射频异构集成微系统多层级协同仿真建模与PDK技术综述

作为后摩尔技术的可选路径之一,基于异构集成工艺实现的集成微系统具有高集成度、低成本、高性能等优点,引起学术界和工业界的广泛关注。异构集成微系统设计是以系统为中心的多层级协同设计,对传统以晶体管为中心的设计方法和设计流程带来新的挑战,同时对设计环境的开发带来新的要求。本文对射频集成微系统设计中所需的基础器件/结构建模方法、多工艺混合工艺设计套件(Process Design Kit,PDK)技术、以及电路-模块-系统多层级协同仿真等技术最新进展进行综述。

基于加法树压缩和乘数编码优化的乘法器设计

定点乘法器是现代信号处理常用的运算单元之一,其整体性能直接决定了系统的竞争力。为了乘法器的计算效率,设计了一种新型高能效有符号数乘法器,使用基4-Booth编码,减少了一半的部分积;另外使用直接求相反数的方法代替传统的取反加一求相反数的方法,使得部分积阵列比特数减少且形状规整,易于压缩。提出的3-2压缩器和半加器相混合的新型树型压缩结构硬件资源开销优化明显,对比现有的乘法器异或门数量下降了14%,二选一选择器数量下降了31%,总面积减少了50%,计算效率大大提高。

一种低温度系数高阶补偿基准电压电路设计

基准电压对模拟系统的性能与精度有着至关重要的影响.一般的曲率补偿仅能消除与温度相关的二阶项,难以满足某些电路对高精度的要求.现有的电路存在温度系数较高的问题,亟须对更高阶进行补偿.本文提出了一种新的高阶曲率补偿方法,通过利用CMOS晶体管亚阈值特性设计,成功实现了一种低温度系数电压基准电路.该方法首先利用两个不同温度系数的电流流过相同的亚阈值区CMOS晶体管,产生两个具有不同温度特性的栅源电压.然后,通过对这两个不同温度特性的栅源电压进行相减,产生对数电压,并与一阶补偿电压进行加权叠加,从而实现高阶补偿.为了提高电源抑制比(PSRR),该电路采用了高增益负反馈回路,避免了传统电压基准电路中放大器的使用,进一步地降低了功耗.本设计基于0.18μm CMOS工艺,在Cadence软件下完成电路设计、版图设计与仿真验证.仿真结果显示,该电路正常工作电压范围为1.6~3 V,在2 V的工作电压下,基准电压输出295 mV,在-45~125℃范围内温度系数为1.26 ppm/℃,PSRR为51.1 dB@1 kHz,最大静态电流为8.9μA.结果表明,该基准电压电路能够满足高精度集成电路系统的需求.

超宽带硅基射频微系统设计

针对超宽带硅基射频模块的微系统化问题,采用硅基板作为转接板设计了一款具备收发功能的超宽带系统级封装(System in Package,SiP)射频微系统。各层硅基转接板之间的射频信号传输、控制和供电等均采用低损耗的硅通孔(Through Silicon Via,TSV)结构来实现。为了减小封装对射频性能的影响,整个超宽带射频微系统采用5层硅基封装结构,与传统二维封装结构相比,其体积减少95%以上。射频微系统封装完成后,对其电气性能指标进行了测试。在整个超宽带频带内,其接收噪声系数小于2.6 dB,增益大于35 dB,发射功率大于等于34 dBm,端口驻波小于2。该封装结构实现了硅基超宽带射频模块的微系统化,可广泛适用于各类超宽带射频系统。

基于条件预充电技术的低功耗真单相时钟触发器

基于条件预充电技术,设计了一种高速低功耗真单相时钟触发器。在存在冗余开关活动的关键路径中,通过增加场效应管和控制条件,控制内部节点的冗余预充电活动;通过消除冗余结构,消除冗余的场效应管,从而改善电路结构,降低功耗和总功耗延时积。通用电路分析程序(simulation program with integrated circuit emphasis,HSPICE)仿真结果表明,在100 MHz的工作频率与低阈值电压下,触发器功耗低至158.6127 nW、总功耗延时积低至0.048735 fJ,电路具有正确的逻辑功能,且在功耗、延迟方面均优于近几年提出的电路。

宽范围负载CL-LDO的设计

针对规模与功耗骤增的集成电路发展趋势,设计了一种可以提供宽范围负载电流的无片外电容型低压差线性稳压器(CL-LDO).为了解决宽范围负载电流与无片外电容等需求所带来的稳定性问题与瞬态特性问题,提出了动态零点补偿的方式与瞬态增强电路结构,既保障了整体电路在全负载范围内保持稳定,又实现了较好的瞬态特性.基于0.11μm CMOS工艺,完成电路设计、版图设计与仿真,仿真结果表明,在0~500 mA的负载范围内,整体环路增益可以达到68 dB;最小相位裕度为56°;当负载电流在1~500 mA之间发生跳变时(Δt=500 ns),输出过冲和下冲分别为56 mV和141 mV,建立时间分别为2μs和0.78μs;PSR为-67.2 dB@1 kHz,负载调整率为0.137μV/mA.

一款NoC总线的低功耗设计

随着集成电路技术的飞速发展,其集成度和复杂度越来越高,导致芯片功耗问题日益严重。文章提出一套兼容片上网络(Net on Chip,NoC)总线的功耗管理总线,针对不同电源域进行低功耗管理,通过电源域开关协议将电源域状态同步到事务活动,且不影响系统其他部分的操作。实验结果表明,功耗管理总线具有低成本、协议简单、兼容性好、轻量级等优势。

基于数字PWM控制的Buck型DC/DC变换器设计

为解决集成电路生产成本随半导体制造工艺进步而升高的问题,尤其针对传统模拟架构DC/DC变换器中的电阻、电容、运算放大器等模块面积大、功耗高、稳定性差等问题,设计一款基于数字PWM调制buck型DC/DC变换器。设计基于CSMC 0.18μm BCD工艺,使用Verilog硬件描述语言设计数字PID补偿器,在VCS+XA数模混合仿真环境下进行仿真验证。仿真结果表明在不同PVT条件以及不同负载下,输出纹波较低,输出电压稳定,实现了低成本、高鲁棒性的设计目标。

一种双控制模式的同步降压型DC/DC转换器

为突破转换器在输出电容选型上的局限性,保证转换器快速的负载瞬态响应,基于自适应恒定导通时间控制的两种控制模式,提出一种可根据输出电容类型选择控制模式的同步降压型DC/DC转换器。在D-CAP模式下,支持具有适当等效串联电阻的电容等作为输出电容;在电流模式下,支持等效串联电阻较低的陶瓷电容作为输出电容。基于0.35μm BCD工艺,使用Cadence软件对转换器进行瞬态仿真。结果表明,该设计在两种模式下都具有快速的瞬态响应。

基于先进工艺的低功耗模拟集成电路设计

阐述先进工艺的低功耗模拟集成电路设计,探讨模拟集成电路的基础知识,低功耗设计原理以及先进工艺技术的应用,分析一个高效、精密的模拟电路设计案例。

基于有限域的通用掩码防御方案设计与实现

加密算法被广泛用来保护秘密信息,侧信道攻击通过捕获侧信道数据对加密算法进行攻击。相关功耗分析(Correlation Power Analysis,CPA)攻击具有易于捕获功耗数据、算法实现简单、攻击效率高等特点,是加密算法的重要威胁之一。掩码技术是一种常用于防御功耗分析攻击的技术,这种技术在不修改算法本身功耗特点的情况下,引入随机数。掩码使算法中间值随机化,降低算法中间值与功耗数据的相关性,能够防御相关功耗分析攻击等。对有限域(Galois Field,GF)实现的高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)算法、SM4算法使用掩码技术进行防护,重点在于优化有限域求逆算法。针对AES算法、SM4算法分别提出一种有限域掩码算法,使用全掩码技术,其中包含一种通用的有限域求逆算法。该GF(28)上求逆算法共使用6个GF(24)乘法模块,2个GF(24)平方模块,2个GF(24)平方后乘常数模块和1个GF(24)求逆模块,求逆结果输出基本同步。实验结果表明,掩码算法有效提升了算法硬件实现的抗功耗攻击能力。

“数字集成电路设计”教学方法研究与探索

当前安徽大学“数字集成电路设计”课程的开展存在诸多问题(如教学方法单一,验证性实验内容相对简单,实验课程考核机制单一等),因此教学方法亟须改进。针对课程的现状,立足于教学模式、教学内容和考核方式三个方面进行改革和探索,积极探索“新工科”背景下数字集成电路设计的教学新方法,提出采用线上线下混合式教学方式,激发学生的学习兴趣,致力于提高学生的主观能动性和创新能力。

用于循环肿瘤细胞分选的双螺旋惯性微流控芯片设计与仿真

在弯曲流道中流体的惯性效应明显时,微流道中的微球受到惯性升力和Dean曳力发生侧向运动,从而实现微球分离。使用SolidWorks软件构建双螺旋微流控芯片模型,然后用Meshing软件进行网格划分,采用AnsysFluent软件对微流体中微球的运动状态进行仿真模拟。结果显示:在较宽的雷诺数(25-375)下,双螺旋微流控芯片在惯性分选不同大小的微球时,S型结直经(2.25mm、2.7mm、3.15mm)、通道高度(100μm、125μm、150μm)对微球分选均有影响,微球的聚焦情况与微通道结构有关,通道结构改变,导致惯性升力和Dean曳力的变化,从而影响微球在微通道中的聚焦情况。在S型结直径为2.7mm、通道高度为100μm,雷诺数为200时,各微球之间距离最大,分选效果最佳。本研究为设计用于分选循环肿瘤细胞的微流控芯片设计提供理论依据和参考。

秘密共享:高阶掩码S盒和有限域安全乘法设计

在信息时代,信息安全是最不能忽视的重要问题,对密码设备的攻击和防护是该领域的研究热点。近年来,多种对密码设备的攻击已为人所知,其目的都是为了获取设备中的密钥,在众多攻击中,功耗侧信道攻击是最受关注的攻击技术之一。掩码技术是对抗功耗侧信道攻击的有效方法,然而随着攻击手段的不断进步,1阶掩码的防护已经不足以应对2阶及以上的功耗分析攻击,因此对高阶掩码的研究具有重要的意义。为了提升加密电路抗攻击能力,该文基于秘密共享的思想,对分组密码算法的S盒变换实施了高阶掩码防护——共享型掩码,并基于Ishai等人在Crypto 2003上发表的安全方案(ISW框架)提出了有限域安全乘法的通用设计方法。通过实验表明,该文提出的共享型掩码方案不影响加密算法的功能,同时能抵御1阶和2阶相关功耗分析攻击。

体硅CMOS工艺下一种带隙基准的单粒子辐射特性分析

为了分析带隙基准(bandgap reference,BGR)在太空环境等极端条件下的单粒子辐射特性,分别在65 nm和28 nm体硅CMOS工艺下设计实现了一款BGR试验芯片,并采用脉冲激光单粒子模拟试验研究了其单粒子辐射特性。试验结果发现,当脉冲激光能量足够高时,BGR的输出电压显著增加,且退火后电压不能恢复,表明BGR发生了单粒子硬损伤(single-event hard damage,SHD),进一步的试验研究证明BGR中的三极管是诱发SHD的敏感器件。该研究为在体硅CMOS工艺下对BGR进行抗SHD加固设计提供了重要理论参考。

面向数字信号处理领域的近似计算技术应用与研究进展

在信号处理领域,近似计算技术备受关注。复杂算法和海量数据限制了应用的处理速度且增加了系统硬件消耗。由于信号具有冗余性,精确结果并非必需,满足用户可接受的结果已足够。因此,采用近似计算技术可以有效减少计算量,提高计算效率和系统性能。该文以近似计算技术的不同设计层次为切入,首先介绍了信号处理应用的特点,综述了近年来近似计算技术在算法和电路层面的研究进展,并调研了通信、视频图像以及雷达等信号处理方向的近似计算技术方案。最后,对该领域的发展方向进行了讨论和展望,为推动近似计算技术在信号处理领域的应用提供了思路。

基于45 nm CMOS SOI工艺的毫米波双频段低相噪压控振荡器设计

本文基于45 nm互补金属氧化物半导体绝缘体上硅工艺(Complementary Metal Oxide Semiconductor Silicon On Insulator,CMOS SOI)设计了一款支持5G毫米波24.25~27.5 GHz和37~43.5 GHz双频段的低相位噪声压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO).基于CMOS SOI工艺良好的晶体管开关特性,结合开关电容阵列及开关电感方案,提高宽带调谐电容、电感Q值,扩展VCO工作频段,降低相位噪声.同时,输出匹配网络也采用开关电容切换方式,实现了5G毫米波双频段良好阻抗匹配及稳定功率输出.流片测试结果表明该VCO可以完整覆盖5G毫米波双频段24.25~27.5 GHz和37~43.5 GHz,低频段输出功率-4.8~0 dBm,高频段输出功率-6.4~-2.3 dBm.在24.482 GHz载频,1 MHz频偏处的相位噪声为-105.1 dBc/Hz;在43.308 GHz载频,1 MHz频偏处的相位噪声为-95.3 dBc/Hz.VCO核心直流功耗15.3~18.5 mW,电路核心面积为0.198 mm^(2).低频段(高频段)的FoM(Figure of Merit)及FoMT优值分别达到-181.3 dBc/Hz(-175.4 dBc/Hz)、-194.3 dBc/Hz(-188.3 dBc/Hz).

模拟混合视频处理电路单粒子效应测试系统设计

为开展模拟混合视频处理电路的单粒子效应研究,通过改变伪CCD信号源的输出信号,建立一款模拟混合视频处理电路的单粒子效应测试系统,实现该器件的单粒子闭锁、单粒子翻转与单粒子功能中断等单粒子效应的评估。通过在中科院近物所回旋加速器和中国原子能院串列加速器的试验测试,获取有效数据。试验结果表明该试验方法及测试系统可以有效评估器件的单粒子性能,为器件的加固设计提供有力数据支撑。

基于VHDL-AMS的模数转换器辐射效应建模与仿真方法

模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)是连接模拟信号域与数字信号域的关键器件,而现有研究缺乏ADC辐照效应建模的相关内容.为满足大型模数混合信号系统辐照效应建模仿真的需要,本文提出了建立具有辐照效应的ADC行为级模型的方法.首先根据ADC的工作原理将其拆解为不同的通用模块,使用模拟和混合信号硬件描述语言(Very High speed integrated circuit hardware Description Language for Analog and Mixed Signals,VHDL-AMS)建立了各模块的行为级模型.接着根据基本原理将各模块动态组合为未辐照情况下基本的ADC模型.对于ADC的辐照效应,通过开展辐照试验,测量了ADC芯片HWD7710和SAD9434受总剂量(Total Ionizing Dose,TID)效应和中子辐射(Neutron Radiation,NR)效应影响的工作参数,并利用最小二乘法拟合获得ADC的工作参数与辐照剂量的关系式.最后根据辐照关系式,在基本模型上添加辐照参数模块,并建立两种不同结构ADC的TID与NR模型.通过仿真结果与试验数据对比,验证了所建ADC辐射效应模型的普适性和精度.模型的静态参数仿真结果与试验结果的相对偏差在5%以内,证明该方法支持对不同ADC及不同辐射效应进行辐照效应模型建模.

硅基太赫兹发射机集成电路研究进展

近年来,太赫兹频段作为下一代6G通信技术的备选频段受到了广泛关注,太赫兹也成为研究热点。太赫兹集成电路(芯片)是推动各种太赫兹应用系统快速发展的关键。随着硅基工艺的特征频率/最大振荡频率(fT/fmax)不断提高,采用低成本硅基工艺,在太赫兹频段实现全集成的硅基太赫兹发射机成为可能。本文简要综述了基于硅基工艺的太赫兹发射机芯片技术的重要研究进展,包括150 GHz直接上变频发射机芯片、220 GHz滑动中频超外差发射机芯片,以及D波段直接调制发射机芯片。实验测试验证了太赫兹频段在高速通信应用中的优势,硅基太赫兹收发集成电路有望成为6G系统中突破高速数据速率需求的关键技术。