一种基于频差自校准的高精度RC振荡器

提出了一种基于频差自校准的高精度RC振荡器。通过对PTAT高频环形振荡器时钟计数,得到RC振荡器和参考时钟的计数偏差。数字自校准电路通过电阻阵列校准参考电压,减小计数偏差,进而得到稳定的振荡频率。参考时钟仅在工作前校准,实际工作中不需要额外的参考时钟。该RC振荡器采用CSMC 0.18μm工艺,工作电压为1.8 V。仿真结果表明,该电路可以产生2 MHz的稳定振荡频率,整个系统的功耗为48.4μW,启动时间小于15μs。在-40~125℃温度范围内,振荡频率变化率小于±0.2%。在1.70~1.98 V供电电压范围内,振荡频率变化率小于±0.25%/V。

一种基于相位误差校正技术的快速启动晶体振荡器

随着超低功耗(Ultra-Low Power,ULP)物联网(Internet of Things,IoT)系统的发展,采用能量注入技术的快速启动晶体振荡器因对IoT系统功耗影响巨大而逐渐成为研究热点.能量注入技术可以显著降低晶体振荡器的启动时间和启动能量,但是对注入源的精度要求苛刻.为了扩大注入频偏容限以及实现高注入效率,本文提出了一种基于延迟锁定环的相位误差校正技术.该技术将注入频偏容限扩大到2%,启动过程的非注入持续时间仅为4个周期,实现了高效注入.本文所述晶体振荡器采用40 nm CMOS工艺设计并流片.在1.0 V电源电压下采用24 MHz晶体进行测试,当注入频偏高达2%时,实现了7.2μs的启动时间,启动能量为5.1 nJ.相比同频偏下的传统注入方案,启动时间缩短了99.66%.

一种基于嵌套结构的锁频锁相高功率微波振荡器仿真研究

高功率微波(HPM)产生器件通过增加慢波结构的过模比使得功率容量显著提高。嵌套型结构让过模器件的空心结构或内导体结构得到使用,同时嵌套型器件的低阻抗使得其与低阻脉冲功率源能良好匹配。基于内外嵌套结构提出了一种锁频锁相高功率微波振荡器。相对于传统的锁频锁相方法,提出了基于耦合波导实现锁频锁相的新方法。内外相对论速调管振荡器(RKO)产生的微波信号通过耦合波导泄漏到高频结构中,对电子束进行预调制,从而实现锁频锁相。另外,为实现内外高功率微波通道合成,设计了双通道功率合成器。在振荡器的工作频点,功率合成器能弥补振荡器两输出通道相位差,使得功率合成效率提高,合成效率为98.3%。在二极管电压575 kV,磁场强度0.6 T条件下,内外RKO的微波输出功率分别为2.2 GW和3.2 GW,频率差波动小于20 MHz,相位差稳定在10°附近;加载双通道功率合成器,仿真结果表明,微波输出功率为5.31 GW,功率效率32.2%。结果表明,嵌套器件在互锁状态时,振荡器饱和时间缩短,输出功率增大。

基于等效阻抗渐变变压器的宽带压控振荡器

设计了一种基于65 nm CMOS工艺的毫米波宽带压控振荡器(VCO)。分析了应用于宽带VCO的宽带化技术。针对高频相位噪声性能恶化这一问题,提出并设计了一种等效阻抗渐变变压器,以优化VCO高频段相位噪声。该压控振荡器输出信号频率为20.4~40.2 GHz,覆盖24~26 GHz、38~39 GHz两个5G毫米波通信频段。全频带内,相位噪声小于-102 dBc/Hz,品质因子大于180.9 dBc/Hz。

基于偏振自稳定双环的受激Brillouin散射光电振荡器

基于偏振自稳定双环结构提出一种受激Brillouin散射(SBS)光电振荡器(OEO),利用SBS的窄带宽增益谱实现相位调制到强度调制的转换(PM-IM),并选择OEO的振荡模式,构造偏振自稳定双环结构,在每个回路中的输入光被45°Faraday旋转镜反射后,将通过45°Faraday旋转器和不同长度单模光纤返回其路径,保证输出信号和输入信号的偏振态始终相差180°,从而消除外界机械振动和温度干扰.由于环路结构为反射式往返传输,因此所需光纤长度缩短1/2.实验结果表明,该OEO通过改变泵浦光波长实现频率调谐,可产生1~16 GHz的微波信号,10 GHz处边模抑制比(SMSR)达67.14 dB,相位噪声为-116.3 dBc/Hz@10 kHz.

一种基于环振荡器的真随机数发生器

真随机数发生器(TRNG)是一种用于生成真随机数的设备,是安全芯片中的重要单元之一,生成的真随机数是确保通信加密及身份认证等密码协议安全性的必要工具。仿真实验结果表明,随着抖动源抖动程度的增大,每次采样的熵趋近于1,即使在最坏的情况下也能达到误差低于10-4的水平。文章进一步分析环振荡器(RO)的数学模型并提出一种基于环振荡器的高效率、低成本的真随机数发生器。

一种基于斩波拓扑的高精度RC振荡器

设计了一种采用0.18μm CMOS工艺制作的基于斩波拓扑的高精度RC振荡器。该结构对比较器失调有较好的抑制效果,并补偿了比较器传输延时对输出时钟频率的影响,达到了较好的温度特性。同时使用LDO对振荡器的主体电路供电,有效抑制了电源电压波动对输出频率的影响。另外该振荡器使用电容修调网络,减小了工艺漂移对中心频率的影响。仿真结果表明,所设计的振荡器在不同工艺角下均可以通过修调将频率校准至典型值2 MHz。在-40~125℃的温度范围内,输出频率的波动仅为0.87%。在3~6 V的电源电压范围,输出频率的波动仅为0.21%。与同类型的片上RC振荡器相比,该电路对温度、电源电压和工艺的漂移有更好的抑制作用。

基于PSS+PXF的ISF高精度振荡器噪声分析模型

提出了一种基于PSS+PXF的ISF的相位噪声模型,用于预测振荡器的相位噪声。该模型相对传统的拉扎维模型考虑了振荡器的非线性时变特性,因此更加精确。通过仿真验证了该模型的有效性,基于PSS+PXF的ISF的相位噪声模型精度相比传统拉扎维模型提升200%以上。

采用两步式数字校准的低温漂松弛振荡器

针对传统片上振荡器设计面临的时钟频率难以实现高精度校准的问题,提出基于二分搜索法的数字校准方法,实现了振荡频率校准并提高了校准的线性度。校准算法采用了粗校准加细校准的两步式校准过程,大大增加了频率校准范围。针对振荡频率的温度漂移问题,提出了新的温度补偿方案,在传统一阶温度补偿的基础上,增加了亚阈值电流自补偿的高阶补偿机制,大大降低了温度变化对输出频率的影响。在校准电路的设计中,合理设置开关电阻阵列的温度系数以保证输出频率的校准不影响输出频率的温度稳定性。对振荡器版图提取了寄生参数,并进行了仿真,仿真结果表明:经过所提频率校准和温度补偿方案,典型情况下振荡频率误差小于0.04%;在-40~125℃温度范围内频率误差小于±0.12%;2.5~5.5 V电源电压范围内频率随电源电压变化误差小于±0.13%;电路工作电流为47.6μA,完成一次校准时长不超过2.7 ms。该振荡器可用于物联网、处理器等应用,可以取代片外晶体振荡器,能够降低系统成本和体积。

基于台阶声光调Q外腔泵浦MgO:PPLN光参量振荡器的3.4μm中红外脉冲串激光器

本文报道了一种台阶声光调Q外腔泵浦MgO:PPLN光参量振荡器的3.4μm中红外脉冲串激光器.建立了基频台阶声光调Q理论模型,模拟了不同台阶调Q间隔时光子数密度随时间变化趋势,获得了台阶信号最优触发时间,确定了台阶声光调Q获得脉冲串激光输出的可能性.根据理论模拟设计台阶信号触发时间,并应用于台阶声光调Q外腔泵浦MgO:PPLN光参量振荡器的中红外脉冲串激光器实验中,在每个重复周期内声光Q开关分三次开启,获得了单脉冲包络含三个子脉冲的3.4μm中红外脉冲串激光输出.脉冲包络内子脉冲间隔为5μs,最窄脉宽为12.8 ns,脉冲包络重频为20 kHz,理论和是实验中均发现脉冲包络内子脉冲宽度逐渐增大.在最大平均输出功率为1.08 W时,1064 nm基频光与3.4μm参量光的光-光转换效率为10.05%,光束质量因子M 2为2.01.

LD环状侧面均匀泵浦Nd∶YAG激光振荡器

激光二极管(Laser Diode,LD)环状侧面均匀泵浦的激光振荡器具有结构简单、光束质量高、单脉冲能量大等特点,常常在高能脉冲固体激光器中作为主振荡功率放大(MOPA)结构的振荡器,一直是国内外科研人员研究的重要方向之一。本论文通过Zemax软件对不同激光二极管排列方式以及不同工作物质吸收系数对吸收光场的影响的进行了仿真。基于仿真结果,设计了一种20个bar条串联的环状侧面泵浦结构,以提高晶体吸收的均匀性。通过该环状侧泵结构,结合超高斯非稳腔设计,搭建了一种双棒串接激光振荡器进行实验研究。该振荡器实现了在100 Hz重复频率下,单脉冲能量为496 mJ、脉冲宽度为12.4 ns的1064 nm激光输出,光束质量优于9 mm·mrad,光-光转换效率为18.5%。并且该振荡器可以维持光轴稳定不变的同时,实现20 ns脉宽以内变档可调。实验结果证明了该环状侧面均匀泵浦结构可靠有效,为MOPA结构振荡器选取提供了一种有效的方案。

空化射流水力振荡器研制与试验

为解决油井井筒存在结垢现象后导致卡钻的风险与石油产出率降低的问题,利用淹没射流产生剪切空化,设计一种空化射流水力振荡器,与高压旋转射流除垢装置配套使用提升井筒除垢效率,利用数值模拟对空化射流水力振荡器内部相关结构参数进行优化,得到最优结构参数和振荡频率、幅值。通过开展现场试验,检验空化射流水力振荡器的具体参数是否符合井筒除垢要求。通过正交模拟得到射流喷嘴到喉管距离L=13.52 mm、喉管长度D=64.47 mm和射流喷嘴角度α=156.92°的最优参数,且该参数下的振荡频率为9.92 Hz。现场试验结果表明,空化射流水力振荡器与旋转冲洗器配合使用比传统水力振荡器与旋转冲洗器除垢速度最高提高16.2%。这表明空化射流水力振荡器对除垢装置的除垢效率有明显的提升,空化射流水力振荡器内部结构无相对运动部件使得振荡器运行稳定且装置维护成本低。所得结论可为水力振荡器的研究与工程应用提供技术指导。

全光纤结构拉曼振荡器实现近1.8 kW激光输出

拉曼光纤激光器在实现高功率特殊波长激光方面具有独特优势,受到了广泛关注和研究。近年来,随着渐变折射率多模光纤在拉曼激光器中的运用,不仅提高了可注入的泵浦功率,还通过光束净化特性实现了激光亮度增强。

带双腔反射器的X波段低磁场过模相对论返波管振荡器

提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器(RBWO),其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构,较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分,插入同轴避免了高阶模式的竞争,使两段慢波结构分别工作在TM_(02)和同轴TM_(01)模式下。同时,插入同轴还起着模式转换的功能,将TM_(02)转化为TM_(01),最终在输出波导中输出纯TM_(01)模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离,同时为电子束提供足够的预调制,实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计,在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下,获得了3.5 GW的微波输出功率,微波中心频率为9.46 GHz,转换效率约为35%。

脉冲型流体振荡器射流对叶栅角区分离的控制研究

通过流体振荡器特有结构产生双孔振荡射流,采用非定常数值模拟方法研究其抑制压气机叶栅大攻角下角区分离的控制机理。重点分析了射流位置、射流角度、射流流量和单个/阵列型射流对控制效果的影响。结果表明:在近端壁单个射流器方案下,最佳射流位置位于角区分离未充分发展处(54%叶片轴向弦长),最佳射流角度和射流流量比分别为10°和0.09%,并使总压损失系数降低6.48%,静压升系数增加2.39%。振荡射流通过向附面层内低能流体注入高流向动量,抑制了附面层的发展;其非定常激励将吸力面大尺度分离涡离散破碎成一系列小尺度涡,并且其锁频效应减小尾缘压力脉动幅值,最终减小损失。相比单个射流器方案,阵列型射流方案在全叶高范围内进行振荡射流,通过5倍流量的输入,使气动性能增益增加了约1倍。

水力振荡器性能参数与减阻率影响规律研究

为更科学地优化水力振荡器的参数设计及施工参数设置,建立了水平段钻柱振动模型并进行了数值模拟,采用Minitab软件对数值模拟结果进行了分析,研制水力振荡减阻试验装置并开展了振荡减阻机理试验,通过方差分析了钻压、振动幅值及频率对减阻率的影响规律。分析结果表明:各因素对摩阻的影响程度由大到小依次为振动幅值>钻压>振动频率,其中钻压对减阻率的影响表现为消极,振动幅值和频率对减阻率的影响表现为积极,同时钻压、振动幅值、频率3个因素对减阻率变化的贡献率分别为11.76%、51.98%及10.97%,振动幅值是水力振荡器设计中需要优先考虑的因素。研究结论可为水力振荡器的参数设计及现场应用中施工参数的设置提供理论支撑。

电路及谐振子参数对YIG调谐振荡器相位噪声的影响

利用单一变量法,详细分析了某型YIG调谐振荡器不同电路参数(如基极反馈电感、负压电阻等)及谐振子参数(耦合环大小、小球饱和磁化强度等)对振荡器相位噪声的影响。结果表明,振荡器相位噪声随基极反馈电感的增大而增高,高频端的相位噪声相对低频端随负压电阻的增大改善更大;而对于YIG小球铁磁共振线宽ΔH,相对于高频端来说,相位噪声随ΔH的增大在低频端增高更多。总之,降低YIG调谐振荡器的相位噪声是根据各指标需求综合优化振荡器电路各参数的结果。

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).

C波段高效率同轴渡越时间振荡器的仿真研究

C波段高功率微波产生器件在通信、雷达等领域具有重要的应用前景,工业部门对其紧凑化和轻量化的需求越来越迫切。本文采用理论分析和2.5维粒子模拟方法,设计了一个基于三腔调制双腔提取结构的C波段高效率同轴渡越时间振荡器(coaxial transit-time oscillator,CTTO),有利于实现低频段高功率微波器件的轻小型化。在调制腔前设计合适的反射腔可以有效预防横电磁波模式(transverse electromagnetic mode,TEM)反向传输到阴极区域,同时能预调制电子束,有效提升器件转化效率。经模拟优化后的典型结果表明:当二极管电压458 kV、电流9.6 kA及外加导引磁场1.05 T时,在中心频率6.37 GHz处获得了功率1.83 GW、转化效率41.6%的微波输出。

基于Hopf振荡器的Spiking-CPG六足机器人步态运动控制

中枢模式发生器(central pattern generator,CPG)在六足机器人的运动步态控制中起着至关重要的作用。为能够更高效、更低能耗地控制六足机器人的步态运动,提出了一种Spiking-CPG(SCPG)神经网络作为六足机器人的仿生控制系统,其结合Hopf振荡器与以时疏的spiking信号传递信息的仿生神经元LIF(leaky integrate-and-fire),采用环型拓扑结构,使用六组各2000个LIF神经元组成的集合相互连接而成。该SCPG控制系统能够生成六足机器人常见的波动步态、四足步态、三足步态,通过调节相位差参数实现快速、顺滑、稳定的切换运动步态,实时调整所需的频率、振幅,在面对外界干扰时能够在很短的时间内恢复原状,具有很好的鲁棒性。在Webots平台上搭建了一个三维的六足机器人模型,将SCPG的信号输出并经过关节映射函数变换后,来控制六足机器人的运动,验证了所设计六足机器人的运动稳定性和SCPG控制方案的可行性与有效性。最后,在Intel的Loihi芯片上移植了SCPG神经网络控制器,结果表明,其具备高效的执行速度和更低的能耗,在六足机器人的运动控制中具备良好的应用前景。