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关键词： 红外读出电路   相关双采样   大面阵   高线性度   高帧频  

摘要： 红外读出电路作为红外图像传感器的关键部分,直接决定了芯片的面阵、帧频和线性度等重要指标。大面阵意味着更高的像素密度和更广阔的视野,有助于捕捉更细节、更全面的场景信息;高帧频则意味着更快的图像刷新速度,有助于实时追踪和快速响应;而高线性度则保证了图像信号与输入红外辐射之间的准确对应关系,提高了成像的准确性和可靠性。因此,设计大面阵、高帧频和高线性度的红外读出电路不仅有助于满足军事、安防等领域对高性能红外图像传感器的迫切需求,也将推动红外成像技术在更多领域的应用和发展。 本文针对8k×8k面阵红外探测器读出过程中存在的线性度和帧频受限的问题,提出了一种可以实现超大面阵红外读出电路高速高线性的设计方案。首先针对传统DI型像素的伪CDS的问题,在不引入额外功耗和较大像素面积的前提下,实现了可以在像素内进行CDS的新型DI像素电路,很好地消除了像素电路中的随机复位噪声,且优化了传统读出方式,只需输出CDS电压至后级电路,对比于传统读出方式从根本上加快了信号的读出速度;然后在红外读出电路的像素面阵外围设计了列级读出优化电路,在该电路的列加速工作模式下,可实现列总线上电压信号的快速建立和下降,进一步减小读出电路行时间,列总线上的CDS电压信号完成加速建立后通过读出优化电路的非线性校正功能实现了对像素中源随器非线性误差的自适应补偿,有效消除读出电路的输出非线性问题,提升读出电路线性度。 本文所提出的设计方案基于55nm CMOS工艺,完成了一款像素中心距为10μm,工作温度为110K,8192×8192面阵规模的红外图像传感器读出电路的电路和版图设计,并基于此平台进行了全面的仿真验证,仿真结果表明,读出电路的行时间为2.3μs,实现了50帧的高帧频,读出电路线性度为99.98%,芯片整体功耗为1.6W,读出优化电路单列功耗为49.5μW。

关键词： 间歇故障诊断   卷积神经网络   鲸鱼算法   测点选取   奇异点检测  

摘要： 随着电子工程技术的迅速发展,运放电路已成为电子设备不可或缺的组成部分。然而,随着故障检测和诊断技术的进步,一种名为间歇故障的特殊问题开始显现,这种故障由于其短暂性和易于被掩盖的特点,成为了电路系统中的重大隐患。间歇故障是指在系统运作期间,元器件随时间退化或遭受突发外部环境作用而导致的间歇性失效,该失效状态未经干预自行恢复至正常的状况。该类故障具有特征多变、随机性强以及发生时间短的特点。目前的国内外研究难点主要集中在间歇故障数据的收集、以及对故障数据进行检测与提高诊断精度等问题上。本文的工作重点将围绕解决这些挑战和问题。 针对运放电路进行故障数据采集时,使用了优化测点选取的方法。该方法通过使用敏感度因子以及故障隔离(度)组两个特征来完成电路测点的优化选取。并结合SVM方法以及电路仿真得到的数据进行研究,从而选出最优测试点集。通过使用该测试点集采集得到的故障数据将包含足够的有效信息以供研究,这将大大降低数据维度,提高了诊断效率。 为了解决运放电路中间歇故障信号的奇异点检测难题,采用了HHT方法对其进行检测,通过将信号中的高频信息进行标记从而观察信号中的奇异点信号。该步骤能够筛选出含有间歇故障奇异点信息的数据,为下一步的故障诊断打下了基础。 针对间歇故障的诊断问题,提出一种基于WOA-RAM-LSTM的间歇故障诊断方法。目标CNN-LSTM网络首先通过WOA方法进行参数优化,再使用优化后卷积网络对故障信号进行初步特征提取,后使用改进的反向注意力放大机制对特征进一步突显,再将处理后的数据输入LSTM中进行特征学习,最后经由全连接层输出间歇故障诊断结果。通过Multisim软件电路仿真得到数据进行实验验证可知,所提出的WOA-RAM-LSTM诊断模型能够更加有效的进行间歇故障诊断。 最后,在实验室中完成电路的间歇故障诊断平台搭建,实现所研究实验的一体化。通过搭建的实验平台来完成间歇故障实验,实验测试数据可以更好的对所提方法进行验证,其结果也将更具说服力。在使用实际数据进行验证后,进一步的证明了论文所提方法在间歇故障诊断方面的有效性。同时通过该诊断方法实现了不同间歇故障的分类,也完成了不通故障点的分类,从而完成了运放电路上间歇故障的定位。 图[37]表[9]参[87]

关键词： 压阻式压力传感器   建模   PGA   ADC   校准算法  

摘要： 近年来,随着高端工业领域的不断发展,对压力传感器的灵敏度和精度的要求越来越高。因此,研究高灵敏度、高精度的压力传感器具有十分重要的意义。本论文首先针对高端领域对高灵敏度、高精度柔性压阻式压力传感器的迫切需求,研究了二硫化钼柔性压阻式压力传感器相关的物理特性并对二硫化钼柔性压阻式压力传感器进行建模。然后,设计了适用于压阻式压力传感器的调理电路,包括电源模块和放大输出信号的可编程增益放大器(PGA);接着设计了用于将放大的模拟信号转换成数字信号的模数转换模块(ADC),并开展了模拟前端电路的整体仿真和版图设计;最后设计了新型的压力传感器校准算法,并设计了RTL级(Register Transfer Level)电路。结果证明,所设计的调理电路可用于放大传感器微弱的输出信号,并对温度漂移、零点漂移和非线性等问题进行有效的校准。 本论文的主要研究内容包括以下几个部分: (1)针对高端领域对高灵敏度、高精度柔性压阻式压力传感器的迫切需求,本论文对二硫化钼柔性压阻式压力传感器建模。所建模型主要分为两部分,第一部分参考传统压阻式压力传感器建模方式;第二部分考虑到光对二硫化钼柔性压阻式压力传感器性能的影响,分析了二硫化钼异质结的光学响应特性和载流子输运过程,在此基础上建立了二硫化钼光电管的SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis,SPICE)模型。 (2)针对硅压阻式压力传感器输出信号比较微弱的问题,本论文设计了一款用于放大输出信号的PGA。由于压阻式压力传感器是惠斯通电桥结构,这种结构的输出阻抗不是无穷大,PGA选择经典的三运放结构。同时,PGA带有斩波开关,通过斩波开关可以显著降低放大器的闪烁噪声,放大器最大放大倍数为128倍。电源部分采用低压差线性稳压器(LDO)电路,可以将3.3 V的电源电压稳定输出为1.8 V,为压力传感器和模数转换模块提供具有高电源抑制比的电源。 (3)针对PGA放大的模拟信号需要进行数字校准,本论文设计了10位逐次逼近模数转换器(SAR ADC)。为了提高采样电阻的线性度,ADC采样开关采用栅压自举结构;DAC电路模块采用高6低4的桥接电容形式的电容阵列,其单端所需的电容数量为79个,可以大大缩小所需电容的数量;所设计ADC的有效位数可达到9.9位。 (4)针对传统的硅压阻式压力传感器存在的零点漂移、非线性和温度漂移等问题,本论文设计了一种新型的压力传感器校准算法,该算法可以对压阻式压力传感器的零点漂移和灵敏度漂移进行二阶温度补偿,并对输出的非线性进行三阶补偿。该算法在FPGA(Field Programmable Gate Array,FPGA)上验证,精度误差从27.25%FS降低到4.63%FS,输出精度提高了6倍。

关键词： 激光雷达   SiPM   高侧驱动   信号处理   快速三维成像  

摘要： 激光雷达测距技术具有探测距离远、速度快、精度高、方向性好、抗干扰能力强等优点。在距离测量、目标跟踪、立体成像和环境感知等方向展现出很大的应用前景,被广泛应用于航天、航海、交通、军事、生活、工业等众多领域。 目前在激光雷达系统中广泛应用的固态探测器主要是雪崩光电二极管和单光子雪崩光电二极管,雪崩光电二极管工作电压高、增益低,无法实现远距离探测。单光子雪崩光电二极管只能实现0和1输出,无法区分回波光子和背景光子。硅光电倍增管(SiPM)工作电压低、增益高、能够实现模拟输出,通过设置合适的阈值,能够最小化背景光子影响,在激光雷达领域展现出极大的应用前景。 本文聚焦于基于SiPM的激光雷达电路系统,主要研究内容如下: 1.基于SiPM的工作原理推导了它的输出波形特征和输入输出响应,研究了SiPM在激光雷达系统中的输入输出响应模型,为电路设计和激光雷达系统搭建提供了理论依据。 2.激光脉冲的功率和宽度与激光雷达的探测距离和精度高度相关,目前普遍使用的激光二极管驱动电路不适用于多线共阴极激光发射电路。针对这一问题,本文设计了高功率纳秒级激光二极管高侧驱动电路,能够驱动多线共阴极激光器二极管发光。在高重复频率下,该电路实现了3.1ns的脉冲宽度和约65W的峰值功率。 3.针对SiPM原始输出信号幅度小不易识别、背景光等噪声干扰以及飞行时间测量等问题,设计了SiPM模拟信号处理链路,对SiPM输出信号进行放大、比较、测量和数据处理。成功实现了对回波信号的探测。 4.搭建了激光雷达测距系统,实现了50m远的距离探测;之后利用MEMs扫描镜和步进电机作为光束偏转系统,搭建了一台三维成像激光雷达样机,实现了近距离40×40视场范围,角度分辨率为0.1125×1(水平×竖直)的快速三维扫描成像。

关键词： 逆阻   集成门极换流晶闸管   电路建模   参数提取   不同工作温度  

摘要： 逆阻IGCT(RB-IGCT)由于特殊的芯片结构设计具备双向阻断和单向导通能力,在电流源型换流器(Controllable Current Source Converter,CCSC)、混合换相换流阀(HCC)等场合中广泛应用。为了准确描述硬驱动条件及不同工作温度下IGCT器件的开关特性,本文以6.5kV/6.0kA等级为例,对逆阻IGCT的M-2T-3R-C硬驱动电路模型开展研究。首先,建立用于器件数值仿真的结构模型,利用Sentaurus-TCAD软件仿真了不同工作温度下器件的各项特性;然后,分析了 M-2T-3R-C电路模型,提取了不同工作温度下的模型参数;最后对M-2T-3R-C电路模型进行了验证。具体研究内容及成果如下: 第一,RB-IGCT器件的特性仿真。建立了 6.5kV/6.0kA的RB-IGCT结构模型和开关特性测试电路,分析了 RB-IGCT阻断、开通、导通及关断特性随温度的变化;重点研究了关断过程中动态雪崩效应对J2结空间电荷区展宽和有效正电荷浓度的影响,为后续电路模型中电容C值的提取提供了理论依据。 第二,M-2T-3R-C电路模型参数的提取。首先,根据RB-IGCT不同温度下的开关特性仿真结果,提取了其中npn和pnp晶体管在不同工作状态下的电流放大倍数;然后根据GCT的结构参数,建立了 npn和pnp晶体管结构模型,提取了其集电极饱和漏电流、渡越时间和内部电阻等模型参数;根据关断时间和J2结势垒电压的变化,并考虑了雪崩后势垒区有效电荷密度的影响,提取了一组电容C值;根据门极特性和阻断特性分别提取了门极电阻和断态电阻。 第三,M-2T-3R-C电路模型的验证。利用所建立的逆阻IGCT硬驱动电路模型,对不同温度下开关特性进行了仿真,提取了开通时间和关断时间等参数,与相同条件下GCT器件数值仿真的开关特性参数进行对比。结果表明,在不同工作温度下,逆阻IGCT的M-2T-3R-C电路模型和GCT器件数值仿真的开通时间和关断时间的相对误差分别在5%和10%之内。在母线电压2200V、感性负载L=50μH测试条件下,M-2T-3R-C电路模型仿真曲线与实测曲线特性参数的相对误差均在7%以内。表明本文研究的逆阻IGCT的M-2T-3R-C电路模型可以较为准确地反映逆阻型IGCT的开关特性和内部换流过程,为逆阻IGCT应用系统的设计提供较为准确的电路模型。

关键词： 负电容   忆阻器   电路仿真器   混沌   神经元  

摘要： 近年来,有关负电容的研究取得了很大的进展。如负电容可以使电路的阻抗匹配带宽突破传统的共轭匹配极限,实现宽带阻抗匹配;负电容场效应晶体管可以降低亚阈值摆幅,显著降低器件功耗等。然而,目前大多数研究集中在负电容的器件制备和性能优化上,对单一负电容在电路中的应用研究较少。负电容作为一种新型非线性器件,模型简单易于模拟,有望成为搭建非线性电路(如混沌电路、神经元电路)的新选择。为了填补这一研究空白,在负电容尚未普及的情况下,根据负电容数学模型提出了一种可作为负电容工作的电路仿真器,该仿真器成本低廉,易于实现,是研究负电容的端口特性和电路应用的最佳选择。在此基础上,提出了基于负电容的混沌电路和神经元电路,拓展了负电容的应用领域。本学位论文的研究可为基于负电容的非线性电路提供设计与分析方法,为负电容神经网络的应用提供了理论依据。主要创新性工作如下: (1)根据L-K方程得到负电容的简化数学模型,分析了负电容的无损性和负电容效应的影响因素。鉴于目前尚无商用负电容的现实,采用常见的廉价电路元器件实现了负电容仿真器,通过硬件实验观测到了稳定的负电容效应,探究了外加激励的幅值和频率对负电容效应的影响。负电容硬件仿真器可以替代实际器件进行负电容混沌电路和神经元电路的硬件实验研究,为实现神经网络和神经形态计算提供一种廉价有效的单元模块。 (2)提出了一种基于负电容的混沌电路。与传统蔡氏混沌电路相比,负电容可替代蔡氏二极管。通过分析平衡点与稳定性,计算最大Lyapunov指数和分岔图等方法探究了该电路周期到混沌的演变过程。通过直接加入可变电阻和在系统外加入非线性反馈这两种不同的混沌控制方法,可将系统控制在确定的周期状态。基于该混沌电路设计了一个伪随机数发生器,成功通过了NIST测试、FIPS 140-2随机特性测试,该研究工作可为负电容在混沌电路和保密通信的应用提供支持。 (3)提出了一种基于负电容的神经元电路。该电路由一个有源忆阻器、一个负电容和一个线性电感构成。在不增加电路阶数的前提下,两个非线性器件并联可以使电路产生更丰富的神经形态行为。将系统分为快子和慢子系统,通过求解Hopf分岔值揭示神经元簇发放电机制。绘制分岔图和Lyapunov指数谱分析参数变化对神经元尖峰放电的影响。仿真结果表明,该神经元电路不仅能呈现多种放电行为,还能模拟一些特殊的放电现象,如暂态尖峰放电和放电共存行为。利用忆阻器和负电容电路仿真器搭建了硬件电路,实验结果验证了该神经元电路的多种放电行为和多稳态现象。这一研究对探究神经元的放电机理具有重要意义。

摘要： 针对《电路理论》教学中因电路图抽象难以直观展示复杂系统的能流关系的难题，提出了一种形象化的耦合键合图的电路教学设计思路，有助于学生直观、准确地理解电路中的能流特性，对机电耦合等多能流耦合系统的分析教学具有借鉴意义。“新工科”背景下，电气从业人员将直面更综合、更多样、跨学科交融的现实问题，如多能量域系统发展过程中涉及的机械、液压、热、磁、流体系统与电力系统的耦合分析等，这对电气专业学生的能力和素质提出了更高的要求。《电路理论》是电气、电子信息、自动化专业的核心基础课程之一，因电路图形抽象性和结构-参数复杂联动变化，电路分析求解一直是教学中的难点。

关键词： 集成电路布图设计   专有权   独创性   非常规性   实质性相似  

摘要： 随着科技进步和半导体行业的发展,集成电路布图设计已成为一种战略资源,成为国家与国家之间的竞争战场。布图设计创新发展强,则科技进步速度快;科技进步速度快,则国家繁荣昌盛兴。当下,布图设计的侵权现象频繁发生,阻碍着布图设计的创新发展,亟需完善布图设计的知识产权保护体系,优化司法审判路径,提高纠纷解决效率。布图设计的立法规定多集中在2001年,至今无任何修改情况,与如今的国家现状不匹配情况突出。虽然国家知识产权局于2019年颁布了《集成电路布图设计审查与执法指南(试行)》,加强了对布图设计的保护,但是对于布图设计的独创性认定依然困境重重,法院对布图设计侵权判断规则的运用缺乏细化,导致了实践中诉讼困难。另外,在《知识产权强国建设纲要(2021-2035年)》中,更是明确提出需要完善集成电路布图设计法规的计划,走出一条中国特色知识产权发展之路。 本文主要从五个方面进行论述:首先,解释了集成电路和集成电路布图设计的概念,明确布图设计保护对象的实质内涵,分析了布图设计的创作流程以及其具有的知识产权属性,为布图设计为何单独立法提供依据,并梳理了布图设计的登记申请程序、专有权内容以及权利限制。其次,在国家法律法规数据库和北大法宝中检索布图设计立法现状,并分析我国加入的相关国际条约,同时在中国裁判文书网和北大法宝中检索布图设计的司法现状,总结法院在审判侵犯布图设计专有权纠纷的裁判路径。再次,从布图设计的法律规定进行反思,再结合布图设计的立法现状和司法现状,梳理出集成电路布图设计独创性的认定标准不明确、专有权的侵权判定标准模糊等方面问题。复次,梳理美国、欧盟以及韩国三个域外地区对布图设计法律保护经验,对照我国现状,进行本土化适用分析。最后,立足我国布图设计的立法和司法国情,提出完善集成电路布图设计登记申请程序、明确布图设计独创性的认定办法、细化布图设计侵权判断规则中“实质性相似”的内容、区分布图设计不同时间段的保护,以期为我国的布图设计创新发展和知识产权保护提供有益建议。