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关键词： 读出电路   数字像素   像素级模数转换器   脉冲频率调制   红外焦平面  

摘要： 随着红外探测技术的高速发展,对高性能红外成像系统的需求日益增加。作为红外图像传感器中的重要组成模块,像素阵列的性能决定了成像质量。红外像素主要分为:模拟像素和数字像素。相比于模拟像素,数字像素由于在最短路径完成了模数转换,因此具有低噪声、抗干扰能力强等优势。同时由于在像素内直接进行模数转换,数字像素还可以满足红外图像传感器的高帧频需求,因此成为了近些年的研究热点。 首先,本文立足于红外图像传感器的高性能需求,采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,PFM）模式,设计了一款具备高帧频、高动态范围以及高拟合优度的数字像素。针对传统PFM模式在光电流过大时拟合优度下降的问题,提出了一种带有电流补偿功能的数字像素结构,该结构能够有效改善大光电流条件下的拟合优度表现。 其次,针对像素阵列中每个像素所接收光强存在的差异性,本文在像素内部集成了预积分电路,用于精确判断各像素所感受到的光强。基于预积分电路的检测结果,像素能够自适应地开启或关闭电流补偿机制,从而实现对不同光强条件下的有效响应,进而提升红外图像传感器的动态范围和成像质量。 进一步,本文对像素外围电路进行了设计,旨在确保数字像素的稳定曝光与数据的精准读出。该外部电路系统主要由三部分构成:一是高精度的电流补偿电路,通过精确补偿电流,提高数字像素精度;二是偏置电路,负责为像素提供稳定的工作电压,确保像素在各种工作条件下均能稳定、可靠地运行;三是行列驱动电路,负责控制像素阵列的扫描与读取过程,实现数据的快速、准确获取。 最后,基于Cadence设计平台和0.18μm CMOS工艺完成了整体电路设计,通过仿真工具验证了所提出的新型像素的可行性。采用3.3/1.8V的供电电压,新型数字像素的动态范围为89.55d B,探测最大光电流为4μA,模数转换位数为12位,满阱容量为2.303×10～9e-,像素阵列规模为64×64,帧频为2K,探测范围内拟合优度高达99.69%。在1P6M的工艺下完成新型数字像素的版图设计,像元面积为50μm×50μm。

关键词： GaN   Ka波段   射频前端   单片微波集成电路   5G  

摘要： 作为5G的拓展频段,毫米波以其丰富的频谱资源和发展优势受到全球广泛关注,中国已将其中Ka波段(26.5～40 GHz)作为了5G毫米波的试验频段进行研究。射频前端电路是无线通信收发系统的核心,其性能直接影响整个通信系统的质量。相较于传统CMOS和SOI工艺,第三代宽禁带化合物半导体氮化镓以其高频率、高功率和高效率等优良特性,在毫米波射频前端电路具有更强大的竞争优势。因此,本文基于GaN HEMT工艺,致力于设计和实现高性能的射频前端电路。 本文首先对国内外射频前端研究现状进行调研,并进一步探讨了Ka波段的射频开关、低噪声放大器及功率放大器的最新研究进展;随后,文章详细介绍了GaN工艺及其相关模型,并对射频基本理论进行了系统阐述,为后续的电路设计实践提供了坚实的理论基础。在此基础上,本文完成了一款针对Ka波段的射频前端MMIC的射频开关和低噪声放大器的设计,以及一款Ka波段高功率功率放大器MMIC。具体工作如下: 基于0.1μm GaN工艺,本文设计了一款Ka波段射频前端MMIC中接收链路的射频开关和低噪声放大器,工作频率覆盖26～39GHz。在毫米波频段,考虑到高频条件下器件的寄生效应更加显著,射频开关采用四分之波长阻抗匹配变换架构,设计了一款三支节的并联晶体管单刀双掷射频开关,实现了在26～39GHz工作频率范围内,射频开关的插入损耗小于1.3d B,隔离度大于31d B。在宽带低噪声放大器设计中,我们提出采用了三级共源放大结构,并在第三级放大器添加并联RLC负反馈结构,并推导计算了阻抗及增益,改善电路带宽和增益平坦度。输入匹配网络对传统T型匹配结构做进一步优化,提出了5阶匹配网络,优化插入损耗和反射系数,从而扩展了匹配带宽。在26～39GHz频率范围内,噪声系数小于2.3d B,增益大于20.5d B,增益平坦度±0.3d B,回波损耗大于14d B。 基于0.15μm GaN工艺,本文设计了一款Ka波段的高功率功率放大器MMIC,工作频率为27～31GHz。为实现高功率放大输出,输出级采用8胞并联输出结构。整体电路采用三级驱动放大结构,通过电抗匹配级联,并将匹配结构嵌入到功率分配或功率合成电路当中。在输出匹配网络的设计上,提出了偏置电路采用馈电后置,在匹配网络的输入端并联LC谐振网络的结构,利用LC串联谐振参与匹配,并推导出来匹配网络的传输矩阵以及阻抗,优化匹配性能。电路整体结构严格对称,保证端口的一致性。电路仿真结果显示,功率增益大于21.9d B,输出功率大于43d Bm,功率附加效率大于30%。

关键词： GaN肖特基势垒二极管   三倍频   单片集成电路   太赫兹   梁式引线  

摘要： 通过设计不同掺杂浓度和厚度的GaN低掺杂外延层，制造了两款SiC基GaN肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode,SBD）。结果显示在低掺杂层厚度为80 nm，掺杂浓度为8×1017cm-3条件下制备的GaN SBD截止频率高达1.2 THz。基于该SBD管芯制备了平衡式三倍频单片集成电路，室温下三倍频电路在305～330 GHz频段内连续波饱和输出功率大于10 mW，带内最大输出功率达25 mW，最高倍频效率达到3.3%。

关键词： 神经形态   光电突触晶体管   视觉识别   电路仿真  

摘要： 在现在的时代背景下,是否能找到一种跳脱出传统冯诺依曼架构的方法,成为了大数据、人工智能等技术领域发展的关键因素。受到人脑的启发,发展具备突触特性的人工突触器件是必要的。凭借多端口、制备工艺成熟、集成度高等优点,有机突触光电晶体管（Organic Synaptic Photo-Transistor,OSPT）从众多类型的突触器件中脱颖而出。然而,由于传统的突触晶体管对突触特性的调控大多使用电调控,在进行视觉识别时常常需要再加上光电转换的模块,加重了系统的复杂度并提高了功耗。基于现存问题,采用具有光敏特性的并五苯半导体材料作为器件的沟道层,构建可由光电信号协同调控的突触晶体管器件,证实其具备光记忆的视觉识别功能。本论文主要研究内容及工作如下: 1.构建基于有机光敏半导体材料并五苯作为沟道层的突触晶体管,研究不同载流子捕获层对突触晶体管性能的影响。通过选择两种有机材料聚苯乙烯（PS）、聚甲酸丙烯酸甲酯（PMMA）分别作为器件载流子捕获层,研究结果表明:PS作为载流子捕获层的突触晶体管器件,其阈值电压为-21 V、载流子迁移率为0.4470cm2/Vs、开关比为5.6×10～5;PMMA作为载流子捕获层,其上述三项电性能参数分别为-25 V、0.3502 cm2/Vs和3.74×10～5。对比这两种材料接触角,结果发现PS相较于PMMA具有更好的疏水性,表示PS具有更低的表面能。利于并五苯在结晶过程中形成小而致密的晶粒,最终能够提升器件性能。进一步地,对两种突触晶体管的单脉冲突触后电流进行测试对比,选择以PS作为器件的载流子捕获层进行视觉识别研究。研究结果表明:器件在受到与人眼类似的激励时,能够表现出与人眼光记忆特性十分相似的响应结果。基于这种光记忆效应,实现视觉识别功能。 2.基于上述OSPT的非线性叠加效应,搭建一种光电“储存池”（Photoelectronic Reservoir Computing,PERC）系统,降低OSPT的数量及复杂度。PERC系统包括储存层与读出层两部分,其中储存层用于储备不同的输入时序信息,由制备的OSPT组成。读出层用于将不同的储存态读出,该功能由模拟电路实现。利用时序特征的光电脉冲进行刺激,储存层将输入的光电信息以电导态的形式进行储备,通过读出层电路对储存池状态进行读取以实现视觉识别功能。读出层部分主要由电流转电压模块和模数转换模块组成,为了规避储存层输出端电压变化引起的储存态偏差,使用运算放大器对输出端进行钳位。

关键词： SOH估计   锂离子电池   等效电路模型   补丁学习  

摘要： 为达到“碳中和”和“碳达峰”的目标,电动汽车成为目前汽车行业的主要发展方向。锂离子电池作为电动汽车最常用的能量供给设备,随着长期过程中外部环境的变化以及内部化学反应的发生,其性能会逐渐变差,从而导致电动汽车无法满足用户的使用需要。为了保证电动汽车行驶过程中不会因为电池性能的下降发生安全事故,电池管理系统(Battery Management System,BMS)必不可少。BMS通过监测锂离子电池的状态变化来提高锂离子电池的安全性并延长其使用寿命。电池健康状态(State of Health,SOH)是BMS的重要监测信息,准确估计SOH能够实现对锂离子电池老化程度的实时跟踪,为驾驶员提供可靠的电池老化信息。本文提出了一种基于等效电路模型特征与补丁学习理论的锂离子电池SOH估计方法,主要研究工作如下所示: (1)选择A、B两组不同型号的三元锂离子电池进行不同工况下的老化实验,在A组电池上进行了容量标定测试、HPPC测试和电池老化循环测试,在B组电池上进行了容量标定测试、HPPC测试和不同充电方式的电池老化循环测试。 (2)针对不同充放电过程分别建立了相应的等效电路模型,使用灰狼优化算法(Grey Wolf Optimization,GWO)基于过程中的阶段性代表区间数据进行模型参数辨识,计算各个参数与电池SOH的相关系数,选取相关性高的参数作为估计SOH的参数特征。 (3)基于补丁学习理论提出了一种SOH估计方法,首先根据算法模型的特点选择全局模型和补丁模型,使用全局模型对全老化过程进行训练,从训练结果中搜索出连续且误差较大的点,将其组合为补丁区域并使用补丁模型进行训练,建立补丁模型,最终得到一个由全局模型与补丁模型组成的PL-Model。 (4)使用A、B两组电池验证了提出方法的有效性,并对所提取的参数特征和测量特征分别进行了验证。 本文的创新之处如下所示: (1)本文基于电池放电过程、CC充电过程和CV充电过程的特性分别建立了二阶RC等效电路模型、一阶RC等效电路模型和改进二阶RC等效电路模型,更准确的描述电池的充放电特性变化。 (2)基于补丁学习理论提出了一种SOH估计方法,先使用全局模型对全老化过程进行训练,从训练结果中搜索出连续且误差较大的点,将其组合为补丁区域并使用补丁模型进行训练,最终得到一个由全局模型与补丁模型组成的PL-Model。

ISBN: (纸本)9787118132656

关键词： RISC-V指令集扩展   存算一体   蜂鸟E203   高效访存   NMS算法  

摘要： 图像识别技术的端侧部署应用是一直以来的研究热门,存算一体电路的出现与发展为神经网络模型的部署及推理实现提供了新的方案。在该实现方案中,基于传统RISC-V(Reduced Instruction Set Computer V)指令集架构的MCU(Micro Control Unit)在面对权重数据部署、特征图数据输入、层级间数据缓存与精度转换等数据流控制需求时,存在效率低、灵活性差、功耗高等弊端。并且,由于基本RISC-V指令运算功能的单一性,在某些外围算法的硬件实现上也存在一定的性能缺陷。针对上述问题,本文从底层的指令集架构入手设计了一款面向FLASH存算一体电路的专用MCU。具体内容如下: 首先,分析了MCU在存算一体电路中的应用需求及RISC-V指令集架构的基本编码格式,并从提高效率、提高灵活性与优化算法硬件实现的角度入手,基于RISC-V展开了第三方专用领域的指令扩展研究,并最终设计了高效访存指令、卷积复合运算指令与NMS(Non-Maximum Suppression)复合运算指令。其次,为评估扩展指令设计的合理性同时为扩展指令提供编译支持,学习并搭建了RISC-V官方的编译与仿真环境,并在此基础上展开了对编译链与仿真环境的扩展研究,实现了对扩展指令的编译识别以及执行模拟。最后,基于现有开源的蜂鸟E203内核扩展硬件结构以实现对扩展指令的硬件支持。分别基于两套扩展方案实现扩展指令的执行逻辑设计,基于E203特有的指令扩展接口以协处理器的方式实现NMS算法指令的执行逻辑设计。通过剥离E203主核中基本指令的译码与执行逻辑,添加了扩展指令的相关逻辑,在确保不影响原有功能基础上,实现对高效访存指令与卷积复合运算指令的硬件支持。 为全面评估扩展E203内核的性能,本文设计了两段相同功能的软件负载,分别基于扩展指令编译实现和基本指令编译实现,并基于VCS仿真环境完成执行仿真。运行结果表明:在单组数据的NMS算法处理时,相较于基本E203内核,扩展E203内核实现了36.5%的指令缩减、55.2%的运行周期数缩减。在面对大体量的数据搬运需求时,扩展E203内核实现了访存位宽、访存数量、访存方式的灵活可配,在单次8Byte连续访存时,实现了65.2%的指令数缩减与66.1%的周期数缩减。并随访存数量的增加,占比越高,性能越优越。因而,在面对大批量数据搬运调度及算法加速需求时,该MCU具有良好的实用性。最后基于VU13P的开发板完成单MCU模块的原型验证,并结合串口调试助手,验证了扩展指令基于硬件执行效果。在此基础上,完成FLASH存算一体电路的系统集成及上板,实现了对输入特征图数据的分类识别。