一种带有最大能量跟踪的宽动态范围射频能量收集电路的设计

本文提出了一种带有最大能量跟踪的射频能量收集电路.该电路通过加入级数来控制环路自动检测不同级数整流器的输出功率,并比较这些输出功率来选择最佳级数,以求在不同输入功率下均能够保持较高的能量转换效率.因此,能量收集电路在保持高灵敏度的同时,可以提高最高能量转换效率,扩展高效率动态范围.基于该设计方法,一个用于特高频频段的带有级数控制回路的3～5级整流器电路在SMIC 55nm工艺下得以仿真、实现.测试结果表明:在915MHz的工作频率下,所设计的射频能量收集电路的最高能量转换效率可以达到61.4%.与此同时,在19dB的输入功率范围内,能量转换效率均能够保持在最高能量转换效率的50%以上,有效扩展了高效率动态范围.此外,该电路在加入控制环路后,仍然有较高的灵敏度,可以在-16.3dBm的输入功率下,驱动一个纯电容负载,获得2V的输出电压.     

一种低功耗无线携能通信中整流电路集成上行链路的研究

为减少无线携能通信(simultaneous wireless information and power transfer, SWIPT)中信息发射的功耗,提出在射频整流电路中集成上行无线链路,实现射频整流和上行通信的同时进行。该结构主要由可重构缺陷地带阻滤波器和整流电路组成。利用整流产生的二次谐波作为上行无线链路载波,通过基带信号控制可重构带阻滤波器,实现对载波的幅度调制。在-20 dBm的射频输入功率下,上行通信数据速率达到了100 kbps,调制所需的平均直流功耗仅为2.35μW,并且整流电路的转换效率几乎不受基带信号调制的影响,证实了提出的低功耗上行通信方法的可行性。该结构将有望应用到无线传感网络的节点,并且在无线携能通信低功耗场景中具有良好的应用前景。     

应用于可穿戴脉搏血氧检测的G_m-C低通滤波器

为了解决可穿戴脉搏血氧检测芯片滤波器面积大、功耗高的问题,改进设计了一个三阶巴特沃斯G_mC低通滤波器.线性跨导器采用源极负反馈结构来增大线性范围,并且输入管工作在亚阈值区降低了功耗,然后通过密勒效应放大电容来减小面积;同时,该滤波器通过开关电容调谐电路调制滤波器的截止频率,降低工艺偏差.仿真结果表明:在SMIC 0.18μm CMOS工艺,1.8V电源电压供电下,该低通滤波器的截止频率为7.9Hz,面积为0.14mm~2,功耗为6.7μW,相比其他的设计方案,在功耗和面积上都有大幅优化.     

用于植入式医疗装置的逐次逼近式模数转换器

针对植入式医疗装置对模数转换器(ADC)的超低功耗和高精度要求,提出了一种共模恒定型分段混合编码结构的逐次逼近式模数转换器(SAR-ADC)。该SAR-ADC的电容数模转换器DAC中采用分段混合编码结构,兼具了分段二进制编码的低功耗优势和分段温度计编码的高线性度优势。共模恒定型控制方式具有极低的动态功耗。采用HHNEC 0.35μm CMOS工艺完成了10位共模恒定型分段混合编码SAR-ADC的电路和版图设计。后仿真结果表明:所设计的SARADC的电源电压范围为1.8~3V;在采样率为103 s-1的条件下,其有效位数为9.4位;整个SARADC所消耗的电流仅为60nA,在同等工艺条件下具有更低的功耗;所设计的转换器能够满足心脏起搏器等植入式医疗装置的需求。     

微能量收集技术及储能器件研究

为提高微能量收集的转换效率,分析了3种典型的换能装置结构及其等效电路,探究了3种换能装置的能量收集电路的工作原理、优缺点及能量转换效率,对比分析了常用储能器件.结果表明:带控制单元的能量收集电路效率高,超级电容和锂电池适合微能量收集系统.基于以上分析,对微能量收集技术和储能器件研究提出了建议,带控制单元的能量收集电路和组合形式的储能系统是进一步研究微能量收集系统效率的一个方向.     

用于植入式医用芯片的低电压低功耗SAR ADC

为适应植入式医用芯片的使用要求,给出一低电压低功耗逐次逼近型模数转换器(SARADC)的设计。从降低功耗出发,提出了一种新的能量高效开关策略。与传统开关策略相比,电容阵列的平均开关能量减少了68%,电容阵列的面积仅为传统开关策略的50%;采用带校正的动态比较器,在提高精度的同时可以降低功耗;采用异步时钟,省略了高频时钟产生器,进一步降低了功耗。提出的5 Ms-111位SAR ADC采用SMIC 0.18μm CMOS混合信号工艺流片。供电电压低至1 V,功耗仅为0.236 mW,SNDR,SFDR分别达到55.1,68.38 dB。核心面积为650μm×1 000μm,符合植入式系统的要求。     

采用峰值电感电流控制的直流-直流电压转换器

针对可穿戴设备需要小型化和适应各种应用场景要求的问题,提出了一种单电感多输入多输出的升压-降压型DC-DC转换器,以采集多种能量为可穿戴设备供电。由于转换器既需要高的效率,又需要稳定的负载电压,提出了结合峰值电感电流控制策略和基于阈值变频策略的峰值电感电流脉冲频率调制技术。峰值电感电流脉冲频率调制技术根据各输入输出端口状态来改变能量传输频率,从而实现各能量源最大功率点追踪和负载端电压的调制;同时,通过控制每次能量传递时流过电感的峰值电流大小,提高转换效率并降低输出电压纹波。此外,采用两种低功耗控制策略以降低控制电路功耗:使用低供电电压为控制电路供电;令部分控制电路断续工作。采用华润上华CMOS 0.18μm工艺完成了转换器电路及版图设计,并进行了仿真验证。后仿真结果表明,在0.2～3V输入电压范围和0.001～3mW负载范围内,转换器效率能够保持在73.8%以上,控制电路功耗小于300nW。     

基于多载波阵的定域调制技术

基于多载波阵，可以进行定位调制，实现信息的定向和定距传输，误码率仅在指定位置处出现零陷，从而提高物理层通信的安全性.但当指定位置与接收位置存在失配时，信号接收性能会明显下降。在定位调制技术的基础上，提出一种对位置误差不甚敏感的定域调制技术，其信息传输误码率的零陷宽度可在一定范围内进行调整，从而可在通信安全性和鲁棒性之间进行适当的折衷.将一维伍德沃德-劳森综合法推广为二维，以实现角度-距离二维平顶方向图的综合，将发射信号能量聚焦在预先设定的角度和距离区域内；构造伍德沃德-劳森综合法中所选角度和距离所对应的多载波阵流形矢量；在上述多载波阵流形矢量所张成空间的正交补空间中随机选择一个矢量，进行非信号能量聚焦区域的加密.仿真结果表明，所提定域调制方法可保证在整个预先设定的角度和距离区域内都具有较好的信号接收性能.     

低功耗UHFRFID射频/模拟前端解决方案

提出了用于无源超高频射频识别(UHF RFID)芯片的射频/模拟前端.该射频/模拟前端通过系统分区和分时供电优化了系统功耗,子电路包括整流电路、基准电路、三轨稳压电路、解调/调制电路、上电复位电路以及时钟电路.通过引入阈值补偿,将全CMOS整流电路的整流效率提升至不低于48%;电流求和型亚阈值基准电路在保证基准精度的同时,有效降低了功耗和芯片面积;无需大尺寸无源器件的解调电路,并从系统架构层面解决了解调失真的问题.该射频/模拟前端电路采用SMIC 0.18μm CMOS工艺库仿真并投片验证,测试结果表明:直流功耗为3.6μA,芯片有效面积为0.27mm2.将该射频/模拟前端电路集成至一款UHF RFID标签芯片中,采用商用阅读器进行测试,其读取距离6m,平均读取速率达到89.9个/s.     

具有记忆性的对称升余弦键控调制方法

对称升余弦键控(SRCK)可以使已调信号的相位和频率均具有连续性.针对SRCK信号的通信误码率比最小频移键控(MSK)信号偏高的问题,提出了一种改进的SRCK调制方法,通过在信号码元对应的已调信号之间加入记忆性来改善误码率性能.仿真结果表明:该方法可以在已调信号频域能量集中度优于MSK信号的前提下,获得误码率性能优于MSK信号3dB的增益;采用改进的SRCK信号进行通信时,可以通过计算其最小欧氏距离来选择适合相应通信系统的调制参数.     

一种新型升压变换器的IC设计

针对便携式电子产品电源功耗过大而降低了电池寿命的问题,设计了一款高带载能力、高效率的电流脉宽调制模式的升压型DC-DC变换器控制芯片.通过采用可提高带载能力的分段线性斜波补偿技术,解决了传统开关DC-DC变换器在脉冲宽度调制(pules width modulation,PWM)信号占空比大于0.5时的斜波补偿导致芯片带载能力下降的缺陷;同时,芯片设计了新颖的峰值电流检测电路,有效减小了芯片面积,提高芯片的转换效率.     

高效降压三增益式开关电容DC/DC变换器的设计

设计了一种高效率降压三增益式DC/DC变换器,其输出电压可选择为1.5V、1.8V和2.0V,该电路采用了转换电容阵列技术,具有多增益和功耗低等特点.HSPICE仿真结果显示,其转换效率高于78%,转换误差在10mV之内,稳定性高,最大负载电流可达240mA.该电路可广泛应用于移动电子设备的电源电路中.     

一种低功耗GaN基紫外焦平面读出电路设计

针对GaN基紫外焦平面,采用单端放大器的CTIA结构作为输入级,设计了一种小面积低功耗的读出电路,分析了电路的电荷增益、注入效率、功耗与噪声等性能指标。通过使用边积分边读出模式工作,电路功耗显著下降,当面阵大小为M×N时,仅与列数N有关。仿真结果表明,电路工作正常,电荷增益为1.6μV/e,注入效率可达96.8%,输出线性度大于99%,对噪声具有很好的抑制作用。     

14位低功耗逐次逼近型模数转换器设计

为了克服传统逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)精度低和能量效率低的问题,通过采用新型开关切换策略来提高SAR ADC的能量效率,采用冗余电容阵列和数字纠错技术来提高SAR ADC的精度。电路采用SMIC110nm CMOS工艺实现,并结合Cadence模拟开发套件进行后仿验证。结果表明,在工作电压为1.2 V,采样速率为1 MS/s时,输入0.301 MHz的正弦波,SAR ADC的有效位数(ENOB)达到了13.25 bits,信号噪声失真比(SNDR)为81.55 dB,功耗为181μW;所设计的SAR ADC电路的精度和功耗得到了有效改善。     

基于可见光通信的图像传输系统

针对无线图像传输系统抗干扰能力差、保密性低等问题, 设计并研制了基于可见光通信的图像传输系统。该系统采用51 单片机为主要控制器, 以发光二极管发出的高速调制可见光作为信息载体, 利用光电二极管接收光载波信号, 并通过PC 机获得图像信息, 实现了基于可见光通信的无线图像传输。实验结果表明,该系统抗电磁干扰能力强、成本低、功耗小、安全性好, 在通信距离为0. 7 m 时, 其最大位传输速率为0. 1 Mbit/ s, 误码率小于10-5 , 有效克服了现有图像无线传输系统的固有问题, 是短距离无线通信技术很好的补充, 具有很好的应用前景。     

一种新颖的高电源抑制带隙基准源电路设计

基于0.18μm BCD工艺,设计了一种新颖的低温漂高电源抑制比(PSRR)的带隙基准源电路。基准核心电路采用自偏置结构,简化了电路的设计。在不显著增加电路功耗与面积的前提下,通过引入预调节电路极大地提高了电路的PSRR。基准源输出采用负反馈结构,进一步提升了PSRR。Hspice软件仿真结果表明:在-40~150℃温度范围变化时,基准输出电压变化为283μV,温度系数仅为1.18×10-6(ppm)/℃;基准的稳定输出电压为1.257 V;电源电压在3~6 V范围变化时,线性调整率为0.082 m V/V;5 V电源电压下,低频时电源电压抑制比为130 d B,在100 k Hz时也能高达65 d B。电路整体功耗为0.065 m W,版图面积为63μm×72μm。     

用于多电压域设计的双向全摆幅电平转换器

提出了一种无静态漏电流的高性能电平转换器．与现有的电平转换器不同,此设计能够在无静态功耗的情况下,将阈值电压转换为全摆幅输出,只要输入电平高于输出端电压域的NMOS的阂值电压即可正常工作,并且具有更短的传播延时和更低的动态功耗．此设计具有通用性,其电平转换范围仅受限于半导体工艺．针对40nm工艺实现了该电平转换器电路,并且用SPICE模型进行了仿真．仿真结果显示：该电平转换器能够在无静态功耗的情况下,将0．9V的输入电平转换为输出端电压域的工作电平1．8V,传播延时仅为200ps．     

无线传感器节点太阳能自适应收集环路及控制策略

针对无线传感器网络(WSN)节点太阳能收集效率低的问题,提出了一种WSN节点的太阳能高效收集方案,最大功率点跟踪(MPPT)电路由微功耗的可控制光伏电压的闭合环路实现,初始功率跟踪点由通过扫描光伏功率曲线的幅值搜索算法提供,利用简化的梯度上升算法来跟踪随环境变化的最大功率,使其最大化地传输到充电电池.实验结果表明,自适应系统的能量转换效率高达86.7%,在光伏电压低至0.8V的超低光照强度下仍能有效地收集能量,能有效延长WSN节点的生存周期,可适用于其他应用场合的微小功率太阳能收集.     

一种超低功耗的低电压全金属氧化物半导体基准电压源

针对传统带隙基准电源电压高、功耗高和面积大的问题,提出了一种超低功耗的低电压全金属氧化物半导体(MOS)基准电压源。该基准源通过电压钳制使MOS管工作在深亚阈值区,利用亚阈值区MOS管的阈值电压差补偿热电势的温度特性,同时采用负反馈提高了电压源的线性度与电源抑制比。整个电压源电路采用SMIC 0.18μm互补金属氧化物半导体工艺设计,仿真结果表明:基准电压源的电源电压范围可达0.5~3.3V,线性调整率为0.428%V-1,功耗最低仅为0.41nW;在1.8V电源电压、-40~125℃温度范围内,温度系数为4.53×10-6℃-1,输出电压为230mV;1kHz下电源抑制比为-60dB,芯片版图面积为625μm2。该基准电压源可满足植入式医疗、可穿戴设备和物联网等系统对芯片的低压低功耗要求。     

无线传感器网络中基于可重构天线的谐波上行链路调制器

在民用航空器电台检查中，无线传感器网络的能源供给问题亟待解决。本文提出了一种基于可重构宽带缝隙天线的新型上行链路调制器结构，实现了低功耗谐波上行通信，降低了信息发射功耗。该结构充分利用整流器产生的二次谐波作为上行载波，通过上行基带信号对可重构宽带缝隙天线进行动态偏置，实现对载波的幅度调制。上行链路调制器的工作频率为2.45 GHz，在-20 dBm的射频输入功率下，仅采用10μA的调制电流进行通信，减少了节点的信息发射功耗，并且基带信号的调制几乎不影响整流器的转换效率，展示了该调制器的成功应用。该结构具有低成本、低功耗、易集成等优点，在民航无线传感器网络中具有良好的工程应用前景。