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关键词： 全桥逆变电路   LISN网络   双电流探头法   EMI滤波器  

摘要： 随着电力电子技术的飞速发展,开关电源作为一种典型的电力电子设备在各行各业都有广泛的应用,而作为其代表之一的桥式逆变电路,在电源管理、电机调速、不间断电源、变频器与无线充电等领域都发挥着重要作用。但作为开关电源,其开关器件高频的导通关断造成电流电压的快速变化,从而产生广谱的高频噪声。 面向桥式逆变电路传导电磁干扰(Electro Magnetic Interference,EMI)的测试与优化,本文以一款Si C MOSFET单相全桥逆变电路系统为研究对象,从其传导EMI噪声测试与对传导EMI的抑制两个方面开展工作。论文主要工作总结如下: (1)传导EMI噪声测量。基于电力系统中电磁兼容测试需求,制作线路阻抗稳定网络(Line Impedance Stabilizing Network,LISN)以测量传导干扰,完成LISN网络验证,并测量计算得到被测设备的共模(Common Mode,CM)、差模(Differential mode,DM)噪声在传导发射测试频段内的分布情况,并进一步与EN 55032 CLASS A标准进行比较,获得满足标准限制所需的滤波器损耗。 (2)噪声源阻抗测量。基于双电流探头法测阻抗原理测量被测设备噪声源阻抗,分别制作了注入探头、接收探头,并进行了验证;设计并验证了应用于全桥逆变电路噪声源阻抗测量的双探头模块,并完成对全桥逆变电路噪声源阻抗的测量,通过电路等效模型完成参数拟定。 (3)EMI滤波器设计。根据测量数据,设计了应用于被测设备的EMI滤波器,完成滤波器拓扑选择、插入损耗计算与器件选择等工作,较好地实现将被测设备传导噪声抑制到满足传导干扰标准的目标。 基于本文的研究方法,实现了对所测全桥逆变电路的传导EMI噪声与噪声源阻抗的测量,并根据测量数据完成EMI滤波的设计与验证,使满足电磁兼容性要求。

关键词： 忆阻器   神经形态视觉系统   联想记忆   神经形态电路   类脑智能  

摘要： 忆阻器凭借其存算一体、高密度集成、低功耗运行、可编程性以及高响应比等显著优势,在电路设计领域中展现出广阔的应用前景,包括边缘计算、仿生传感系统和神经形态电路等。然而,由于忆阻器存在制备工艺复杂、制备成本高和不稳定性等缺点,其无法大规模展开应用。因此建立一个符合忆阻器物理特性的模型对推动忆阻器的器件制备和工程应用是至关重要的。忆阻器建模是基于物理忆阻器的内部原理完成对器件的模拟。目前,研究人员已经针对忆阻器建模展开了大量研究,但该领域仍然面临一些理论上的挑战和技术上的瓶颈。一个优秀的忆阻器模型需要满足以下三个条件:首先,它具备实际的物理意义,能够反映忆阻器的工作原理和物理特性;其次,模型需要具备相对简洁的数学公式以提高计算效率和仿真速度,便于理论分析和实际应用;最后,该模型需要能够准确模拟器件的电气特性,以确保其在电路设计中的可靠性和有效性。从以上三个方面着手,本文基于物理忆阻器的内部原理完成对忆阻器的建模,并结合忆阻器特点展开应用研究,主要研究内容如下: （1）本文对Ag/Hf Ox/FeOx/Pt忆阻器进行了详细的电化学分析和内部原理分析,基于陷阱能级（Frenkel-Poole,F-P）隧穿机制建立其对应的数学模型和PSPICE电路模型,并通过仿真实验完成模型有效性的验证。该模型以高达99.72%的精度完成对物理忆阻器的模拟,具备高开关比、耐久性、高精度和突触可塑性等优势,能够模拟人类大脑突触,为实物忆阻器与神经形态电路的深度融合开辟了一条新路径。随后,利用Ag/Hf Ox/FeOx/Pt忆阻器的相关优势,基于Ag/Hf Ox/FeOx/Pt忆阻器模型设计了一个具备学习、泛化、一次分化、二次分化和遗忘功能的巴普洛夫联想记忆电路,在PSPICE软件中进行了仿真验证和分析。相比于基本的巴普洛夫联想记忆电路,该电路结构不仅简单,更能准确模拟生物大脑的学习、记忆和遗忘行为,并为开发更智能的机器人和构建类脑智能系统提供新的思路。 （2）本文对Ag/石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots,GQDs）/Ti Ox/掺杂氟的二氧化锡（F-doped Sn O2,FTO）忆阻器的物理特性进行了分析,探索了相关动力学原理,基于内部原理提出了一种面向神经形态视觉系统的负光电导（Negative Photoconductance,NPC）效应与电阻切换（Resistive Switching,RS）记忆行为共存的忆阻器模型。该模型简单、准确和高效,能够以99.82%的拟合精度反映物理忆阻器的光照和黑暗状态,为进一步探索Ag/GQDs/Ti Ox/FTO忆阻器在人工视觉系统中的应用提供了基础。考虑到Ag/GQDs/Ti Ox/FTO忆阻器NPC效应与RS记忆行为的共存现象,基于建立的忆阻器模型设计了一个感存算一体化视觉电路。实验结果表明它具备感知光信号、存储信号和处理信号的功能,可以有效简化目前人工视觉系统的电路结构,为智能监控系统、自动驾驶辅助系统等边缘视觉计算工程应用提供了参考。

关键词： 隧道二极管   反向散射   RFID   谐波  

摘要： 随着物联网技术的发展,射频识别(RFID)标签在环境监测、智慧城市、智慧农业等领域得到广泛应用。无源RFID标签虽然具有低成本、低电路复杂度的特性,但由于往返链路损耗,系统的通信范围受限。同时,传统RFID系统基于单基地配置状态,其收发链路使用相同频率,易造成系统自干扰等问题。本文基于隧道二极管研究超高增益双向标签以改善通信距离受限的问题,并提出基于隧道二极管的双频双向中继器标签以改善收发同频带来的干扰。 针对现有RFID标签因链路损耗、功率限制等原因造成的通信距离受限的问题,提出一种基于隧道二极管的超高增益双向标签,此标签基于隧道二极管的负阻特性实现反向散射放大,并与NPN三极管进行级联实现超高的前向增益。电路原型测量结果表明,在-50 d Bm的输入功率下,可以分别实现30.91 d B和58.78 d B的反射增益与传输增益,并在-80 d Bm～-20 d Bm的宽动态范围内反向输出-19 d Bm、前向输出9 d Bm的功率,实现最高达61 d B的反射增益以及89 d B的传输增益。并根据双基地配置方式,测试了所设计的标签在7 m处的前向与反向通信能力,证明了所提出的标签对于通信距离的拓展。 针对现有RFID标签收发同频带来的自干扰的问题,基于超高增益双向标签与变容二极管,提出了一种可以同时实现基频反向散射放大与前向二次谐波生成的标签。同时针对高增益设计时因多级级联导致功耗较高的问题,提出了基于隧道二极管的双频双向中继器标签。中继器标签提供了两个频率下的四种工作模式即谐波生成模式、基频反射模式、基频生成模式、谐波反射模式。在低至-50 d Bm的输入功率时,中继器标签不仅可以实现基频反向散射与二次谐波频率的生成,并通过转换增益改善传统谐波RFID标签中因频率转换引起的损耗问题,而且可在实现二次谐波的反向散射与基频的正向传输时保持双向增益。所提出的中继器标签分别在谐波、基频生成模式中具有31.89 d B和34.88 d B的转换增益;同时对于反向散射模式,在基频与谐波处分别获得33.77 d B和26.99 d B的反射增益。所设计的中继器标签同时具有无线通信能力,以搭载温度传感信息为例,可以在最远14.1 m处实现无线通信,证明了此标签对于通信距离的拓展以及对自干扰问题的改善。 本文基于隧道二极管设计了超高增益双向标签与双频双向中继器标签,可在低功耗场景实现远距离信息传输,具有广阔的应用前景。

关键词： 跨学科融合   闭合电路   导数   高中物理  

摘要： 文章选取高中物理中常见常考却又较为复杂的四类电路模型,用导数的方法判定其总电阻值随滑动变阻器阻值变化而发生变化的关系。通过运用跨学科理念,用数学中导数的方法将原来的定性判定转化为定量判定,与实际教学中教师常用的特殊值法相比,更容易使学生信服。同时,用信息技术将这种变化可视化,可以使学生站在更高的维度审视物理问题,提高思维层次。通过整合学科资源,跨学科解决问题,既能拓宽学生的眼界,促使其掌握新的学习方法,又能培养学生的学习兴趣。

摘要： 近年来，以SiC、GaN、金刚石、Ga2O3为代表的宽禁带半导体在功率、射频器件方面展示出重要的研究价值，并在5G通信、汽车电子、快速充电等方面展现出了广阔的应用前景。抓住研发宽禁带功率半导体的战略机遇期，解决宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成中的关键技术瓶颈，具有极为重要的科学意义与实际价值。为进一步促进宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成等领域的新理论、新技术、新方法的创新研究，促进全国宽禁带半导体行业的相互交流、学习借鉴，《太赫兹科学与电子信息学报》计划推出“宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成“专题栏目，现特向广大专家学者征集符合该专题方向的原创性研究论文及综述，旨在集中反映该领域最新的研究成果及研究进展。

关键词： 蔡氏电路   集成混沌电路   有源电感   压控振荡器  

摘要： 混沌系统是一个对初值非常敏感的动力学系统,有明确的描述方程却无法预测未来的运动,近年来在电子信息和密码通信等领域广泛应用,设计混沌电路使其产生复杂的动力学行为是当前的研究热点。本课题以蔡氏混沌电路为基础,提出以压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)为基础的混沌集成电路,实现混沌电路的集成化,对比分立器件搭建的混沌电路、部分集成的混沌电路以及现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Arrays,FPGA)实现的混沌电路,提高电路的稳定性、可靠性、频率和降低功耗等,满足当前对微型化和低功耗等性能方面的要求。 本课题提出的混沌集成电路利用压控振荡器和电流叠加式二极管电桥的伏安特性,解决分立元件搭建的蔡氏混沌电路性能局限的问题,成功地提升了混沌集成电路的整体性能,为混沌集成电路的拓展和优化提供了新的实现思路和改进途径。本课题主要工作和创新如下: (1)提出采用有源电感的环形压控振荡器及LC压控振荡器,以此为基础构建集成混沌系统。采用有源电感的设计,替代蔡氏混沌电路中的电感器件,保证蔡氏混沌系统的集成完整度,提升了混沌信号的频率、可靠性和稳定性,同时大大地降低了混沌集成电路的集成难度和集成成本。 (2)对非线性电阻实现电路的创新,提出电流叠加式二极管电桥非线性电阻电路。采用二极管电桥结构,可以降低电路对电源的要求和结构复杂性,且能减少有源器件(运算放大器等)对频率带宽的影响,同时提高电路的稳定性、带宽、品质因数(Figure of Merit,FOM)等性能。 (3)提出基于VCO的混沌集成电路。采用有源电感VCO为混沌电路提供振荡频率,保证蔡氏混沌系统的完整度;基于电流叠加式二极管电桥非线性电阻电路,保证混沌集成电路中吸引子的复杂度。 本课题采用中芯国际(SMIC)180nm CMOS工艺进行电路设计与实现,成功地设计出基于VCO的混沌集成电路,相对于分立器件搭建的混沌电路,体积更小,功耗更低,性能更优;相对于部分集成的混沌电路,频率更高,稳定性更好,功耗和体积更小;相对于可编程逻辑芯片实现的混沌电路,频率更高,体积更小,成本更低。本课题基于VCO的混沌集成电路,成功实现混沌电路在集成半导体芯片上更高性能的集成化。

关键词： 存算一体   并串转换   LVDS   驱动器   接收器  

摘要： 相较于传统冯诺依曼架构,存算一体（Compute-in-Memory,CIM）芯片架构能够更高效地处理各类神经网络算法,在自然语言处理和图像识别这类需要处理大规模数据的领域有着显著的优势。这类架构通过存算单元阵列搭配相关外围模拟和数字电路以实现完整芯片功能。在一些大规模存算一体芯片中使用较为复杂的以太网（Ethernet）或者外围组件快速互连（Peripheral Component Interconnect Express,PCIe）接口传输数据,但这两者结构复杂且授权昂贵。本文的存算一体芯片中卷积输出层的数据量相对较小,但对传输电路的面积和功耗要求较高,综合对比各种接口电路,采用功耗低、速率快且抗干扰的低压差分信号（Low Voltage Differential Signaling,LVDS）接口电路来实现数据传输,并重点关注功耗、面积和电路稳定性。论文的主要研究内容归纳如下: （1）针对存算芯片中读出电路模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）量化出来的64×8位数据的传输需求,若直接并行传输将消耗大量功耗且占用大量面积。本文将数据分为四组,每一组128转1并串转换电路采用树形结构。为降低电路面积和功耗,采用了时钟反相器结构组成基本的2转1并串转换单元。但传统时钟反相器结构存在浮空节点,在传统结构上增补了一个时钟反相器和普通反相器消除了浮空节点,进一步增强了稳定性。通过2转1并串转换单元、8转1并串转换单元和64转1并串转换电路的组合,完成了128转1并串转换电路的定制化设计。 （2）针对LVDS驱动器中电源电压从3.3 V降低到2.5 V导致差模电压不稳定的问题,本文设计了差模电压反馈调节电路,再加上共模反馈调节电路,组成双负反馈回路能同时保证共模和差模电压的稳定性,即使在低电源电压各个工艺角下仍能保持较好的眼图质量。相比于传统的LVDS驱动器只需单个1.25 V的参考电压,多引入的差模电压反馈回路需要增加1.075 V的参考电压,带隙基准采用电流模结构以提供多个参考电压。针对单端转差分电路传统传输门结构差分信号难以对齐的问题,本文设计了交叉耦合的单端转差分电路实现了差分信号的强制对齐。 （3）针对LVDS接收器输入级的普通放大器在宽电压输入范围无法工作的问题,本文设计了基于1:3电流镜技术的轨对轨折叠式放大器,输入级实现了在0.25 V～2.25 V的电压输入下跨导基本恒定。为增强接收器抗干扰能力,第二级比较器通过增添内部正反馈回路实现了25 mV的迟滞电压以消除信号波动的干扰。第三级整形缓冲电路中采用施密特触发器调整输出信号以符合设计需求。 （4）本文的电路均采用65 nm标准CMOS工艺设计,完成了128转1并串转换电路、LVDS驱动器和LVDS接收器的版图设计。并串转换电路的版图面积为154×118μm2,后仿功耗为344.16μW;LVDS驱动器的版图面积为176×115μm2,后仿功耗为9.65 m W,差模电压为327 mV,抖动为46.88 ps,共模电压为1.246 V,数据输出速率1Gbps;LVDS接收器的版图面积为133×86μm2,后仿功耗为1.825 m W,共模输入电压为0.25 V～2.25 V,差模输入电压为200 mV～800 mV,信号输入速率为500 Mbps。