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关键词： 无线体域网   生物医学   前置放大器   低通滤波器   OTA-C  

摘要： 无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)是一种新兴的无线通信网络技术,可穿戴人体生理信号的采集与检测是WBAN的重要应用场景之一,可实现对人体生理参数的实时动态监测和采集,并将数据传输到远程数据中心进行处理和分析。无线体域网与生物医学模拟前端集成电路关系密不可分,模拟前端集成电路用于采集人体各种微弱的生理信号,其性能对无线体域网系统有很大的影响。 然而,关于无线体域网的生物医学模拟前端电路的发展面临着许多难题和挑战:在WBAN应用中,由于可穿戴设备需装置工作在体内和人体附近,因此需要系统功耗极低以保证电池有足够的寿命,降低更换的周期和成本,同时需要模拟前端电路具有稳定的性能来保证通信系统连接的可靠性。而传统模拟前端电路在处理微弱的生物医学信号的时候表现出较差的噪声性能、较差的抗干扰能力;传统模拟前端电路往往通过牺牲功耗来达到想要的电路性能,而忽略了仪器长时间佩戴监测对于电路功耗以及面积的要求等。故为了解决传统模拟前端电路的问题以及提高系统处理信号的能力,本文对前置放大器和低通滤波器这两个关键模块进行了相关的研究。 针对前置放大器的噪声、共模抗干扰能力等性能的要求,本文对仪表放大器结构进行对比,最终采用了电流反馈型仪表放大器进行电路设计,并采用了以下技术进行优化:1、采用斩波稳定技术来降低低频时闪烁噪声1/f对电路的影响;2、由于传统斩波放大器忽略了斩波技术会在输出端产生较大的输出纹波导致电路工作异常,因此采用纹波抑制电路降低电路的输出纹波;3、反馈回路采用T型电容反馈结构代替传统结构来减小所需的电容值,从而降低面积。前置放大器在1.8V电源电压下工作,所消耗的功耗为70μW,电路的闭环增益为39.1 d B,共模抑制比CMRR为112.9 d B,输入等效噪声仅为104 n V/sqrt(Hz)(@100 Hz),即1.04μVrms(0.01-100 Hz)。 低通滤波器采用五阶巴特沃斯OTA-C滤波器,该滤波器用于滤除被放大之后信号的噪声以及干扰,因此要求构成滤波器的OTA具有较宽的线性范围和极低的跨导值。本文对几种低跨导OTA结构进行对比,为了解决传统OTA结构无法权衡宽线性与低跨导值之间的问题,提出了一种差分输入多输出共源共栅cascode OTA结构,该结构通过在电流分流支路接入负载可以产生额外的输出,能够有效利用电流分流产生的电流从而减小功率损耗。为了达到降低滤波器通带衰减的目的,输出级采用cascode结构增大OTA的输出阻抗,同时改进源极负反馈结构获得了更低的跨导和较好的线性范围。仿真结果表明,提出的滤波器的通带增益约为-6.02 d B。-3 d B频率为252 Hz;在50 Hz、100 m V的正弦输入电压下,该滤波器的总谐波失真(THD)约为-64.9 d B和功耗仅为11.4μW。 仿真结果以及级联仿真结果表明,前置放大器及低通滤波器的设计满足无线体域网系统应用。

关键词： 汽车电路   电工知识   汽车电工维修  

摘要： 随着汽车技术的快速发展,汽车电路系统作为现代汽车的重要组成部分,其复杂性与精密性日益增强。本文旨在通过电工学的角度,对汽车电路进行浅谈,分析其基本原理、构成特点以及常见故障的排查与修复。通过本文的探讨,期望能够提升读者对汽车电路系统的认识,为汽车电工维修人员提供理论支持和实践指导。

关键词： 窄线宽   恒流驱动   温度控制   光纤激光器  

摘要： 近年来窄线宽光纤激光器,因其线宽窄、强度噪声低、相干性好等特点,越来越多的领域使用窄线宽光纤激光器代替固体激光器和半导体激光器。在窄线宽激光器应用各个领域的同时,国内外研究人员都对其性能及功率提升做出了许多研究工作,主流的方案是采用主振荡功率放大器(MOPA)结构来实现窄线宽光纤激光器的功率提升,通过MOPA结构提升功率不会改变窄线宽激光的优良特性。本文针对MOPA结构的1.5μm窄线宽光纤激光器进行光学和电学分析和设计。 在本文研究中,深入分析1.5μm窄线宽光纤激光器的种子源、预放大和主放大MOPA结构。着重于设计一个集成度高的双驱动双温控单模泵浦源电路,用于种子源和一级预放大,同时针对MOPA结构中的多模泵浦源设计基于PSo C3控制的大电流驱动系统和高功率TEC温控系统。具体工作如下: 对半导体激光器的光电特性进行分析,并探讨激光器损坏机制及其保护措施。DFB窄线宽光纤激光器种子源性能,特别受恒流驱动和温度控制影响,通过模拟和实验搭建,设计出低噪声驱动电路和高稳定温控电路,并通过长时间稳定性测试,确保了激光器驱动电路和温控电路长时间高稳定工作。 搭建MOPA系统提高窄线宽激光输出功率,设计了针对该MOPA放大的高稳定大电流驱动和大功率TEC温控电路。最终,设计出激光器的输出功率通过MOPA系统能够有效放大。通过与其前一级1.5μm窄线宽种子源与预放大结构输出的激光进行光学特性对比测试。测试结果分析得出,经过MOPA放大后的激光,中心波长发生0.0316nm偏移量;3d B线宽偏差为0.1k Hz;强度噪声未发生明显变化,弛豫振荡频率偏移约0.02k Hz。这些测试变化都在测试仪器的精度误差之内,表明搭建的MOPA结构输出高质量激光,证实了激光器的性能主要由种子源的特性所决定。 本论文的工作为1.5μm窄线宽光纤激光器提供了一套高稳定的硬件电路设计方案,对于未来在高性能、高功率、高集成度的窄线宽光纤激光设计方面的研究具有重要意义。

关键词： 锂离子电池组   电池管理系统   主动均衡电路   电感续流回路  

摘要： 为应对全球面临的传统能源枯竭问题,新能源行业正快速发展。其中,锂离子电池组作为电动汽车和电化学储能电站中的电源而得到广泛应用。由于电池制造工艺的差异和电池工作环境的不同,串联锂离子电池组内部各电池单体之间存在不一致现象,这会导致电池组可用容量的减小和使用寿命的缩短,从而提高了电池组的使用成本,因此需要电池均衡电路对电池组进行均衡管理,解决电池组内的不一致问题。本文以电池均衡电路为研究对象,介绍了电池均衡电路的研究背景及国内外的研究现状,总结了各类均衡电路的优缺点,并为减小开关死区时间内的电感电流损耗、开关控制难度、电路体积与成本而提出了两种基于不同续流方式的电感型均衡电路。 针对基于单向开关桥臂的电感型电路中金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)数目少的优点,本文在该电路基础上提出了一种基于部分电池续流的电感型均衡电路(Inductive Equalizer with Free-wheeling Network Based on Flowing through Partial Batteries,FPB)。FPB电路在所提低频开关控制策略的作用下可在死区时间内为电感提供流经部分串联电池的续流回路,减小死区时间内的电感端电压和电感电流损耗。另外FPB电路开关网络中的同侧开关共源极,则电路仅需两路相互隔离的电源即可实现对两侧所有开关的驱动电路进行供电,减小了隔离电源模块数目。FPB电路体积小、成本低,适用于对电路的体积与成本比较敏感的应用场合,如电动汽车。 为进一步减少二极管导通损耗,本文在FPB电路基础上将单向桥臂替换成双向桥臂,提出了一种基于稳压二极管续流的电感型均衡电路(Inductive Equalizer with Free-wheeling Network Based on Flowing through Zener Diode,FZD),减少流通回路中的串联二极管数目,以减少回路中的二极管导通压降和导通损耗,提高了均衡功率和效率。通过给电感两端并联稳压二极管支路,电感电流在死区时间内可流经稳压二极管续流,电感电流损耗不会随着电压分布的变化而改变。另外,本文针对双向开关提出一种适用于FZD电路的自举电容驱动电路,避免了隔离电源模块的使用,减小了双向桥臂驱动电路的体积。FZD电路拥有较高的均衡功率和效率,适用于对均衡功率和效率要求较高的应用场合,如梯次利用电化学储能电站。 本文对上述两种均衡电路进行了电路拓扑和均衡工作原理的介绍、数学模型的推导、仿真验证和不同电感续流方式下的对比分析,搭建了硬件实验平台对上述两种均衡电路进行实验验证。对比分析和实验结果验证了两种所提均衡电路的有效性和先进性。

关键词： 植入式双向脑机接口   模数转换器   神经电刺激器  

摘要： 脑机接口技术在神经科学研究和医学应用领域起着至关重要的作用,而植入式双向脑机接口芯片因其先进的设计理念、高效的数据传输速率以及精准的信号处理能力成为当前研究的热点。本文基于65-nm CMOS工艺,研究并设计了一种应用于植入式双向脑机接口的逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)和神经电刺激器,主要研究成果包括: (一)根据植入式双向脑机接口芯片的系统框图,选择了适用于脑机接口芯片的模数转换器。基于65-nm CMOS工艺设计了一款全差分异步10-bit 5MS/s中等精度SAR ADC,包括采样保持电路、电容阵列、比较器和异步SAR逻辑电路。完成电路版图设计与仿真验证,后仿真结果显示:在1.2V的电源电压下并且在27℃TT工艺角下ADC核心的功耗为0.051m A,在输入信号频率接近2.5MS/s的时候,ADC的有效位数为9.74位,SFDR为72.9d B。 (二)根据电刺激器的指标要求进行系统级设计,选择了带有主动电荷平衡电路的四通道神经电刺激器。系统设计完成后对关键模块进行分析与设计,包括:电荷泵电路、7-bit电流数模转换器、电流模驱动电路、电平移位电路和主动电荷平衡电路。最终在65-nm CMOS工艺下完成一款输出方式为电流数模转换器、输出电阻大小为500k、精度等于7位、安全性上具备电荷回收功能、输出电流频率为200Hz、输出电流波形为对称方波和总输出电流范围为75n A～10μA的神经电刺激器。

关键词： 红外透明导电电极   喷墨打印   磁控溅射   电致变色智能窗   脉冲电路  

摘要： 鉴于建筑物在供暖和制冷过程中的能耗约占全球总能耗的15%,动态红外辐射调控技术的研发已成为节能减排领域的研究热点。基于可逆金属电沉积技术的电致变色智能窗具有良好的可见光透过调制及红外辐射阻隔性能,可以减少建筑在夏季保持凉爽和冬季保温消耗的能源,是节能建筑材料的重要发展方向之一。但是,基于可逆金属电沉积技术的电致变色智能窗工作电极采用的是氧化铟锡电极,导致其存在难以大面积制备和红外调控能力差等问题。同时,无法控制器件自褪色使得可逆金属电沉积智能窗在开路状态下并不能维持着色态的稳定。这阻碍了基于可逆金属电沉积技术的智能窗实用化发展。 本论文以可逆银电沉积器件为研究对象,研究了如何通过制备红外透明导电电极来增强智能窗的近红外透过率调制范围。同时,创新性地根据器件的电响应特性,利用温度传感器与单片机技术相结合设计了一种能够维持器件稳态的新型驱动电路。这一研究不仅有望解决当前电致变色智能窗在动态红外调制和稳态维持方面的技术难题,而且为可逆银电沉积器件的进一步发展和应用提供了理论基础和技术支持,具体研究内容与结果如下: 1)研究铂网格电极对器件450-2100 nm波段光调制率的影响。利用氯铂酸、乙二醇和纯水调制铂网格电极墨水。探究喷墨打印电压波形、点间距、墨水浓度以及氩气等离子体处理时间对铂网格电极成线情况和方阻的影响。最终制备的铂网格电极在450-850 nm波段平均光透过率达到87%、850-2100 nm波段平均光透过率达到86%、方阻为21.14Ω/sq。但是铂网格电极制备的器件在没有网格电极的空窗处并不着色,所以还需探究红外透明导电薄膜。 2)研究不同功率磁控溅射的氧化铟锡对近红外透过率与方阻的影响。利用红外光纤光谱仪和四探针测试仪对其近红外透过率及方阻进行分析,发现当磁控溅射功率为200 W时,氧化铟锡电极在450-850 nm波段平均光透过率达到87%、850-2100 nm波段平均光透过率超过90%,但是方阻为119.9Ω/sq。 3)研究铂网格电极对200 W溅射的氧化铟锡电极方阻的改善和450-2100 nm波段透过率的影响;并研究复合电极对器件的近红外调制率及性能的影响。在溅射的氧化铟锡电极上喷墨打印铂网格电极,经过等离子体处理后发现方阻降低至72.72Ω/sq,450-850 nm波段平均透过率下降了9%,850-2100 nm波段平均透过率下降了15%。利用复合电极制备器件与商用的氧化铟锡电极制备的器件相比850-2100 nm波段平均调制率增加了35%。虽然由于方阻差距过大导致复合电极器件的响应时间增加较多,但是铂网格电极降低了银沉积的成核势垒,降低了器件开启电压的绝对值,这有利于大面积器件的制备。 4)分析可逆银电沉积器件的电响应特性,研究温度对器件响应时间的影响,并设计专属驱动电路。首先设定了在530 nm处光透过率为60%、40%、20%及0%的四个状态,随后对可逆银沉积器件在不同温度下的着色响应时间以及着色完全后开路状态下的自褪色时间进行测试,得到器件在当前状态到达下一状态并维持稳定所需的电压值及驱动时间设计脉冲电路的峰值及占空比;再配合DS18B20温度传感器、STM32F103C8T6单片机、升压电路、降压电路和电压输出等模块根据所得数据设计器件驱动电路。驱动电路可以使器件稳定的停留在设定的透过率工作挡位,(透光率误差±3%)。驱动电路的设计使器件更加智能,而且比采用持续驱动方式更节能。