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关键词： 印制电路板   压电作动配置优化   压电分流阻尼   振动主动控制  

摘要： 印制电路板(PCB)是机载电子设备中重要的组成部分,它承载着电信号的传输、采集、转换以及控制功能,其可靠性是评价机载电子设备安全和性能的关键指标。然而,随着系统功能不断地扩展和性能的提升,电子设备逐渐向小型化、高度集成化方向发展,这种趋势导致PCB上集成的电子元器件规模大幅增加,同时单个元件的尺寸也在逐渐减小,这无疑增加了PCB力学行为的复杂性。此外,在对PCB这类结构进行振动控制领域,压电元件因其具有高灵敏度、宽频响应、精确控制以及快速响应等特点而被广泛采用。鉴于以上原因,本文以机载PCB为基本结构,利用压电元件的传感与作动特性对PCB的振动控制方法进行研究。 研究了PCB等效建模方法。对于PCB基板,按照层合板理论建立了其等效质量和等效刚度模型;对于板载元器件,在简化焊点以及针脚弹性刚度的情况下,利用哈密顿原理和Ritz方法进行了详细建模;对于PCB的边界约束问题,改进了传统的Fourier-Ritz方法,即将位移函数表示成了标准的余弦级数与周期多项式函数和的形式,避免了传统方法所计算的PCB位移函数及其导数在边界处可能存在不连续或者不可导的情形。利用改进的Fourier-Ritz方法分析了含有一组对边简支,另外一组任意弹性约束的PCB自由振动情况,并给出了不同边界条件的设定方法。分析了不同边界条件、不同集中质量下的PCB动力学模型,并利用固有频率测试的方法验证了理论计算与分析的准确性。 研究了PCB振动控制中压电元件特性及配置优化方法。利用PCB的闭式解详细推导了PCB振动控制方程和传感器感应电压方程,并利用有限元仿真软件Comsol进行了验证与分析。对优化压电元件最佳位置的智能算法进行了改进与仿真分析,仿真结果表明改进的智能算法提高了全局搜索能力和局部开采精度。提出了一种新的压电传感器与作动器位置配置优化方法,采用该方法获得的配置能够使输入到系统的控制能量尽可能多地驱动需要控制的本征模而避免驱动剩余本征模。采用线性矩阵不等式控制器对所优化的位置进行了振动控制仿真与分析,结果表明所优化的配置较随机配置更能有效地抑制PCB振动。 针对PCB可用空间不足的情况,研究了利用压电分流阻尼技术对PCB振动被动控制方法。提出了一种新的压电分流阻尼电路上元器件参数优化方法,采用该方法优化了电阻与电感串联、并联以及电阻与负电容串联分流阻尼电路元器件参数。详细推导了外部激励与PCB位移以及感应电压之间的响应关系,得到了复合系统的耦合动力学模型以及传递函数模型。通过PCB振动控制实验验证了采用压电分流阻尼技术抑制PCB振动的可行性以及电路元器件参数选择的有效性,并对不同参数、不同阻尼以及不同激励作用下的PCB位移响应进行了分析,结果表明,在窄带振动抑制方面,RL并联电路是最有效的被动减振电路,而在宽带振动抑制方面,电阻与负电容串联电路则是一种实施简单且更为有效的减振方案。 针对PCB可用空间充足的情况,研究了PCB振动主动控制算法。利用改进的Prandtl-Ishlinskii(PI)模型及其逆模型对压电作动器的迟滞非线性进行了建模和补偿。提出了一种新的权重自更新最小均方(WLMS)控制算法,该算法在PCB振动控制方面较现有方法具有更快的迭代收敛速度和更小的稳态误差。此外,根据WLMS控制算法和最优控制算法设计了控制PCB振动的混合控制算法,并通过PCB振动控制仿真与实验验证了该混合控制算法能够有效地抑制PCB振动。

关键词： GaN HEMT   BP神经网络   栅极开关振荡   大信号   驱动电路  

摘要： 氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）因其导通电阻和结电容更低、开关速度、效率以及功率密度更高的优势,逐渐成为新型宽禁带半导体器件之一。随着越来越多基于GaN HEMT的设计方案进入市场,其发展迅猛的集成技术带来了全功率片上系统的应用,其在集成度、性能、尺寸和成本等方面逐步展现优势,同时也带动了其晶圆制造量的不断增长。但由于GaN HEMT的高开关速度带来高dv/dt和di/dt而导致开关波形的尖峰和振荡,甚至当栅源电压VGS的波动偏离安全范围时还会产生开关管的误导通现象,这使得GaN HEMT的驱动电压范围很窄。若要准确掌握寄生参数对栅源电压波动的影响,需要建立准确的器件模型来辅助驱动电路设计和器件参数的选取。然而,目前的研究主要是基于工艺结构的物理模型,缺乏针对反映GaN HEMT寄生参数与动态开关特性的大信号建模和预测瞬态开关峰值的研究。因此,针对GaN HEMT建模仿真、算法预测,模型验证以及驱动设计对减小损耗和提升效率具有重要意义。 本论文重点对增强型（E-mode）GaN HEMT器件的应用开展研究和探索。在此基础上,先针对GaN HEMT的寄生参数与动态开关大信号等效电路模型进行研究,再通过设计GaN HEMT的驱动电路验证器件结构的可靠性和开关过程的稳定性,本论文的主要创新工作内容包括以下几个方面: 1.基于GaN HEMT二端口网络函数的大信号等效电路模型,提出了用于模拟增强型GaN HEMT开关过程的等效寄生电容模型。建立基于GaN HEMT开关振荡参数的大信号等效电路的反向传播神经网络（BPNN）并构建数据集。在MATLAB上对栅极开关参数VGSm,CGS和CGD的数量关系进行提取和拟合,并提取C-V模型中的特征参数值,得到可用于预测的函数表达式。并对该模型拟合下的栅源电压的预测结果进行验证和讨论,通过对拟合结果与输出结果的比较,验证了该模型的收敛性和准确性。与现有的大信号分析方法相比,该方法对开关过程中栅极-源极电压振荡的极值具有较小的预测误差和较高的可靠性。最后在SPICE仿真软件下对所提出的热模型进行开关瞬态仿真,表明该算法模型可准确拟合GaN HEMT开关过程的热性能参数,并用于验证器件在实际电路下的动态开关特性。 2.提出了一种抑制增强型GaN HEMT栅极正负串扰的无源钳位新型驱动电路来抑制栅源电压振荡。采用阻容二极管建立自举驱动回路,并增加二极管和三极管以构成从驱动IC到GaN器件的低阻抗米勒电流路径,以抑制正负串扰的影响。通过在LTspice仿真软件下模拟半桥电路导通和关断的电路模态,并通过基于GS61008P的双脉冲测试表明正向串扰从1.9 V下降至1.2 V,负向串扰从2.4 V下降至1.6 V,导通状态下dv/dt可从132 V/ns改变到24 V/ns,截止状态下dv/dt可以从76 V/ns改变为10 V/ns,满足EMI优化要求。并且在大电流条件下的器件开通和关断损耗均小于100μJ。验证了所提方法对抑制GaN器件正负串扰的有效性,最后将本文创新的驱动方式与传统方式进行振荡幅度,开关速度,开关损耗等性能对比,验证了该方式的优越性。

关键词： 元素测井   可控中子源   能谱采集   中子管驱动   中子产额稳定  

摘要： 中国是石油消耗大国,石油作为国家战略资源,在工业和生产领域起着十分重要的作用。可控源元素测井仪器在对中子管中子产额控制和复杂地层的多种元素探测分析领域中更具优势,是现阶段地层元素测井仪器的主流方向。该仪器支持对中子管中子发射及采集时序的制定,和对中子产额的调节及稳定控制。其具有较高的地层元素探测精度,应用前景广泛。可控源元素测井仪的井下硬件电路系统包括:负责捕捉伽马射线的探测器(由BGO晶体和PMT光电倍增管构成),负责仪器通讯、时序产生和能谱采集控制的主控短节,负责中子管驱动和产额控制的源控短节,以及电可控中子管等,它们共同组成了仪器的整体架构。 本文重点对仪器井下电路的关键技术进行理论研究和设计实现,主要包括:主控短节的能谱采集电路,源控短节负责中子管驱动的硬件电路,以及中子产额的稳定控制算法设计。首先分析了元素测井原理和仪器的整体结构,再阐述各短节的功能,制定中子爆发和能谱采集时序。在关键技术的研究过程中,分析了输入输出信号特点,讨论了现阶段的可行方案。利用公式推导、过程阐述和MATLAB绘图,对电路的实现原理进行了详细论述。最后给出了驱动控制流程,利用PSpice仿真软件,对所设计电路进行了充分验证。其中能谱采集电路的前放板,实现了对探测器输出信号的时间甄别和幅值调理,有效改善了拖尾和基线偏移现象。峰保电路实现了对输入信号峰值的准确检测,并且误差在±9.76 m V以内,给出了能谱堆积的避免方案;中子管的各驱动板中,灯丝驱动板实现了0-800 m A的电流控制,阳极脉冲驱动板实现了可调制输出2 k V高压脉冲,靶压驱动板实现了低功耗的直流逆变设计;对于中子产额稳定,先设计了基于自适应差额式的阳极电流控制算法,使得阳极电流在预期150 u A处保持±5 u A误差的动态稳定,再利用自反馈调节的方案实现靶压值的稳定。 通过对仪器整体井下电路系统的关键技术研究,对仪器能谱采集电路、中子管驱动电路和中子产额稳定控制进行了设计和实现。仪器最后在水罐和刻度井群实际打靶测试中,达到了预期10万数值的稳定中子产额,并且各元素能谱峰道址明显,与理论值间仅偏差±1道,实现了仪器的预期功能。

关键词： 超导量子比特   退相干   低温校准   低频噪声   氧化过程   热退火  

摘要： 近年来,超导量子比特作为实现量子计算机的主流方案之一发展迅速,国内外顶尖实验团队和科技公司纷纷在该领域展开大量研究。超导量子计算得益于在芯片设计、加工制备和测试封装等方面的独特优势,已在多个平台展示了量子优越性和纠错演示实验。但是量子比特的相干性受到来自环境和体系自身噪声的影响,限制了量子芯片的进一步扩展。如何抑制测控环境和制造工艺引入的噪声源,提高量子比特的相干性仍是超导量子计算的研究重点。围绕上述主题,本人博士阶段重点关注了超导量子电路中约瑟夫森结的低频1/f噪声。基于该噪声,本人系统性地研究了制造工艺对约瑟夫森结质量的影响,实现了高质量的约瑟夫森结,大幅地改善了量子比特的相干时间。最高的T1、T2*和T2e分别超过了 150 μs、70 μs和110 μs。本论文的主要研究内容和研究成果如下: 1.围绕超导量子比特测控环境的优化展开了研究。本文详细介绍了测控链路的方案设计和搭建方法,并从热噪声抑制、微波器件低温下抑噪性能表征、低温电磁辐射屏蔽、室温仪器输出噪声抑制等方面对测控系统进行了全方位的优化。 2.研究了低频噪声的测量原理和测量方法。本文实现了基于交流电桥的低频噪声测量电路的搭建,详细地标定了测量电路中各仪器的关键性能,并对该测量电路的各指标进行了校验和优化。文中提出了一套低频噪声测量方案,实现了单个约瑟夫森结的低频1/f噪声的快速、准确测量。 3.研究了氧化制程对势垒层质量的影响,本文提出利用约瑟夫森结的低频1/f噪声评价势垒层质量。通过表征不同氧化条件制造的约瑟夫森结的低频1/f噪声,本文发现弱氧化强度和动态氧化方法有利于形成质量更高、片内一致性更好的势垒层,可以大幅提升量子比特的相干性。 4.基于约瑟夫森结的低频1/f噪声,研究了热退火在调节约瑟夫森结电阻时对其质量的影响。实验结果表明,热退火有利于降低约瑟夫森结的低频1/f噪声,提升结的质量。本文也研究了热退火调控约瑟夫森结电阻的微观机制,提出并证实了热退火降低约瑟夫森结电阻的微观机制之一是:热退火过程中AI原子从金属层边界向氧化层的迁移。

关键词： 标准工艺   版图设计抗辐射加固   电路设计抗辐射加固   环栅器件   抗辐射加固LDO  

摘要： 无论是在宇宙环境还是在核应用环境中,因半导体辐射效应的存在,可能使器件和硅基集成电路出现性能退化,甚至损坏,从而造成整个系统的崩溃,导致灾难性的后果。国外在这方面的研究已有较多的积累,特别是在航天领域,推出了不少成熟的商用抗辐射加固芯片和模块。然而我国在相关领域核心技术的研究起步较晚,对比国外先进技术尚存一定的差距,因此,在加大对硅基器件和硅基集成电路抗辐射加固技术研究力度的同时,加强基于标准工艺的器件和电路的抗辐射加固研究,有利于加速国内抗辐射加固技术的形成和推广应用。掌握关键的抗辐射加固方法,打破国外的技术壁垒,对促进我国相关产业的发展具有重要意义。 本文在对国内外相关研究现状,特别是抗辐射加固方法和辐射效应测试的分析基础上,基于标准180nm双极-互补-双扩散金属氧化物半导体（Bipolar CMOS DMOS,BCD）工艺,从设计抗辐射加固的版图和电路两个层面,针对硅基器件和硅基集成电路,以环栅器件和LDO电路为研究对象,进行了包含多种环栅器件结构、环栅器件在集成电路中的应用、总剂量辐射检测和补偿等抗辐射加固的研究。论文主要工作及贡献如下: 1.对比了工艺抗辐射加固和设计抗辐射加固这两种方法,对在研发周期和成本等方面更具优势的设计抗辐射加固方法进行了深入研究。在版图设计抗辐射加固层面,总结了基于标准工艺的环栅器件抗辐射加固设计流程,建立了b字形NMOS、8字形NMOS、跑道形NLDMOS、回字形NLDMOS的环栅器件单元库,给出了模拟集成电路和数字集成电路的电路设计抗辐射加固的案例和方法,归纳了三种辐射效应的验证技术。 2.对b字形NMOS进行了总剂量效应的仿真,并对8字形NMOS的等效宽长比模型和寄生电容模型展开了深入研究,且进行了流片测试和辐射试验。试验结果显示在1Mrad（Si）下,8字形NMOS仍然具有良好的电学特性。针对在复杂辐射环境中的应用背景,还在低剂量率辐射环境下,验证了辐射前后,8字形NMOS中没有出现泄漏电流,且漏极电流也没有明显差异。 3.对跑道形NLDMOS的结构特点和电学特性进行了说明。针对更严苛的设计规则,提出了回字形NLDMOS的结构,对其展开了深入研究,并进行了流片测试和辐射试验。试验结果显示在1Mrad（Si）下,回字形NLDMOS仍然具有良好的电学特性。 4.针对在复杂辐射环境中的总剂量效应和位移损伤效应双重抗辐射加固的应用需求,分别以b字形NMOS和跑道形NLDMOS、8字形NMOS和回字形NLDMOS为基础,设计了一款全MOSFET架构LDO和一款LDO架构的基准电压源电路,并进行了流片测试和辐射试验。其中,全MOSFET架构LDO能够承受300krad（Si）的总剂量辐射和1.2×1012n/cm2的中子辐射,在输出电压分别为1.2V和5V的情况下,辐射前后的输出电压具有很好的稳定性。LDO架构的基准电压源能够承受400krad（Si）的总剂量辐射,5V的输出电压在辐射前后具有很好的稳定性。 5.以采用了压控振荡器的数字LDO为例,对其关键子电路——压控振荡器进行了电路设计抗辐射加固。提出了一种总剂量辐射检测电路和一种总剂量辐射补偿电路,并将其用于压控振荡器的抗辐射加固。结果显示在泄漏电流为1μA、10μA、100μA的仿真条件下,检测电路均能正常工作。在泄漏电流分别为10μA和1μA的仿真条件下,补偿电路和加固电路均能正常工作。

关键词： 随钻测井   伽马能谱采集   基线恢复   高速ADC采集  

摘要： 石油是国家经济发展的命脉,随着石油资源的消耗,复杂环境的油气储备占油气资源的比重越来越大,新的石油勘探技术显得尤为重要。随钻测井作为测井领域的一个分支,其在复杂井测量中优势明显,能节约大量钻机时间,降低工程风险。以可控中子源为激励源的随钻核测井技术绿色环保,对人体和环境危害极低,在测井技术发展中有着重要地位。 随钻可控源中子伽马密度测井仪利用可控源发出的中子与地层反应生成伽马射线,通过采集伽马射线绘制能谱,确定地层岩性和岩石密度。其中能谱采集是整套仪器的核心,能谱采集的精度决定了最终测井的准确性。本文以随钻可控源中子伽马密度采集电路设计为研究课题,根据采集电路的技术需求,从硬件和软件两个方面实现能谱的精确采集,以期辅助研制出性能优越的随钻测井仪,实现技术突破。 本文首先对随钻测井的发展做了介绍,根据目前国内随钻核测井技术的现状分析了课题研究的意义。然后根据采集电路的需求,将其划分为前级放大电路、整形电路、A/D信号采集电路等电路子模块,分析了各个电路子模块的功能需求;设计硬件电路并给出了元器件的选型思路。在信号整形处理电路中,设计了反馈式基线恢复电路,弥补了传统基线恢复电路在处理高频信号时失效的问题,有效解决了可控源高计数率脉冲引起的基线漂移。采用高速率ADC对脉冲全采样的方式完成信号采集,降低了采样过程中的量化误差。利用数学软件工具验证了高斯成形算法和梯形成形算法的优缺点,并最终采用高斯成形后脉冲积分值作为量化指标。 本文在最后对设计的随钻可控源中子伽马密度采集电路进行了单板验证,并分析了测试结果。测试结果表明,信号在通过基线恢复电路的后产生的最大基线漂移不超过1道;整个模拟通路的非线性误差不超过0.5%;采集电路对高压控制误差小于1%。本文设计的电路达到预期设计指标,电路工作正常,能够实现能谱精确采集。

摘要： 近年来，以Si C、Ga N、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。