关键词： 无线传感器网络   低功耗节点   荷电状态估计   Peukert方程   电流累积   端电压   截距法-电动势-SOC法  

摘要： 无线传感器网络是近年来电子信息技术领域的研究热点，它由成百上千个低功耗节点组成，这些节点通过相互协作来完成复杂的任务。由于节点能量供给的有限性，其供能问题成为影响其发展的重要因素，为了能够延长节点的使用寿命，就需要提高整个节点对于能量的利用效率。对电池进行准确的荷电状态估计是提高能量利用效率的重要手段，可以为节点的正常工作提供保障，这对无线传感器网络低功耗节点有着重要意义。　　本文首先对无线传感网络的低功耗节点和电池荷电状态估计的国内外研究现状进行了总结，然后针对电池的速率容量效应、恢复效应、初始荷电状态未知这三大特点，完成了以下研究内容：　　（1）提出了一种改进Peukert方程的SOC估计方法( Peukert’s Law-based Method, PLM)。该方法通过改进Peukert方程来估计电池的有效容量，合理地考虑了电池的速率容量效应。本文首先从理论上分析了基于电流消耗累积模型的估计误差;然后，针对不同的电池在恒定电流、恒定电阻和模拟占空比负载工况下，对所提出的方法进行了验证;最后与现有的方法进行了比较。实验结果表明，在负载恒定或是变化缓慢的工况下，所提出的方法与现有方法在同等实验情况下平均绝对误差最小，能够更准确的估计出电池的荷电状态。　　（2）提出了一种结合电流累积和端电压的SOC估计方法。理论分析表明，基于电流消耗估计模型的估计误差会随着电流的累积越来越大，而基于端电压的估计方法在放电后期有较好的优势。本文基于前述两种方法的优点结合两种估计方法，构建了一种Hybrid估计方法。实验结果表明，针对不同的电池和不同工况，特别是在传感器网络中常用的占空比负载下，所提方法更准确，且准确性在整个生命周期内更加稳定。　　（3）提出了一种基于截距法-电动势-SOC的估计方法。首先对电池进行放电分析，建立了电池电动势EMF与荷电状态SOC的线性分段函数，从而提出了一种基于截距法的EMF估计方法，并以此来对电池荷电状态进行准确估计。实验结果表明，在电池具有恢复效应和初始荷电状态未知这两种情况下，现有的方法已经失效，所提出的方法可以较准确的估计出电池荷电状态。　　第二章提出了PLM估计方法，适用于恒流或是负载变化缓慢的情况;第三章提出了Hybird估计方法，在负载恒定或是变化剧烈时，其估计误差依然稳定;第四章提出了基于截距法-EMF-SOC估计方法，在电池恢复效应和初始荷电状态未知情况下，可准确估计电池荷电状态。

关键词： 超再生接收机   低噪声放大器   包络检波   低功耗   接收芯片  

摘要： 物联网技术的出现使得人-物交互、物-物交互成为可能,近几年来物联网技术的不断发展在很大程度上改变了人们的工作和生活方式,为人们提供便利的同时也为信息技术的发展趋势指明了新的方向。无线通信技术作为物联网的核心技术之一,射频、蓝牙、wi-fi和红外等无线通信技术被广泛应用到生活中。与其他技术手段相比,射频技术凭借其原理简单易于实现、通信距离远、抗干扰能力强以及成本低廉等优势,成为消费类电子产品的主要通讯方式。 本文研究和设计了一颗基于CMOS工艺的sub1G无线接收芯片,芯片主要工作频率为315 MHz或433 MHz,主要面向玩具遥控车、小家电控制以及电动车防盗的消费电子市场。相较于目前市场上已有的无线接收机芯片,论文设计的芯片无需外接晶振,无需外接高精度电容电感,外围只需要一个普通电感,通过控制电容阵列中的电容是否接入振荡电路来改变接收机工作频率,可通过MCU自主完成频率校准工作,无需人工校准,大大提升此类芯片使用的便捷性。考虑到工程应用低成本、低功耗的要求,芯片整体采用超再生接收机结构,内部主要模块包括带隙基准、低压差线性稳压器、低噪声放大器、超再生振荡电路、包络检波电路、猝熄电路以及电容阵列等模块。 芯片工艺采用0.5μm CMOS工艺,整体芯片版图面积为805μm*582μm,使用电路仿真软件Virtuoso完成仿真及版图设计。实物芯片测试数据显示,在5 V电源电压工作条件下,能够通过电容阵列对芯片工作频率进行校频,315 MHz对应校频范围为38 MHz,433 MHz对应校频范围为43 MHz,接收灵敏度为-90 dBm,接收距离约为50-60 m,正常工作时工作电流为2.5-2.8 mA,能够满足工程应用的要求。

关键词： 高精度   低噪声   低功耗   运算放大器   斩波  

摘要： 随着生活水平的提高,人们的健康意识愈发增强,对生物医疗电子设备的关注度也越来越高。加上微电子学的持续发展,促使便携式医疗电子设备走进了越来越多的家庭。便携式医疗电子设备可对人体的生物电信号提供实时的监测,模拟前端作为便携式医疗设备的关键模块,决定了采集的生物电信号的质量。然而,生物电信号一般都比较微弱且容易受到干扰,因此模拟前端中采用的放大器一般都要满足高精度、低噪声、低功耗的要求。 本文主要开展高精度、低噪声、低功耗运算放大器的研究与设计。在对目前常用的一些仪表放大器结构进行对比分析它们各自的优缺点之后,最终基于斩波稳定电容耦合结构设计了两种斩波放大器,利用斩波技术来降低噪声和失调;为实现低功耗,这种两种斩波放大器都采用了电流复用技术。其中一种斩波放大器创新地设计了一个实现了四次电流复用的层叠放大器作为其核心运放,并通过引入直流伺服回路来抑制电极直流失调;另一种斩波放大器创新地设计了一个squeezing放大器作为其核心运放,在低电源电压下实现了两次电流复用,并通过PFL技术来提升输入阻抗。针对这两种斩波放大器中斩波技术引起的纹波,还设计了一种由跨导单元,开关、电容组成的新型离散时间旋转滤波器来抑制纹波。 基于0.18μm CMOS工艺,本文完成了两种斩波放大器和一种旋转滤波器的电路设计。仿真结果表明:采用层叠放大器的斩波放大器的在1.2V电源电压下总共消耗3.6μA电流,增益为39.98d B,对电极直流失调有252.4倍的抑制效果,其共模抑制比大于104d B。与旋转滤波器级联后,在0.5-100Hz频率范围内其等效输入噪声为0.9μVrms;另一款采用squeezing放大器的斩波放大器总共消耗2.5μA电流,增益为33.97d B,其共模抑制比最低为87.5d B,等效输入失调电压为25.5μV,低频输入阻抗为352.3MΩ。与旋转滤波器级联后,在0.5-100Hz频率范围内其等效输入噪声为1.3μVrms。旋转滤波器在低频下的增益为0d B,带内平坦度高,对设计的两种斩波放大器的输出纹波可以达到65dB的抑制效果。

关键词： CMOS基准电压源   物联网   皮瓦级   工艺补偿   超低供电压  

摘要： 由于生物医疗设备以及环境传感器等的广泛应用,人们对低功耗物联网(Internet of Things,IoT)系统的需求日益增长。作为各种电路和系统中不可或缺的基本模块,基准电压源需要提供不受工艺、电源电压和温度(Process,Voltage,and Temperature,PVT)变化影响的偏置电压。为了能够更高效地应用于低功耗IoT系统,一直保持运行的基准电压源需要能够在较低的电源电压下工作,同时消耗极低的功耗。传统的带隙基准电路(Bandgap References,BGRs)通过利用BJT的基极-发射极电压(VBE),提供了一个不易受PVT变化影响的电压,但代价是所需的电源电压和功耗较大。为了实现低供电压和低功耗,研究学者们通常会选择使用工作在亚阈值区域的晶体管来设计CMOS基准电压源。然而,晶体管的阈值电压(Vth)易受工艺变化影响,使得电路的工艺稳定性受到影响。近年来,研究学者们利用各种技术,进一步降低了 BGRs的功耗。然而,由于VBE的数值较大(约0.7 V),这些电路所需的最小供电压仍然较大(一般高于1V)。本文提出了一种对PVT变化不敏感的低压低功耗CMOS基准电压源。所提出的基准电压源通过利用沟道宽度相关的Vth调制效应和自体偏置技术,产生了基于Vth的具有相反工艺和温度特性的两个电压,从而同时实现了工艺和温度补偿。所提出的基准电压源的核心电路仅由三个工作在亚阈值区域的PMOS晶体管串联而成,从而大大降低了最小供电压。该基准电压源通过一种180-nm标准CMOS工艺实现。室温下的功耗为500 pW,芯片的有效面积为0.0029 mm2。16个芯片的测量结果显示,电路提供了 288mV的平均基准电压,同时实现了 0.57%的晶圆内误差,0.23%/V的线性灵敏度,以及批量修调后90ppm/℃的平均温度系数。这项工作实现了具有竞争力的2.23%的整体PVT相对误差,同时将所需最小供电压大幅降低到0.5 V,使其能够很好地适用于低功耗IoT系统。

关键词： 便携式   电源管理   高集成度   低功耗   瞬态响应  

摘要： 随着半导体技术的不断发展,便携式设备在消费电子和无线电子市场上迅速发展。对于电池供电的便携式电子设备,电源管理芯片必须能够根据广泛变化的输入电源电压调节其输出电压,并且在低电压转换比下依然保持高效率的电压调节,对电源管理芯片提出了高集成度、高效率、高降压比、高功率密度、低功耗、快瞬态响应等要求。常见的电源管理芯片包括开关电感型DC-DC变换器、开关电容型DC-DC变换器和低压差线性稳压器LDO,各有其优缺点,本文针对便携式设备对电源管理芯片的不同需求,对三种不同类型的电源管理芯片进行了研究和设计,主要内容如下:(一)针对高集成度、高效率的应用需求,完成了多相可重构开关电容降压DC-DC的设计。该设计采用可重构的开关电容单元实现了1/2和2/3两种电压转换比,在宽输入输出电压范围内获得更平坦的效率曲线;采用环形振荡器输出十三相位时钟交错控制开关电容单元,通过多相交错技术获得了更小的输出电压纹波;采用内置的双电源轨和电平移位电路来减小开关动作产生的并联损耗,大幅提升了功率转换效率。芯片采用40 nm CMOS工艺,测试结果显示,输入电压范围为1.4-1.98 V,输出电压范围为0.5-1.16 V,最大负载电流为30 m A,在负载电流为10 m A时峰值转换效率为71.86%,纹波为32 m V。(二)针对高降压比、高效率的应用需求,完成了混合型三路径降压DC-DC的设计。混合型三路径降压的拓扑结构与Buck拓扑结构相比增加了两个飞电容,也就是增加了两条能量传输的路径,比混合双路径降压变换器多一条传输路径,储能电感上的平均电流值比Buck拓扑结构减小50%,从而降低储能电感的DCR电阻带来的寄生电阻导通损耗,其电压转换比为更低的D(1+2D)。通过状态空间平均法对该拓扑结构进行小信号建模得到等效的数学模型,最终完成了整体PWM环路的设计。在TT工艺角,25℃下,后仿真结果显示,输入电压范围为3-4 V,输出电压范围为0.5-1 V,在负载电流为10 m A时峰值转换效率为81%,加入软启动电路后则几乎不存在过冲电压。(三)针对高集成度、低功耗的应用需求,完成了超低功耗快瞬态响应CLLDO(Capacitor-Less LDO,无片外电容LDO)的设计。LDO主体电路采用双模式切换的设计,根据自适应偏置的原理,使电路能够跟踪监测负载电流,实现了空载时的静态电流仅为12 n A;将推挽结构与双模式切换融合构成共增强瞬态电路,在负载跳变时产生较大的转换电流为功率管的栅电容充放电,当负载在200μA-20 m A变化时,恢复时间仅为12.3 ns;分别在重载和轻载下对稳定性进行了分析。此外完成了超低功耗高鲁棒性带隙基准,过温、过流保护等辅助电路设计。在多种PVT条件下进行后仿真,电路均能正常稳定工作,实现了较好的鲁棒性。最后,总结了本论文所有的研究工作,讨论了本论文三种电源管理芯片设计中的不足,并对未来研究工作的改进方向进行了展望。

关键词： 点式负载电源   低功耗   小型化   PWM   电流模  

摘要： 点式负载电源作为一种重要的电源装置,在电子行业、电力行业等多个领域得到广泛应用。随着科技的不断发展,人们对于点式负载电源的功能和性能要求也不断提高。本文旨在设计和实现一种低功耗、小型化的点式负载电源,并且具备3.6～36V的宽输入电压范围,0.8～10V的宽负载点输出电压范围,适用于多种负载点,使用范围更广。首先,本文回顾了点式负载电源的发展和研究背景及意义,然后介绍了几种常用的DC-DC转换器的拓扑和工作原理以及转换器的调制方式,对点式负载电源内部系统功耗进行分析,最终确定本设计采用Buck拓扑,控制芯片采用PWM电流模调制方式,具有突发模式(Burst Mode)和脉冲跳过(Pulse–Skipping Mode)两种工作模式,轻载时工作在突发模式可以提高效率。其次,给出设计指标和实现低功耗、小型化的关键,就如何设计低功耗小型化点式负载电源做出分析,包括结构设计、材料选择、电路设计等。在上述工作的基础上,开展了电路仿真、封装设计、硬件电路设计、器件选型等工作,并对成品的进行性能测试,对实验结果和性能进行分析。测试结果表明,该点式负载电源12转5V带载2A的效率大于等于82%,损耗小于3W,且纹波较小,瞬态响应速度快,稳定性、可靠性都表现突出,性能满足批量生产的要求,具有一定的市场推广价值。

关键词： 无线传感网络   蓝牙   时间同步   低功耗  

摘要： 无线传感网络技术对于实现高速飞行器外表面环境温度场参数的无缆化测量具有重要研究价值。但受制于传输时延和功耗等问题,无线数据传输方式尚未在高速飞行器外表面温度监测试验中得到大范围使用。针对上述问题,提出了基于新一代蓝牙的同步、低功耗无线传感网络方案,并开展提高传输速率的研究。论文主要内容如下:首先,在分析了高速飞行器无线传感网络设计需求和性能指标的基础上,本文确定了无线传感网络的总体方案,并对无线传感网络两个关键技术进行论证。为了降低时间延时对无线传感网络多节点通信的影响,本文采用了基于多段补偿双向时钟算法的时间同步技术,通过对下一周期时钟偏移量进行预测,提前校准从而达到主从节点时钟同步的目的。在此基础上,改进传统轮询方法,提出了基于时间同步的轮询访问方式,通过发送一次同步帧,进行多次从节点轮询。通过减少传感器从节点唤醒时长,在软件方面实现了系统的低功耗设计;通过降低同步帧信号冗余量,使平均轮询周期变短,提高了有效数据的传输速率。其次,设计了无线传感网络实验系统,并对关键电路进行论述。设计了K型热电偶的调理电路,以达到冷端补偿、降低电磁干扰和提高信号增益的效果;以双晶振的模式为n RF5340芯片设计两种工况进行能量管理,正常工作时选用32MHz高速晶振,休眠时选用32.768KHz低速晶振,以实现功耗的降低;在蓝牙主节点一侧对接收的数据进行编帧,舍弃掉访问地址、校验位等,添加帧头和数据容量信息,方便读取后进行数据分析;采用文件管理的方式对存储记录模块进行设计,实现了快速提取有效数据。为验证上述内容的合理性和可行性,搭建由温度传感器、调理电路、蓝牙主从节点以及存储记录模块构成的实验测试平台,进行了节点同步性、功耗、传输速率、传输距离以及丢包率的性能指标测试。实验结果表明节点同步采样时间差小于10μs;在传输数据状态时,传感器从节点平均工作功耗为7.4036m W,使用纽扣电池(550m Ah)供电,可用246h以上,可以满足实际工作时长需求;数据传输速率可达1.375Mbps,有效传输距离可达13m,平均丢包率仅为0.0851%,实现了数据速率优于1Mbps的设计指标,满足了高速飞行器表面温度场测量对高精度与多传感器从节点同步采集的传输速率需求。

关键词： 电荷泵锁相环   宽调谐范围   相位噪声   低功耗  

摘要： 随着现代电子和成像技术的不断发展,DTOF(Direct Time of Flight)图像传感器因具有体积小、成本低、精度高、成像快等特点,近年来已经被广泛应用到各类终端设备中,同时也成为研究的热点,在DTOF图像传感器中,锁相环作为提供时钟的重要模块,其性能是决定传感器成像素质和测量精度的关键因素。 为了满足DTOF图像传感器中对宽频率范围和低功耗时钟的需求,本文基于Tower Jazz 180nm CMOS工艺设计了一款频率可调的低功耗电荷泵锁相环,具有输出频率范围宽,功耗低,锁定时间快等特点。 在设计中主要针对传统结构的电荷泵和压控振荡器进行优化和改进,电荷泵电路采用源极开关结构,将电流控制开关置于电流源管的源端,能有效抑制“电荷共享”、“电荷注入”等非理想效应,同时通过轨对轨运算放大器对充放电电流管的漏端电压进行钳位,使电荷泵在全部有效工作电压范围内实现充放电电流的精准匹配,仿真表明,电荷泵在0～1.4V的输出电压范围内,电流误差小于70n A,电流失配小于0.1%,在瞬态过程,通过添加Dummy开关将瞬态失配控制在较小值。压控振荡器采用压控电容的方式实现频率调节,为输出相对较高的频率、较宽的调谐范围和较低的功耗,压控振荡器由两级伪差分延迟单元构成,通过引入6档可选电流源阵列,在确保适中压控增益的前提下,实现对宽频率范围的输出,同时通过选择电流源阵列接入电路的大小,也能有效抑制工艺和温度对工作电流的影响。 锁相环的分频器由4级2/3预分频器和2级二分频电路级联,2分频电路分别位于两端,在降低抖动的同时能确保分频输出信号占空比为50%,通过6个可选端口,实现分频比的灵活可控,分频器最小分频比为16,最大分频比为124,采用真单相时钟(True Single Phase Clock,TSPC)结构的D触发器作为基本单元,降低了电路功耗。锁相环的鉴频鉴相器电路在输出信号与复位路径之间加入适当延迟单元,增加电路复位延时,有效克服了鉴频鉴相器的“死区效应”。锁相环采用二阶低通滤波器,通过合理选择电阻电容值,将锁相环系统零点设置在非零极点左侧,仿真得到系统相位裕度为61.2°。 后仿结果表明,在所有工艺角下,电路都能满足设计指标。电路供电电压为1.8V,当输入参考频率为25MHz时,锁相环的输出频率范围为0.95GHz～3.3GHz,在2GHz的输出频率下,电路锁定时间小于2μs,系统整体功耗为3.2m W,1MHz频偏处的相位噪声为-85.5d Bc/Hz,RMS抖动为17.1ps,版图面积为205μm×91μm。

关键词： 电子标牌   北斗导航   窄带物联网   可穿戴设备   低功耗  

摘要： 儿童防走失问题一直是社会各界关注的焦点，儿童走失、被拐卖会导致许多家庭支离破碎，一定程度影响着社会的稳定。中共中央、国务院印发《数字中国建设整体布局规划》指出要推进移动物联网全面发展，大力推进北斗卫星导航系统（BeidouNavigationSatelliteSystem,BDS）规模应用。因此将北斗与物联网融合创新，研究相应的儿童防走失设备与系统是具有实际意义的。目前市面上的儿童防走失设备多外形臃肿且待机时间较短。因此本文旨在研究设计一种以胸前徽章形式舒适佩戴、外形轻薄、具有低功耗的儿童防走失北斗电子标牌。主要用于幼儿园、小学、家庭等场景，同时也可为老人或者有易走失风险的群体佩戴，该研究具有重要的应用价值。　　本文主要针对以下三点进行研究:一是设计了一款低功耗可穿戴式的北斗电子标牌,优化了器件布局，改进了定位天线方案。创新性地以徽章的载体形式进行佩戴，外观可为校徽、学生姓名牌等形式，美观且具有良好的隐蔽性。通过合理优化器件布局，选用更适合的元器件，在保证性能与稳定性的前提下，使得电路板半径仅为19.5毫米，厚度约为5毫米，使得产品整体更加轻薄，提高目标人群的佩戴体验。同时进行低功耗长续航的设计，在硬件电路上选择低功耗元器件，并精简电路，降低总体功耗，在算法上设计了时空智能场景识别算法，通过分析佩戴者的时间、空间、速度等参量，判断佩戴者的运动状态，即处于静止、散步还是快速移动场景，从而智能选择进行定位以及向云平台上传数据的频率，并智能判断设备何时进入休眠状态何时进行唤醒。在保证定位数据准确，定位精度控制在2米以内的条件下进一步降低功耗，延长续航时间。二是设计数据通信网关软件及运营平台，实现了数据远程传输及存储管理功能。数据通信网关能够实时监听云平台推送的数据，并进行数据解析。运营平台包括地图展示以及管理平台，用户设备编号以及数据存入数据库统一管理，通过调用数据库数据使得上传的定位点能够直观地呈现在地图上，最终与上述的装置、算法等形成一套完整的系统。三是设计了可穿戴式北斗电子标牌的外观，优化了无源天线的射频电路结构，进行系统调试与应用测试，对可穿戴式电子标牌及其系统的终端模块部分、数据通信网关部分、运营平台进行了功能验证，保证用户的实际体验。　　通过相关研究与设计，使得可穿戴式北斗电子标牌能够达到轻薄且隐蔽佩戴，模块终端的电路板厚度约5毫米厚，面积约为11.9平方厘米。加入低功耗设计，续航目标达到一月以上，避免设备每天充电的烦恼。通过北斗定位芯片又能保证定位数据的准确性,定位精度在2米以内。能够实时通讯且数据传输无差错，数据能持久储存统一管理，前台显示电子地图及实时位置坐标点，为学龄前儿童、小学生等群体提供稳定可靠又具有隐蔽性的儿童防走失装置与系统。亦可为老人或者有易走失风险的群体，例如患阿尔茨海默症的群体佩戴，也可为相关机构，例如养老院等场所提供使用北斗电子标牌。最终所设计的可穿戴式北斗电子标牌及其系统能够为防止儿童、老人走失多一份保障，为减少社会走失事件的发生概率做出贡献，让更多的家庭幸福团圆。