨在完成0.025～4m3/h量程范围内超声波燃气表的研制,并通过流量检定实验,验证该燃气表性能。本文主要研究内容如下: 在压电换能器对回波信号的正确检测方面,分析了压电换能器阻抗不匹配引起的测量系统零点误差问题,完成了对回波信号收发电路的设计,并验证了该电路的有效性;对超声波燃气表流道进行了建模与流体仿真实验,提出了基于矩形窄流道结构的整流方案,有效解决了管道内部流速分布紊乱与气体低速流动问题。 在满足系统高精度流量测量方面,实现不同流量点下动态阈值的正确选取是关键。为确定回波信号处理方法的可行性,本文分析了回波信号自身波动与干扰噪声叠加对特征点定位的影响,采集了不同流量点下的回波信号数据,分析出回波信号的归一化幅值分布一致性较高,相邻波峰之间区分度较好,以此特性为依据提出了基于离散信号相关性的回波信号动态阈值设定方法。通过处理ADC采集的离散序列,得到回波信号的峰值,依次对静态和动态条件下的回波信号峰值序列进行离散信号相关运算,以相关计算结果为判断依据,实现阈值电压动态调整,并利用多路停止信号完成回波信号到达时刻点进行计时,从而保证了特征点定位的稳定性与传播时间测量的精确性。 在低功耗系统设计方面,完成了超声波燃气表的硬件电路和软件系统设计。在硬件上以超低功耗STM32L443系列微控制器与高精度时间数字转换芯片TDC-GP22为核心,采用低功耗可使能芯片对仪表电路进行设计;在软件上采用主循环与定时中断相结合的程序调度方式,通过采样次数与测量周期调整降低功耗,确保燃气表系统功耗满足电池供电时长要求。 通过检定实验,采用分段线性拟合得到各流量点的仪表修正系数。经多流量点检定结果表明,研制的超声波燃气表在规定量程范围内可达到1.5级的精度要求。

关键词： 低功耗广域网   一体化   OpenCPU   自组网  

摘要： 2021年10月,习近平总书记在十九届中央政治局第三十四次集体学习时强调,要推进数字经济发展和自主创新能力。随着智慧城市的建设和发展,人工智能和数字化技术正在推动物联网由局域网向广域网延伸。然而,广域网实现远距离通信需要较高的发射功率,且在大数据应用下的数据传输还受限于带宽和通信稳定性。因此,针对传统智能终端存在的功能单一、部署分离、成本高、功耗高等问题,亟需实现一种感算传一体化的低功耗广域物联网智能终端一体化架构,以满足不断增长的物联网应用需求,并为后台提供多维度、丰富的数据资源。 本文针对上述问题,结合低功耗广域网(LPWAN)实现了一种感算传一体化设计为核心的智能物联网终端一体化架构。在传统广域网的组网方式中,加入MANET(Mobile AdHoc Network,移动自组网络)方案,设计并实现一种多场景灵活部署且具备自组网能力的智能终端系统架构,以提高终端系统兼容性和可扩展性。为满足不同广域物联网应用场景的需求,根据终端硬件的共性特征,设计并实现了一种基于国产Open CPU(Open Central Processing Unit,开源中央处理器)的一体化智能终端硬件架构,此架构利用通信模块作为主处理器,能够有效减少布板空间、功耗与成本。同时,本文设计并实现了一套面向大数据边缘计算的插桩驱动嵌入式软件架构,该架构以算法为核心,兼容多种常用通信方式,并利用插桩驱动的设计方式来确保核心算法的稳定运行。利用此智能终端一体化架构将项目开发周期从10到12周缩减至6到8周,实现项目敏捷开发的目标。 本文所描述的基于低功耗广域网络的一体化智能IoT终端已成功部署于三个落地项目中。目前,物联网终端已在室分节能控制系统、宏基站节能控制系统、智能无线呼叫系统中已稳定运行了一年多时间。这些项目均已成功通过验收,并得到了用户的肯定。此外,本文的创新工作还获得了一项发明专利的公开,并在两个国家级竞赛中分别获得了华东赛区二等奖和国家三等奖,从而验证了该架构在实际应用中的价值。

关键词： 电源系统   高能量转换效率   低功耗   亚阈值基准   LDO  

摘要： 无源超高频射频识别(UHFRFID)是一种非接触的自动识别技术,该技术通过射频信号的空间耦合特性直接读取标签芯片的内部数据,从而实现多个标签信息的高效识别。RFID系统具有低成本、小体积和远距离识别等优势,在物流跟踪和身份识别等领域被广泛应用。RFID技术的发展使得无源标签对读写距离的需求逐渐变高,电源系统作为整个无源标签芯片的能量源,不仅为芯片提供稳定的电源电压,还决定着RFID系统的识别距离与精度,因此标签芯片的电源模块成为当今RFID技术的研究热点之一。 为了实现标签芯片的远距离识别,基于ISO18000-6C协议标准,设计了一款高能量转换效率、低功耗的无源UHF RFID标签芯片的电源系统,该系统包括整流电路、基准电路、稳压电路和限压电路。在整流电路中为实现高能量转换效率,对目前常见的几种整流结构进行能量转换效率对比,并选择能量转换效率最高的桥式栅交叉耦合结构实现倍压整流。针对低功耗的设计需求,采用亚阈值技术实现基准电路设计,并在传统亚阈值电路上进行改进,通过虚二极管连接的偏置结构增加一条负反馈环路,这有效地提高了基准电路的环路增益,同时基准输出具有良好的电源抑制比,可以抑制整流输出端存在的噪声。稳压电路采用LDO结构,其中误差放大器在折叠式共源共栅结构的基础上,部分晶体管采用低阈值晶体管,将其与对应的高阈值晶体管栅极相连,该结构不需要额外的偏置,减小了电路功耗。在整体电源系统的设计中,整流电路通过差分开关管交替打开来降低输出纹波。为防止芯片在近场区工作时出现高压情况,采用了限压电路来防止芯片功能受损。考虑带调制的输入射频信号,通过LDO低压差设计来提高电源系统的掉电裕度。 基于UMC 0.11μm CMOS工艺完成了 UHF RFID标签芯片电源系统的电路设计与版图绘制,并进行后仿真验证。仿真结果表明:整流电路在输入射频幅度为0.58V时,实现了最大为67.7%的能量转换效率。基准电路的静态电流为559nA,稳压电路的静态电流为2.13μA。电源系统可以负载30μA电流,同时可以适应12.5μs无输入的调制信号,电源系统性能良好。

关键词： 电荷泵系统   非交叠时钟   PFM调制   转换效率  

摘要： 随着高集成技术的发展,在现代生活中,各种小型电子产品已经成为人们生活中不可或缺的组成部分。为了满足市场对电源管理的需求,如何提升电压转换效率,降低功耗,保证输出稳定等性能参数是现在电荷泵的主要研究方向。 本文首先介绍了电荷泵的基本工作原理,然后分析了几种传统的电荷泵电路结构,并阐述了它们各自的优缺点。针对传统电荷泵电压损耗严重的问题,本文设计的电荷泵电路的开关管使用了深N阱工艺,其衬底电位能够接自由电位,此时将开关管的源极与衬底相连,可以消除衬底偏置效应。而衬底动态偏置电路通过选择合适的衬底电压来避免寄生三极管效应引起的漏电流问题,从而提高了电荷泵系统的转换效率。非交叠时钟产生电路则能够避免交叠时钟引起的电荷泄露问题,进一步提高效率,并且非交叠时钟采用多个反相器来构成延迟单元,降低了功耗。电荷泵系统采用PFM调制技术保持输出电压的稳定并减小了开关管的开关损耗。 本文基于中芯国际0.11μm CMOS工艺,使用cadence公司的spectre仿真工具对设计的整个电荷泵系统进行仿真,仿其输出效率可以达到95%,并对整体电路进行了版图设计以及流片测试,测试结果也与仿真结果基本保持一致。

关键词： LC振荡器   压控振荡器   相位噪声   调频范围  

摘要： 随着5G时代来临,通信技术不断更新迭代,高速发展的通信需求对通信系统中各个单元的性能要求不断提升。压控振荡器作为无线通信中重要的组成单元,如何提升这一单元的性能,提高其频率覆盖范围,降低相位噪声,降低功耗等方面一直是科学家探索的方向。近年来,随着硅基CMOS工艺不断高速发展,CMOS的最高截止频率也不断提升,使射频芯片集成在CMOS片内成为了可能。为节省成本以及提高整体系统集成度,硅基CMOS工艺下LC振荡器的设计也成为近期重要的发展方向。 对硅基CMOS压控振荡器的研究由来已久,目前有许多新的结构与设计方案被提出。LC振荡器设计与优化的核心模块在其中的无源电路的设计,因此本文对无源器件进行了详细的分析,并对损耗机制,结构类型与优化方法等方面进行了剖析验证。 本文基于28nm CMOS工艺,完成了宽调频范围的LC振荡器设计。设计中使用了四个相互耦合的电感,通过双核磁耦合方案以及磁场调节方案实现了三种电感模式的的切换,拓展了调频范围。设计还使用了高摆幅C类振荡器方案一解决该工艺节点固有的闪烁噪声过大的问题。设计完成至后端仿真验证,设计频率达到2.11-5.4 GHz,整体调谐范围为87.5%,设计的功耗为2.3-3.5 mW,在1MHz频率偏移处相位噪声最优值为-130.4dBc/Hz,FoM最优值达到192.9 dBc/Hz包含调频范围的品质因子FoMT最优值达到211.7 dBc/Hz。 本文基于180nm CMOS工艺,完成了高性能宽频带LC振荡器设计。设计使用了更高电源电压的晶体管,提升输出摆幅,使用多核电耦合方式同时实现频率拓展与相位噪声优化,并保证相位噪声在频带范围的一致性。本设计仿真基于180nm CMOS工艺,设计完成至后端仿真验证,设计频率达到2.12-3.58 GHz,整体调谐范围为50.5%,设计的功耗为31-41.4 m W,在1MHz频率偏移处相位噪声最优值为-142.1dBc/Hz,FoM最优值达到192.4 dBc/Hz。