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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。

摘要： 随着汽车科技的不断发展，汽车智能仪表系统作为车载信息交互界面的重要组成部分受到了越来越多的关注。智能仪表系统能够以数字化的方式显示车辆的关键信息，为驾驶者提供所需的实时数据和功能。其中，硬件电路设计起到了关键的作用，决定了该系统的性能和稳定性。

关键词： 半导体碳纳米管   碳纳米管阵列薄膜   碳纳米管提纯   共轭聚合物去除  

摘要： 半导体碳纳米管因其超小的管径(1-3 nm)、超高的本征迁移率(>100000 cm2 V-1s-1)和超长的载流子平均自由程(一般大于1 μm)等优势成为下一代集成电路最重要的备选材料。二十多年来,困扰碳纳米管走向集成电路应用的两大世界级难题:半导体纯度大于99.9999%和晶圆级高密度排列,一直未得到有效的解决。2020年,北京大学团队开发了“多次提纯”技术和“维度限制自组装(DLSA)”技术,基本解决了上述两个核心问题。然而,除了这两个核心的关键问题以外,面向集成电路应用的碳纳米管材料还存在许多有待解决的问题,比如大面积均匀碳纳米管阵列薄膜的制备、碳管表面分散剂的高效去除等。为了进一步推进碳纳米管材料在集成电路中的应用,本论文围绕以下几个问题进行了系统研究。 (1)超高纯度半导体碳纳米管材料的可控制备。系统分析了溶剂极性、分离条件、分散条件、共轭聚合物结构和分子量等因素对半导体碳纳米管纯度的影响机制,并最终稳定获得半导体纯度大于99.9999%的碳纳米管分散液。同时,针对超高纯度半导体碳纳米管的纯度测试问题,发展了快速表征碳纳米管半导体纯度的方法:建立亚微米沟道场效应晶体管性能与碳纳米管溶液半导体纯度的反馈机制,以确保获得的半导体碳纳米管的纯度大于99.9999%。 (2)晶圆级碳纳米管阵列薄膜的自动化制备。针对碳纳米管在集成电路应用中的特殊性,设计并优化了快速退火、高均匀单分子层自组装和晶圆湿法清洗等晶圆级碳纳米管阵列薄膜制备方法及其装置,为高品质碳纳米管阵列材料的制备提供了保障。另外,为了尽可能减少人为因素对碳纳米管阵列晶圆材料质量的影响,我们开发出全自动晶圆级碳纳米管薄膜制备方法并实现高品质碳纳米管阵列薄膜材料的制备。测试结果表明获得的碳纳米管阵列薄膜覆盖率接近100%、取向偏差角3.7°、薄膜均匀性大于98%,各项指标均优于已有报道的结果,并且晶圆上残留的金属离子含量已经能够达到硅基集成电路标准。 (3)碳纳米管阵列薄膜上可裂解共轭聚合物的去除。为了解决碳纳米管阵列薄膜上共轭聚合物残留问题,我们开发了一系列基于咔唑单元的共轭聚合物,咔唑之间通过碳碳单键、碳碳双键和碳碳三键进行连接。系统分析了他们的热裂解特性,发现主链通过碳碳双键连接的聚咔唑PCz(-CH=CH-)可以在惰性气氛中热裂解,并且可以用于半导体碳纳米管的提纯和阵列薄膜的制备,这为可去除共轭聚合物的设计提供了新的方向和思路。根据所设计的共轭聚合物的热裂解特性,我们采用惰性气氛退火和湿法冲洗的方法,高效去除了碳纳米管阵列薄膜表面的共轭聚合物,洁净程度达到了光学分辨极限。利用这种去除共轭聚合物的碳纳米管阵列制备了场效应晶体管,表现出了良好的电流密度和开关特性。 (4)碳纳米管阵列薄膜上共轭聚合物的干法去除。为了兼容低温工艺,并且防止碳纳米管在湿法冲洗过程中发生团聚,我们利用共轭聚合物与碳纳米管在氧气中分解温度的差异,实现了共轭聚合物在氧气中的有效去除,获得表面洁净的碳纳米管阵列材料,共轭聚合物的残留已经达到光学检测的极限。通过扩大共轭聚合物和碳纳米管热分解温度差的原理和方式,为共轭聚合物的低温干法去除提供了新思路。并且,用此种方法处理的碳纳米管阵列薄膜制备的场效应晶体管表现出良好的电流密度和开关特性。

关键词： 隔离栅式驱动器   电容隔离   开关键控调制   共模瞬态抗扰度   传输延时  

摘要： 近些年来,电力电子技术迅速发展,在开关电源和逆变器等大功率应用环境下,一般都需要使用单独的栅极驱动器用来驱动外部功率晶体管的栅极。为解决高压环境下恶劣的回路噪声以及安全性问题,普遍使用隔离栅极驱动器来替代传统的电平位移驱动器,极大的提升了驱动器的工作电压、抗干扰能力和安全性。为提升开关频率和降低死区时间以减小无源器件体积和降低开关损耗,栅极驱动器需要低的传输延时。 本文采用电容作为隔离屏障的方案,设计了一款采取开关键控(On-Off Keying,OOK)调制方式的隔离通讯电路,并设计相应的载波产生电路和供电电源,该隔离通讯电路结构具有很高的工作电压与共模瞬态抗扰度(Common Mode Transient Immunity,CMTI),并具有较低的传输延时。为实现隔离通讯电路的高共模抗扰度,本文首先讨论了几种调制解调方式的特点并最终决定使用了开关键控的调制方式,其次共模信号是对隔离信道的主要干扰源,采用差分信号传输可以减小共模信号的干扰,最后根据设计的调制解调电路的特点选取了高的载波频率。隔离通讯电路的传输延时主要体现在接收侧,本文通过设计高速高增益的预放大电路和快速的包络检测电路实现了低延时、高可靠性的性能。对于OOK调制所需的载波,本文设计了片内集成的具有拓频功能的电阻型锁频环振荡器,采取闭环控制的方式,具有较好的稳定性。鉴于调制解调电路和振荡器电路的高频特性,二者对于供电电源稳定性有较高需求,本文设计了一种具有双环结构的低压差线性稳压器,具有高增益与高带宽的特性。 基于本文设计的隔离通讯电路,本文采用了Candence Virtuoso进行前仿真和后仿真验证,仿真结果表明隔离通讯电路的典型传输延时约为33 ns,脉宽失真最大值为7.5 ns,共模瞬态抗扰度大于150 V/ns,满足设计要求。

关键词： 碳纳米管场效应晶体管   总剂量效应   反相器逻辑电路   6T SRAM单元存储电路  

摘要： 航天设备中的集成电路在辐射环境下容易损坏,从而影响设备整体稳定性。逻辑单元与存储单元是集成电路的核心部件,尤其是具有代表性的反相器逻辑电路和6T SRAM存储单元电路。因此,了解这些电路单元在辐射环境下的性能变化和稳定性,对于保证航天器可靠性至关重要。本文使用计算机仿真软件研究碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）及其反相器电路和6T SRAM电路的总剂量效应。 首先,通过对CNTFET的总剂量效应分析,基于斯坦福大学建立的32 nm的顶栅CNTFET紧凑模型,在衬底上增加正向电压来实现CNTFET总剂量效应建模,用HSPICE软件仿真得到CNTFET的特性曲线。结果表明,随辐射剂量增加,转移特性曲线向负漂移,器件的阈值电压增大,晶体管性能逐渐变差。 然后,基于顶栅CNTFET紧凑模型设计了反相器逻辑电路,开展总剂量效应仿真和高增益低功耗反相器设计。结果表明,高剂量辐射导致电路的电学性能降低,主要体现在电压增益大幅降低,功耗变大,延迟小幅度下降。着重分析了碳纳米管的直径（D）、间距（Lp）、数量（N）以及栅极氧化物厚度(Hox)和介电常数(kox)对电压增益和功耗的影响,结果发现,辐射环境下五种结构参数对电压增益和功耗的影响程度不同。具体表现为D对电压增益的影响加剧,Hox和kox对电压增益的影响被削弱,而Lp和N对电压增益的影响几乎可以忽略;同时,D、N和Hox对功耗的影响加剧,但Lp和kox对功耗的影响被削弱。通过系统分析辐射前后各参数对电压增益和功耗的影响规律,为基于CNTFET的耐辐射高增益低功耗反相器电路设计提供参考。 最后,基于顶栅CNTFET紧凑模型设计了6T SRAM存储单元电路,开展总剂量效应仿真和高稳定性存储器设计。结果表明,高剂量辐射导致电路的稳定性下降。着重分析了D、Lp、N、Hox和kox五个结构参数对电路稳定性的影响,结果表明,D、Hox和kox对电路的稳定性影响非常明显,且辐射会不同程度地改变其影响趋势;而Lp和N在辐射前后对本文所设计电路稳定性的影响都很小。通过系统分析辐射前后各参数对存储电路稳定性的影响规律,为基于CNTFET的耐辐射高稳定性6T SRAM单元电路设计提供参考。

关键词： 电路原理   技术赋能   教学模式  

摘要： 多媒体、互联网、人工智能等技术的普及应用，打破了传统授课过程中课内与课外教学的孤立，线上教学与线下教学分离的局面。通过课内、课外、线上、线下四个维度的信息化技术赋能，以电路原理课程为例，实现建筑电气课程技术与专业教育的深度融合，实现高质量教育、高效率学习、多样化训练、具体化评价，最终达到电路原理课程教育改革中教师精准化教学和学生学习能力提升的教学目标。

关键词： 主动功率解耦   二倍工频纹波   优化设计   非线性电容  

摘要： 为应对全球环境和气候变化,可再生能源已经得到了世界各国的广泛关注和应用。太阳能以其便捷性、低成本、无污染等优点在全球范围内得到了广泛应用,以模块化光伏为代表的分布式光伏系统具有灵活、鲁棒性高等优点,在光伏系统中有广阔的发展前景。 光伏逆变器是光伏发电系统中的关键设备。目前光伏逆变器常采用前级DC/DC级联并网逆变器的两级结构,中间为直流母线。由于逆变器并网瞬时功率与光伏板输出直流功率存在不匹配的问题,存在二倍工频的功率扰动,并对光伏板的最大功率跟踪(MPPT)和光伏板寿命产生不利影响。传统的并联电解电容的解决办法普遍存在体积大、电容寿命短等问题,制约着装置整体可靠性。如何有效抑制二倍工频的功率扰动、提升系统功率密度和可靠性,仍需要进一步研究。因此,本文针对这一问题,对主动功率解耦技术及其优化设计开展研究。 本文首先分析了主动功率解耦电路的工作原理,对主动解耦电路的交直流解耦方式所需的电容量进行了分析比较,说明了各自的优劣。以解耦电路的效率和功率密度为主要优选指标,对开关器件、电容、电感三种基本元件进行建模并进行分析比较。在器件损耗方面,建立了以半桥基本结构和器件品质因数(NFo M)统一损耗模型,通过硅功率器件的品质因数的规律,避免了枚举器件带来的重复计算。从电解电容和陶瓷电容的特性出发,分别建立了电容的通流能力-功率密度数学模型,结合不同工况下两种电容体积的最小值,为选择解耦电容提供了依据。通过对电感器件的大量调研以及原理分析,给出了电感的感量与体积、导通电阻的关系,为电感的优选和评估提供依据。基于上述模型,以解耦电容的电压极性和与母线电压的关系为维度,比较了直流型和交流型、升压型和降压型、并联型和串联型拓扑在体积和损耗方面的优劣,以此为依据确定了并联在直流母线上的降压型拓扑为主动功率解耦电路结构。 根据应用需求,基于预期的损耗限制,以飞跨电容多电平(FCML)电路为优选拓扑,确定了电路的优选电平数以及最大开关频率,设计了电路参数及器件选择。设计了主动功率解耦电路控制策略,包括解耦电容直流偏置控制环节、二倍工频分量消除以及飞跨电容主动均压环路。针对飞跨电容潜在的不均压问题,设计了一种主动均压环路。针对FCML拓扑中陶瓷电容非线性引起的电流畸变问题,在分析电流频谱特征的基础上,提出了一种特定谐波消除控制策略,改善了电容非线性特性带来的新谐波污染的问题。最后,论文设计并搭建了200W飞跨电容三电平功率解耦电路样机,,进行了仿真和实验验证,实验结果验证了参数设计、控制策略的有效性。