关键词： 自适应电压调节技术   低功耗设计   关键路径时序监测   自适应电压调节总线  

摘要： 随着半导体制造工艺的迅速发展,构成数字电路系统的晶体管的特征尺寸越来越小,在相同面积上集成的晶体管数量呈数量级上升,导致芯片单位面积上的功耗不断增加,并使芯片系统的能耗问题成为影响半导体行业发展的重要因素。为了保证数字电路系统在工艺、电压、温度(Process,Voltage,Temperature,PVT)偏差以及设备老化损耗等因素的影响下能正常工作,芯片设计者通常在设计阶段预留一定的时序余量,但同时造成了芯片功耗及性能的浪费。自适应电压调节(Adaptive Voltage Scaling,AVS)技术作为一种能够监测芯片系统时序并实时调控供电电压的低功耗方法,能够有效降低甚至消除在设计阶段保留的设计余量,从降低电路系统工作电压的角度来达到降低功耗的目的。本文基于降低芯片功耗的需求,对芯片中关键路径的时序信息的获取展开研究,设计了一种基于间接时序监测的AVS结构,并使用AXI协议改进传统的自适应电压调节总线(AVSBus),完成片上系统与负载点电源控制设备的点对点通信。本文的主要工作及创新如下:1、提出了一种基于间接时序监测法的自适应电压调节方法。本文通过串联反相器的方法构建延时链,在对数字负载和反相器延时链进行时序分析的基础上,确定了延时链的长度,以实现对关键路径延时变化特性的模拟,结合AVSBus最小粒度的电压读写确定时序余量监测延时链的长度。使用触发器构建了一种轻量化的时序监测单元,通过采样反相器延时链特定位置的信号翻转情况,间接获取关键路径的时序信息,解决了直接在关键路径末端插入时序监测单元导致的设计困难和结构复杂的问题。2、结合AXI协议改进了传统的自适应电压调节总线。本文在使用verilog实现传统AVSBus的基础上,使用AXI协议对AVSBus进行了接口转换,并采用AXI协议中的VALID/READY握手机制加强片上系统对通信的控制,同时设计了相应的局部寄存器文件以及传输数据的帧结构,使用3位循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)码校验传输数据,通过AVSBus从机再同步机制恢复线路噪声以及其他人为因素导致的错误状态。3、对设计的AVS系统进行了功能验证和性能评估。搭建了基于通用验证方法学(Usual Validation Methodology,UVM)的模块级验证平台,完成了设计代码的功能验证。基于某厂家12nm工艺对设计模块进行了逻辑综合,总的综合面积开销为2656.85μm。收集了验证测试覆盖率,并使用PTPX对不同工作频率下的自适应电压调节电路以及数字负载进行了功耗分析,当工作频率从1.3GHz下降到0.8GHz时,最多取得了53.4%的功耗收益。

摘要： 详细介绍了C#下多线程实现并发操作的运用。

关键词： 模拟前端   自平衡桥   加速度计   低功耗   电容读出电路   低噪声  

摘要： 随着当前物联网云计算技术的飞速发展,传感器成为了当前的热门话题。其中,加速度计是一种测量物体加速度的惯性传感器,在许多领域中受到广泛的应用。特别是电容式硅微加速度计,由于其精度高、功耗小、噪声低、易于集成等特点,在众多领域中起到了不可替代的作用。同时在移动/可穿戴式物联网对超低功耗的应用要求下,使得设计与电容式硅微加速度计适配的超低功耗高性能模拟前端电路具有重要意义。本文基于当前国内外的研究现状,采用SMIC(中芯国际)0.18μm CMOS工艺,研究和设计了一款低功耗低噪声硅微加速度计模拟前端集成电路,其主要包括由运算放大器和电平移位器构成的模拟前端核心电路和增益控制级模块。其中,模拟前端核心电路采用拥有高线性度且不需要载波驱动的自平衡桥架构,实现低功耗条件下电容信号检测和电压输出转换,同时配合前馈降噪技术以及相关双采样技术以实现低噪声和高分辨率的设计目标。基于自平衡技术的模拟前端核心电路转换输出电压信号通常较小,经增益控制级可实现电压信号的放大,以满足后续模数转换器的最大量程输入。增益控制级同时利用相关双采样技术以降低运算放大器的失调以及电路中的低频噪声,使电路拥有更好的噪声性能。仿真结果显示,模拟前端电路在总功耗265n W,增益控制级放大倍数为3倍时,可以将频率为100Hz,动态电容峰值为0.1p F,静态电容为1 p F的加速度计电容信号转换为预期的电压信号。并且等效输入噪声为45.11a F/Hz@100Hz,满足100a F的电容识别度指标。本文所设计的硅微加速度计模拟前端电路具有低功耗低噪声和高分辨率的特点,拥有广阔的应用市场前景。

关键词： 本质安全型   气体超声流量计   二重转压   阻抗匹配   低功耗  

摘要： 为减少天然气在贸易过程中因计量器具精度差而产生的纠纷,许多国家将精度高、量程宽、压损小的气体超声波流量计作为天然气贸易的标准计量工具。但天然气属于易燃易爆气体,对气体超声波流量计的防爆性能要求极高,其中本质安全型防爆形式因其重量轻、尺寸小、成本低等优点成为气体超声波流量计防爆的首选方式。但本质安全设计会限制气体超声波流量计系统的整体能量,导致其流量测量精度随之下降。为解决气体超声波流量计的本质安全性能和流量测量精度无法兼备问题,本文进行了以下研究:（1）对气体超声波流量计的供电系统进行了本质安全设计,为增强供电系统的保护性能,设计了基于LTC4364芯片的二级过压过流保护电路;针对其主控制板需多电压供电及供电电池能量有限的问题,提出了基于二重转压的本质安全供电方案,提高了电源电压转换效率,延长了供电电池的使用时间。（2）对气体超声波流量计的驱动电路进行了本质安全设计,在变压器前后级电路中,增加了限流电阻和稳压模块限制变压器的储能。为降低激励信号从形成到换能器接收过程中的能量损耗,提高信号质量,对换能器的阻抗匹配电路进行了研究,提出了改进型的LC阻抗匹配电路,并验证了该电路的有效性。（3）在气体超声波流量计的回波信号处理以及降低系统功耗方面进行了本质安全性能优化。设计了回波信号的阻抗匹配、放大、滤波电路,提高了回波信号的信噪比。降低系统功耗方面,在软件上采取了减少采样次数、限制采样开启时间和设置测量周期的措施;在硬件上进行阻抗匹配设计提高能量利用率,并且采用超低功耗可关断芯片为核心构建各电路模块,降低系统的静态功耗。（4）本文完成了本质安全气体超声波流量计样机的研制,通过对样机进行本质安全校核及性能测试,结果表明:样机在本质安全性能上达到了EXiaⅡB T4的防爆等级,且供电电池使用时间可达到3年以上;对样机进行了流量检定实验,结果表明:样机在1～180m/h的流量范围内可达到1.0级的仪表精度。

关键词： 低功耗模块   扫描链   可测性设计   统一功耗格式   自动测试向量生成  

摘要： 随着半导体技术的不断发展,芯片规模和工作频率越来越大,从而带来了严重的功耗问题。为了解决这个问题,人们广泛应用低功耗技术到芯片设计中。但是,低功耗技术的应用使得芯片的测试环境更加复杂,测试模式下错误的功耗配置会直接导致测试失败。同时,由于工艺尺寸的不断缩小,芯片内部出现的物理缺陷也导致产品失效的问题日益突显,对芯片可测性的要求也越来越高。目前,针对低功耗模块电路的可测试性设计尚未有统一的解决方案,迫切需要开展相关研究。 本文以一个含有低功耗模块的IP核为基础,在完成测试架构设计的基础上提出了一种基于统一功耗格式(UPF)的可测性设计与验证方案。该方案可有效提高测试模式下功耗配置识别的效率,从而解决低功耗模块测试困难、迭代次数多的问题。本文主要工作和创新之处如下: (1)基于低功耗模块IP核的的特点、测试难点和测试需求,采用自顶向下的设计方法,开展了可测性电路的设计研究。该可测性电路包含以下基本组件:联合测试工作组(JTAG)模块、片上时钟控制(OCC)模块以及内嵌式确定性测试(EDT)模块。其中,JTAG网络用于解决测试模式下信号配置的问题,并可扩展内部测试寄存器。OCC电路可解决不同测试模式和测试阶段下时钟切换的问题。EDT电路通过解压与压缩逻辑扩展了内部扫描通道,提高了芯片测试效率。设计完成后,使用仿真工具对其进行仿真验证以确保其功能正确。 (2)基于扫描测试技术原理,采用单电压域扫描测试法,开展了基于UPF的可测性实现研究。首先对待测IP进行UPF设计实现,待测IP核采用多电压域设计技术。通过插入电源开关单元实现电压域的关断功能。通过在电压域之间插入隔离单元、电平转换单元解决不同电压域间信号传输问题。论文采用UPF进行低功耗模块设计实现,随后在其基础上完成可测性设计实现。针对每个电压域单独插入扫描链,完成单电压域下的扫描链实现,消除低功耗模式下不同电压域之间扫描单元的串扰问题。通过插入Wrapper结构提高了IP核各个子模块端口间互联逻辑的可控性与可观测性。通过对各个模块嵌入EDT逻辑实现对子模块的独立控制。结合UPF完成功耗感知(Power Aware)自动测试向量生成(ATPG)实现。 (3)基于Power Aware ATPG仿真和功耗仿真结果,开展关于Power Aware ATPG验证、覆盖率、功耗分析研究。结果显示Power Aware仿真可以快速的定位到功耗模式配置错误的问题,能够保证在生成传统的故障模型测试向量的同时确保芯片测试在当前的功耗模式配置下可以良好的完成。覆盖率和功耗分析结果显示wrapper结构对于SAF模型和TDF模型而言可以分别提高3%和1.5%的测试覆盖率,EDT低功耗模式对于SAF模型和TDF模型而言可以分别降低23%和19%测试功耗。单电压域扫描链结构对测试覆盖率影响不大,但基于不同电压域的分块测试可以降低23%峰值功耗和21%的平均功耗。 本文研究的低功耗模块IP核的可测性设计与验证方法具有较强的通用性,对其他具有低功耗模块芯片的可测性设计具有一定的参考意义。

关键词： 火险环境感知设备   WSN   LoRa   低功耗   NB-IoT   森林火灾  

摘要： 林火监测是实现森林火灾“早发现”的关键环节,森林火灾信息感知则是开展林火监测的四种能力之一。在当前森林火险环境感知领域,常规的方案有:基于3S技术的环境气象因子反演手段评估森林火险,但由于卫星空间分辨率与其重访周期无法平衡,导致森林火险评估的准确度差;利用可见光与热红外成像结合的视频监控技术进行火灾监视,但它易受云雾干扰,且存在明显的滞后性问题,无法实现“早发现”;基于Zig Bee的WSN地面系统实现对森林火险的感知,但却存在着林下通信距离很短和抗干扰能力差等显著缺点,大范围部署时成本巨大。因此,构建新型的大范围、远距离、高精准性的实时森林火险环境感知系统十分重要。本文利用LoRa无线通信技术和NB-IoT物联网技术开展面向复杂林区火险环境感知的无线传感器网络集成设计,通过对节点硬件电路和嵌入式软件控制流程算法的设计,构建了具有智慧感知、信息收集、局部决策、协同调控等优点,能够实现感-传-控应用目的的火险环境感知方案。本文的工作与成果可以概括为:(1)对基于WSN的火险环境感知的设计需求进行了分析和说明,分析了实现该感知系统所需要采集的环境因子种类以及适合复杂林下环境的射频和物联网通信方式,接着对设计原则和总体框架进行了详细的阐述,最后从嵌入式硬件平台和软件平台两方面对本方案的设计内容进行了介绍。(2)对各类节点的功耗进行了具体且全面的分析,并给出了不同电路的能耗计算方法,还提出了延长节点工作寿命、优化节点能耗的多种方案:在硬件电路方面,提出了通过程控开关控制能耗、使用中断-触发唤醒电路优化网络的响应时间、引入无线电唤醒技术解决突发状况下的网络唤醒等能耗控制方案;在软件算法方面,设计了利用火险预测模型调整环境因子采样率、根据时间和空间自适应原则动态调整节点休眠时间和射频信号收发功率等能耗优化方案。此外,为了保障节点工作的稳定性和持久性,还给出了节点(即设备)在野外环境下的多种防护举措。(3)从功能、性能以及整体稳定性三个方面开展相关测试,通过室内室外实验的方式对网络的主要指标进行定性或定量的描述。测试了该WSN系统在林下环境因子智能感知和采集、节点自组网、区域定位和上传数据至云服务器等方面的实际效果,以及在系统中引入优化策略后节点的功耗控制情况和系统稳定性。在这些测试结果进行分析和评价后,还提出了一些有助于节点性能完善和高效部署的建议,如射频天线的指向问题、区域内节点数量计算问题、网络工作寿命预测问题等。

关键词： 低功耗   门控时钟   UPF   多电压   门控电源   多阈值  

摘要： 随着集成电路的工艺节点越来越小,片上集成度和规模大幅提升,一颗芯片上集成的门级单元可达上亿个,加上芯片运行时需要的时钟频率显著增加,由此带来的功耗密度增大和总功耗过大等问题越来越严重。另外电源电压和晶体管阈值电压的降低使芯片的漏电流显著增加,这些客观情况造成的结果是功耗已达到芯片可接受的极限。功耗问题会给芯片带来诸多不利影响。高功耗容易使芯片在运行期间温度过高,而温度过高会使芯片的性能下降,并且降低芯片的可靠性。为了降低芯片温度需要提高成本使用陶瓷封装,甚至需要复杂昂贵的散热器和冷却系统。高功耗也会缩短便携式设备(如手机、平板等)的电池寿命,会增加大型计算机、服务器等大型电子设备的供电成本。如今,功耗问题已成为集成电路设计中与性能、面积同样重要的因素,是衡量芯片商业价值的重要指标。本文首先介绍低功耗技术的研究背景与意义,然后详细分析芯片的功耗来源,并研究现今主流的低功耗设计方法,包括实现方式较为简单的时钟门控技术和多阈值电压技术,还有实现多电压和门控电源技术需要使用的基于UPF的低功耗设计方法,最后基于实习公司的一个SoC项目进行低功耗设计,然后查看设计结果是否符合预期。进行门控时钟和多阈值电压设计时,采用原本的设计架构和传统的设计流程即可实现这两种技术。但是在进行多电压和门控电源设计时,必须要规划电源域和采用特殊低功耗单元,所以本文首先介绍统一功率格式UPF标准和使用UPF进行低功耗设计的流程,然后在本SoC项目原本的架构上规划出新的低功耗设计架构并编写UPF文件,再进行基于UPF文件的DC综合并查看综合结果,最后对综合后的网表+UPF’和综合前的RTL代码+原始UPF做形式验证。本设计的综合报告表明相关结果符合预期,使用低功耗技术可显著降低电路功耗,形式验证结果表明综合前后电路的逻辑功能一致。

关键词： 电极式电导率传感器   低功耗   硼掺杂金刚石薄膜   STM  

摘要： 海洋盐度传感器是研究海水温度、盐度等海洋水文动力基本参数的关键仪器,在海洋环境监测、海洋科学研究、海洋防灾减灾、海洋国防建设中发挥着不可代替的作用。高性能盐度传感器具有精确度高,稳定性强等突出特点,可用于复杂海洋环境,在海洋环境监测领域拥有广阔的应用前景。为了适应当代海洋研究的迫切需要,通过对温盐测量系统中所涉及的材料、器件等关键技术开展理论分析和研究,本论文提出一种基于硼掺杂金刚石薄膜电极的海洋盐度传感器,可有效提高海洋温盐传感器的测量精度和长期稳定性。为了深化研究基于金刚石薄膜材料的高性能海洋温盐传感器,分析国内外的研究现状,针对常规电极式电导率传感器问题进行了分析研究,发现电极材料易脱落、结构不稳定、抗生物附着能力差以及传感器测量系统功耗较高等问题亟待解决。因此,本论文首先从温度和电极式电导率的测量原理出发,对传感器测量系统的总体结构进行设计,然后根据温盐传感器的测量需求设计了温度探头,并结合金刚石薄膜材料的特点重点介绍了金刚石薄膜电极式电导率传感器探头制备的过程,概述了电导池的结构设计加工的流程。其次,在软硬件方面完成了电路和程序的设计,核心处理器方面使用的是意法半导体(ST)公司发售的STM32L4系列芯片,这类芯片拥有32位ARM MCU+FPU,功耗极低。另外,从元器件的选型、芯片的低功耗模式设置、电源系统进行了优化设计并实现了低功耗。最后,本论文完成了基于硼掺杂金刚石薄膜电极的电导率传感器样机搭建,经过对温盐传感器的标定、数据分析与处理,并在岸边实验和海试试验中进行了功能验证和稳定性、可靠性测试。本论文设计的硼掺杂金刚石薄膜基电极式温盐传感器样机运行测试和试验数据的统计分析结果显示,该自研传感器在保证功能正常、运行稳定的同时具备测量精度高、耗电量少等优越的特性,达成预期目标。

关键词： 低功耗   线性稳压器   环路稳定性   瞬态增强电路   电源抑制比  

摘要： 随着半导体与通信技术的快速发展,电源管理技术在物联网的应用场景越来越丰富,对电源管理芯片的研究得到越来越多技术人员的青睐。本文调研了电源管理技术和市场需求,发现低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)因为具有小面积、简单结构、高稳定性,高电源抑制比(Power Supply Rejection,PSR)和高效率等优势而被广泛应用。针对物联网系统中便携式管理设备的需求,LDO芯片的研究方向从原来的大负载电流、高效率转向了高芯片集成度,低功率消耗或高性能指标等。基于此背景,本文设计了一种低功耗,高PSR和高瞬态特性的高性能LDO芯片。本文的主要工作内容如下:1、本文在分析了低静态电流对传统LDO器件性能影响的基础上,对LDO各个模块进行了低功耗优化设计。本文先分析了低静态电流对器件工作状态,速度以及稳定性带来的性能挑战,然后基于分析结果给出了LDO各个模块的低功耗设计思路,并且引入缓冲级和动态零点补偿电路进行频率补偿,有效解决了低功耗LDO负反馈环路稳定性不足的问题。2、本文针对低功耗LDO的瞬态性能和电源抑制比进行了分析,并在此基础上提出了优化方案。本文采用了前馈电容技术,自适应偏置电流技术和一种优化后的瞬态增强电路,以提高低功耗LDO的瞬态响应。本文在理论计算和分析LDO电源纹波馈通的指导下,通过增强电压基准的电源纹波抑制能力和优化LDO负反馈环路电路的带宽与增益,提高了低功耗LDO的整体电源抑制比。3、本文利用Cadence Virtuoso仿真平台,基于东部高科公司的0.18μm CMOS工艺实现了低功耗,高瞬态性能和高PSR的LDO。该LDO输出电压为1.2 V,最大负载电流为200 m A。仿真结果表明,LDO的整体静态电流为1.262μA,负载调整率为6.1μV/m A,电源调整率为0.00964%/V,负载电流以10 ns的时间在1 m A与200 m A之间跳变时,输出端产生的欠冲电压为138.57 m V,过冲电压为75.27 m V,LDO的低频PSR为-90.398 dB,频率为1kHz时PSR为-65.863 dB。

关键词： 模数转换器   逐次逼近型   分段电容阵列   自校准技术  

摘要： 模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)作为连接模拟信号和数字信号的桥梁,在各种电子系统中发挥着重要的作用。和几种传统架构的ADC相比,逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)ADC具有功耗低和面积小的优势,随着集成电路先进工艺的不断发展,其采样速度和精度有了更大的提升空间,使得SAR ADC在中等速度、中高等精度领域中受到了广泛的研究。其中对于高精度低功耗SAR ADC,被广泛应用于精密数据采集系统、仪器仪表以及医疗设备等领域,但由于制造工艺造成电容失配,会严重限制ADC的精度,因此研究校准技术对SAR ADC精度的提升具有重要意义。本论文基于0.35μm CMOS工艺,设计了一款18位的高精度低功耗SAR ADC电路,重点对高精度SAR ADC的关键子模块电路的设计进行了深入分析和研究。对于电容型数模转换器(DAC)的设计,为满足18位量化精度的要求,基于分段电容阵列原理和冗余技术原理的分析,采用“11+7”的分段结构,有效节省DAC的面积和功耗,并加入了三位冗余电容,为SAR ADC的比较过程提供容错空间。以及结合本论文采用的自校准算法,将全差分电容阵列中负端的低位段电容用作校准DAC,使得电容阵列DAC变成伪差分结构,并设计了一种采用单调开关和传统开关相结合的混合开关切换方式。为满足比较器的精度和速度的要求,设计了一种四级预放大器加锁存器级联结构的比较器,对比较器电路进行仿真,得到预放大器的整体增益为67.7 d B,带宽为12.2 MHz,比较器的等效输入噪声为13.5μV。针对电容失配对SAR ADC精度的限制,本论文设计了一种基于自校准的模拟校准技术,即利用伪差分结构的DAC电容阵列负端的低位电容校正高位电容的失配,和传统自校准的SAR ADC对比,不需要额外的电容阵列作校准DAC,有效的节约了芯片面积和功耗,并基于MATLAB工具搭建校准算法模型,进行行为级仿真验证了校准算法。最后对18位SAR ADC的整体电路进行了前仿真分析,以及版图设计和后仿真分析。后仿真结果表明,在典型工艺角下,ADC的有效位数为16.7位,SFDR为109.2 d B,SNDR为102.6 d B,功耗为25 m W。