产教融合背景下的集成电路工程专业课程群案例库建设探析

文章在对集成电路专业课程教学案例库建设现存问题进行分析的基础上,探讨了产教融合背景下该专业核心课程教学案例库建设对策;结合桂林电子科技大学集成电路工程专业的特点和生源情况,对该专业的集成电路设计课程群进行优化整合,构建了三层级架构的集成电路设计课程群案例库。案例库覆盖模拟、射频、数字、数模混合集成电路设计,并引入了更适合集成电路现代工艺的跨导电流比(g_(m)/I_(D))设计方法,有助于初学者克服对模拟、射频集成电路设计的畏难情绪。通过案例库的教学实施,大幅度提高了学生的专业实践能力。

一种6倍无源增益低OSR低功耗的二阶NS SAR ADC

针对一阶噪声整形(NS)往往需要增加功耗而以较高的过采样比(OSR)来实现较高的有效位数(ENOB),提出了一种低OSR、低功耗的二阶无源NS SAR ADC。该无源NS模块较高的无源增益可以更好地抑制比较器的噪声;其残差电压是通过开关MOS阵列复用积分电容实现采样,从而无需额外的残差采样电容,避免了残差采样电容清零和残差采样时kT/C噪声的产生,因此减小了总的kT/C噪声。180 nm CMOS工艺仿真结果表明,在不使用数字校准的情况下,所设计的10位二阶无源NS SAR ADC电路以100 kS/s的采样率和5的OSR,实现了13.5位ENOB,电路功耗仅为6.98μW。

一种应用于音频的可重构Σ-Δ连续时间调制器

基于180 nm CMOS工艺,设计了一种应用于音频领域的可重构前馈式3阶Σ-Δ连续时间调制器。传统Σ-Δ连续时间调制器只有一种工作模式,而该设计利用可重构的积分器使Σ-Δ连续时间调制器具有高精度和低功耗两种工作模式。此外,采用的加法器提前技术减小了调制器功耗,负电阻补偿技术提高了调制器的SNDR,额外环路延时补偿技术提高了调制器的稳定性。仿真结果表明,在20 kHz信号带宽、1.8 V电源电压下,低功耗模式下调制器的SNDR为94.7 dB,功耗为291μW;高精度模式下调制器的SNDR为108 dB,功耗为436.6μW。

一种极低功耗的轨对轨高增益低失调运算放大器

针对传统液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)驱动器的电压缓冲器工作电压范围较小且功耗较高,以及传统运放增益有限的问题,文章设计了一种极低功耗的轨对轨高增益低失调运算放大器。该放大器采用两个互补的输入级,能在全电压范围内交叉导通实现轨对轨输入,通过多级Cascode模块有效提高了电路的放大倍数。改进的输出级采用单输入的方式,有效减小了电路的失配和输出电路的静态电流,保证了电路的稳定性。0.18μm CMOS工艺仿真验证表明,所提出的低功耗轨对轨高增益低失调运算放大器电路在6.5 V的工作电压下实现0~UDD(电源电压)的输入、输出范围,且开环直流增益在不同共模电压下均大于88 dB,相位裕度均大于65°,失调电压小于900μV,仅72 nA静态电流。该放大器满足LCD驱动器的低功耗、高增益和低失调的应用需求。

一种低信号衰减的三阶噪声整形SAR ADC

针对传统的二阶噪声整形逐次逼近模数转换器(SAR ADC)功耗较大和整形能力不强的问题,提出了一种级联积分器前馈(CIFF)和误差反馈(EF)混合误差控制结构的三阶NS-SAR ADC,并在系统中增加了一个与电容数模转换器(CDAC)串联连接的反馈电容,使得滤波电容不与CDAC直接相连,因而可以利用该反馈电容调节衰减因子,确保了输入信号不被衰减和反馈信号较小衰减。这种EF-CIFF结构提供了更强的噪声整形能力和高阶噪声传递函数的鲁棒性,且只需要低功耗的小增益动态放大器即可实现EF和CIFF两条路径的余差放大。提出的NS-SAR ADC基于180 nm CMOS工艺设计。在1.8 V电源电压下,工作在160 kS/s采样率时,功耗仅11.3μW,在过采样率为8时,实现了15.6位的有效位数。

一种宽负载范围低纹波高效率能量收集系统

针对环境能量收集系统输出电压纹波高以及效率随负载变化等缺点,提出了一种在宽负载范围内转换效率高且输出电压纹波低的能量收集系统。该系统基于最优化导通时间(OOT)控制方法对输出纹波进行调控,解决了传统控制方法在小负载电容和轻载情况下纹波较大的问题;此外,基于自适应系统时钟频率(ACF)控制方法改善了传统方法在轻载时效率大幅度下降的问题,实现系统在较宽负载范围内保持较高的效率。采用180 nm CMOS工艺对能量收集系统进行设计验证。仿真结果显示,所设计的能量收集系统在1 mA负载电流范围内峰值效率为89.75%,最低效率为83.75%,其最低效率比同类系统提高了7个百分点以上;在0.2μF负载电容下纹波从177.96 mV下降到23.56 mV。

一种适用于能量收集系统的低功耗张弛振荡器

为满足微小能量收集系统的低电压、低功耗应用需求,设计了一种低温度系数的低功耗、小面积的张弛振荡器。使用自偏置Cascode复合晶体管结构分别代替传统倍增电流偏置电路中的大电阻和振荡器核心电路中在比较器输入端生成电压参考的大电阻,实现低功耗,同时达到减小电路面积,提高集成度的目的。采用0.18μm CMOS工艺进行设计,仿真结果表明,该振荡器可在0.8~1.2 V的电源电压下正常工作,在工作频率为2.2 kHz时,功耗为30 nW,工作频率的温度系数TC可达1.03×10^(-4)/℃,芯片面积相对于同类电路至少减小了70%。

一种三环结构高效率的数字LDO电路

设计了一种采用0.18µm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制作的三环结构无片外电容数字低压差线性稳压器(LDO)电路,主要在控制方式进行创新,针对不同的输出电压范围采取相应的环路进行调整.电路的功率MOS管阵列按MOS管尺寸,分为大(L)、中(M)、小(S)3组,设计的控制方式使环路可根据负载变化迅速切换,使得电路具有快速的瞬态响应,较强的带负载能力,较低的输出电压纹波和功耗,转换效率最高可达88.9%.在1.8 V输入电压下的后仿真结果表明,负载电流在2~60 mA之间突变时,电路的下冲电压为95 mV,过冲电压为80 mV,恢复时间小于1.7µs,稳态下的输出电压纹波小于2.0 mV,总体静态电流约为43µA.该数字LDO的输入电压范围为1~1.8 V,输出电压范围为0.8~1.6V,内部集成10pF电容,品质因素FOM仅为0.009pF.

EEG信号的径向基函数神经网络预测

基于混沌动力学系统相空间的延迟坐标重构及人工神经网络的非线性特性。研究了采用基于自适应投影学习算法的径向基函数网络对实测的EEG信号进行预测。通过对径向基函数引入一宽度调节系数α ,使网络的预测性能有较大提高。理论分析和研究结果表明 :α的取值由EEG信号的关联维数D2 决定 ,α在最佳区间内取值能够更有效地对EEG信号进行预测。

2.5～6.0GHz信号的体内植入式信道特性分析及建模

该文采用基于有限积分法（FIT）的3D电磁（EM）仿真工具以及源于男性活体CT及MRI切片图像构建的3维人体电磁模型,分析研究2.5~6.0 GHz电磁波在人体内的路径损耗及比吸收率（SAR）特性,考察该频段信号在人体内外通信的有效性并建立相应的信道数学模型。分析结果表明：采用2.5~6.0 GHz频段信号实现人体植入式生物医学电子设备无线通信是可行的、安全的;所建立的改进型幂律函数信道模型能较好地描绘该频段信号在人体内的路径损耗特性,在2.5 GHz和6.0 GHz频率处信道模型与电磁计算结果的均方根误差（RMSE）分别为2.78 dB和8.30 dB。

一种低电压、低噪声、高增益CMOS折叠式混频器

针对IEEE802.15.4协议设计了一种工作于2.44GHz的900mV低电压、低噪声、高增益CMOS折叠式混频器,并在混频器的开关级共源节点引入LC回路吸收寄生电容,进一步提高了混频器的主要性能.在chartered0.18μm CMOS工艺下采用SpectreRF进行仿真,仿真结果表明:该混频器的转换增益高达18.6dB,单边带噪声系数(SSB NF)仅为7.15dB,输入/输出三阶截断点(IIP3/OIP3)为-8.77/9.88dBm,功耗为5.2mW.

植入式生物医学电子的UWB无线通信可行性建模研究

为考察超宽带(UWB)实现植入式生物医学电子设备无线通信的可行性及信道传播特性,基于男性活体CT及MRI切片图像,构建了一个频率范围在1～10.8 GHz的高分辨率三维人体电磁模型,考虑了85种不同人体组织或器官的电磁特性参数;将模型嵌入基于有限积分法(FIT)的三维电磁仿真软件进行电磁计算,考察电磁波在人体内的路径损耗及比吸收率特性。实验结果表明:该模型能较好地描绘真实人体的电磁特性,信号在人体内的衰减随频率的升高及植入深度的加深而加重;在植入深度达160mm时,3.5 GHz信号的路径损耗为75 dB;参考功率为27 dBm时,人体对3.5 GHz信号的比吸收率在安全值范围内;证实了采用UWB频段内的3.5 GHz实现植入式生物医学电子无线通信的可行性和安全性。

EEG信号的Volterra滤波器自适应预测研究

基于 Takens的相空间延迟坐标重构及大量的非线性系统可以用 Volterra级数表征这一特性 .研究了利用 FIR乘积耦合近似实现的三阶 Volterra级数滤波器结构对具有高维混沌特性的 EEG信号进行预测 .数值仿真结果表明 ,这种滤波器结构能够有效地对 EEG信号进行预测 .

一种增益可控型LR-WPAN CMOS功率放大器

设计了一种可适应于低速率无线个人区域网(LR-WPAN)的增益可控AB类CMOS射频功率放大器.通过两位数字状态位实现三级增益及输出功率控制,采用片上集成电感和电容实现负载LC回路,有效地提高电路的集成度.采用0.18μm CMOS工艺设计并利用SpectreRF在2.4 GHz ISM频段仿真,实验结果表明,该功率放大器具有较好的性能指标,最小S_(21)参数为13.7 dB,最小输出三阶截断点(P_(OIP3))为6.74 dBm,在输入功率为-10 dBm时最小功率附加效率(PAE)为14.3%,满足LR-WPAN发射模块的要求.

一种超低功耗无片外电容LDO

设计了一种超低功耗无片外电容型低压差线性稳压器（OCL-LDO）电路,引入电荷泄放电路和电流倍增缓冲级以改善稳压器的瞬态响应,通过二级密勒补偿技术保证电路在各种负载条件下的稳定性.同时,采用电流模型跨导运放作为误差放大器,有利于简化电路结构和降低功耗.对该OCL-LDO的稳定性及瞬态响应进行了分析并采用SMIC 0.18’m CMOS工艺设计并流片测试.测试结果表明：在负载电流为1mA、输入电压为1.9～3.2V时,输出电压可稳定在1.8V左右,压差仅为35mV,且静态电流仅为1.4’A.

UWB在生物医学电子中的应用研究进展

在介绍UWB技术在植入式和体外生物医学电子系统中的应用研究成果及进展的基础上,分析其在生物医学电子系统中广泛应用所面临关键技术、难点以及可能的解决方法;最后讨论了生物医学电子系统的发展方向,使UWB在生物医学中所需要研究的问题和方向更加具体化和明确化。

一种0.9V低电压低本振功率CMOS有源混频器

设计了一种可工作于0.9 V低电压和-5 dBm本振功率的CMOS有源混频器。通过在MOS管栅极和衬底间引入耦合电容,利用衬底效应加快MOS管的导通和截止,使开关对的开关状态更理想,有效地降低混频器的噪声并提高其线性特性。采用0.18μmCMOS工艺设计,在2.45 GHz本振信号和2.44 GHz射频信号输入下,实验结果表明该混频器可有效地实现混频且具有较好的性能指标:电压转换增益为12.4 dB,输入三阶截断点为-0.6 dBm,输入1dB压缩点为-3.4 dBm,单边带噪声系数为12dB。

集成电路工程专业学位硕士实践课程教学案例库建设探析

结合桂林电子科技大学集成电路工程专业学位硕士的专业特点和历届学生的实际情况,对实践课程的教学案例库建设的必要性和案例选择原则进行了分析,提出了以跨导电流比(gm/ID)设计方法为主线的,由浅入深、循序渐进的《集成电路综合实验》课程案例库建设思路与建设过程,以期通过案例库的教学实施,使不同基础的学生尽快地掌握集成电路设计的新方法。

基于卓越工程师培养的电子技术类理论课程教学改革

电子技术类理论课程是电子信息类专业的重要专业基础课程群,本文以教育部启动实施的"卓越工程师教育培养计划"培养目标及要求为指导思想,针对该类课程的理论性、实践性、工程性强等特点,对电子技术类理论课程的教学改革从教学理念、教学内容、教学方法以及考核方式等方面进行探讨,为探索更好地实施电子信息类专业"卓越计划"的途径提供参考。

微电子学概论多媒体课件的设计

基于微电子学概论课程的特点，介绍了微电子学概论课程多媒体课件的设计方法与过程，从教学实际出发，精心组合多媒体中的各要素，实现课件最优化，为学生的自助式学习提供一个具有交互式功能的多媒体课件系统。