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一种适用于大规模忆阻网络的忆阻器单元解析建模策略

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物理学报 2021年第17期70卷 331-341页

作者：胡炜廖建彬杜永乾福州大学物理与信息工程学院福州350116 集美大学轮机工程学院福建省船舶与海洋工程重点实验室厦门361021 西北工业大学深圳研究院深圳518057 西北工业大学电子信息学院西安710072

忆阻网络是一种基于忆阻器单元的大规模非线性电路,在下一代人工智能、生物电子、高性能存储器等新兴研究领域发挥着重要作用.描述忆阻器单元物理和电学特性的模型对忆阻网络的性能仿真具有显著影响.然而,现有模型主要为非解析模型,应... 详细信息

忆阻网络是一种基于忆阻器单元的大规模非线性电路,在下一代人工智能、生物电子、高性能存储器等新兴研究领域发挥着重要作用.描述忆阻器单元物理和电学特性的模型对忆阻网络的性能仿真具有显著影响.然而,现有模型主要为非解析模型,应用于忆阻网络分析时可能存在收敛性问题.因此,提出了一种基于同伦分析法(homotopy analysis method,HAM)的忆阻器单元解析建模策略,该策略具有解析性和收敛性优化的特点,可提高忆阻器单元和相应忆阻网络的收敛性.此外,还提出了一种面向忆阻器单元模型的验证准则,以验证模型在大规模忆阻网络中的适用性.通过忆阻器单元和忆阻矩阵网络的长时演化实验以及与传统非解析(数值)方法的比较,验证了所提策略的解析性和收敛性优势;利用不同类型忆阻器单元和输入的实验,验证了该策略的扩展性.进一步地,基于上述实验,揭示了忆阻网络仿真出现收敛性问题的潜在原因.该策略可应用于基于忆阻网络的新兴研究.

关键词：忆阻器忆阻网络讨论分析法解析建模策略

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新型低压低功耗基准电压源

华中科技大学学报（自然科学版） 2013年第11期41卷 114-117页

作者：杜永乾庄奕琪李小明井凯西安电子科技大学宽禁带半导体材料与器件重点实验室陕西西安710071

设计了一种低压、低功耗基准电压源电路．该电路采用工作在亚阈区的MOSFET与传统PNP晶体管相结合的方式，使得电路的输出基准电压与MOSFET阈值无关，具有较低功耗和较高精度．同时，虚拟二极管连接的偏置结构的引入提高了环路增益，进... 详细信息

设计了一种低压、低功耗基准电压源电路．该电路采用工作在亚阈区的MOSFET与传统PNP晶体管相结合的方式，使得电路的输出基准电压与MOSFET阈值无关，具有较低功耗和较高精度．同时，虚拟二极管连接的偏置结构的引入提高了环路增益，进而提高基准源的电源抑制比（PSRR）．采用SMIC0．18“m工艺平台，并完成版图设计以及仿真验证．当基准源输出电压为0．702V时，电源电压工作范围为0．9～3．0V，静态功耗仅为0．6gW，其温度系数为13．6肛V／℃，PSRR接近80dB．在不同工艺角下，该基准电路的输出基准电压最大偏差为9mV．

关键词：基准源低压低功耗电源抑制比亚阈区

低功耗UHFRFID射频/模拟前端解决方案

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华中科技大学学报（自然科学版） 2014年第9期42卷 81-87页

作者：杜永乾庄奕琪李小明刘伟峰西安电子科技大学微电子学院陕西西安710071

提出了用于无源超高频射频识别(UHF RFID)芯片的射频/模拟前端.该射频/模拟前端通过系统分区和分时供电优化了系统功耗,子电路包括整流电路、基准电路、三轨稳压电路、解调/调制电路、上电复位电路以及时钟电路.通过引入阈值补偿,将全C... 详细信息

提出了用于无源超高频射频识别(UHF RFID)芯片的射频/模拟前端.该射频/模拟前端通过系统分区和分时供电优化了系统功耗,子电路包括整流电路、基准电路、三轨稳压电路、解调/调制电路、上电复位电路以及时钟电路.通过引入阈值补偿,将全CMOS整流电路的整流效率提升至不低于48%;电流求和型亚阈值基准电路在保证基准精度的同时,有效降低了功耗和芯片面积;无需大尺寸无源器件的解调电路,并从系统架构层面解决了解调失真的问题.该射频/模拟前端电路采用SMIC 0.18μm CMOS工艺库仿真并投片验证,测试结果表明:直流功耗为3.6μA,芯片有效面积为0.27mm2.将该射频/模拟前端电路集成至一款UHF RFID标签芯片中,采用商用阅读器进行测试,其读取距离>6m,平均读取速率达到89.9个/s.

关键词：超高频射频识别低功耗带隙基准阈值补偿射频/模拟前端

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一种新型无源UHFRFID带隙基准电路

西安电子科技大学学报 2013年第2期40卷 148-152,200页

作者：杜永乾庄奕琪李小明景鑫戴力西安电子科技大学宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室陕西西安710071

设计了一种适用于无源超高频射频识别芯片的电流模带隙基准电路,其中负温度系数电流利用BJT管的基射极电压的负温度特性产生,正温度系数电流利用偏置在亚阈值区的MOS器件其漏源电流与栅源电压呈指数关系的特性产生.该基准电路采用TSMC 0... 详细信息

设计了一种适用于无源超高频射频识别芯片的电流模带隙基准电路,其中负温度系数电流利用BJT管的基射极电压的负温度特性产生,正温度系数电流利用偏置在亚阈值区的MOS器件其漏源电流与栅源电压呈指数关系的特性产生.该基准电路采用TSMC 0.18μm工艺库仿真并投片验证,基准电压的绝对值偏差最大不超过1.75%.测试结果表明,该电路功耗仅为0.65μW,最低工作电压为0.829V,温度系数为±63×10-6/℃,芯片有效面积为0.04mm2.该基准电路已成功应用于一款无源超高频射频识别芯片中,其读取灵敏度为-16dBm.

关键词：超高频射频识别低压低功耗亚阈值带隙基准

无源UHF RFID标签芯片射频/模拟前端设计实现

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无源UHF RFID标签芯片射频/模拟前端设计实现

作者：杜永乾西安电子科技大学

学位级别：硕士

无源超高频射频识别(UHF RFID)技术具有准确性高、存储量大、抗恶劣环境、安全性高的特点,已广泛应用于生产、物流、交通、防伪等领域中,并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。本文对无源UHF RFID标签芯片射频/模拟前端从芯片的系... 详细信息

无源超高频射频识别(UHF RFID)技术具有准确性高、存储量大、抗恶劣环境、安全性高的特点,已广泛应用于生产、物流、交通、防伪等领域中,并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。本文对无源UHF RFID标签芯片射频/模拟前端从芯片的系统结构、高效率的倍压整流电路、低功耗模拟前端电路设计和芯片设计流程等方面对RFID芯片的整体设计进行了研究,并针对测试结果对电路进行了改进设计。本文针对芯片设计难点给出相应的解决方案。对低功耗设计思路,从电路系统结构和具体电路设计两方面给出了解决方案,模拟前端功耗仿真结果和测试结果分别为10.873μW和16μW,达到了低功耗要求;针对高效率倍压整流电路的研究,本文提出了三种设计方案。一种方案是基于Chartered 0.35μm工艺,将肖特基二极管整流器与低阈值偏置电路相结合,提高了电路的灵敏度和能量转换效率。在负载为200K?,输入功率为-15dBm时,输出电压达1.47V,其最低输入电压为275mV,最高能量转换效率为26.2%。同时结合测试结果,在TSMC 0.18μm 1P4M RF Mixsignal工艺对此电路进行了改进设计,改进后的肖特基倍压整理电路的最高整流效率达到了29%。同时提出了另外两种基于本征管的倍压整流电路和自偏置倍压整流电路。对基于本征MOS的倍压整流电路,在输入-12.8dB,负载为100K?时,输出电压达1.642V,此时倍压整流效率为51.2%;对自偏置倍压整流电路,在输入-15dB,负载为100K?时,输出电压达1.423V,此时倍压整流效率为60.35%;对于模拟前端其它低压低功耗电路的设计,包括参考电流源、稳压器、大动态范围的解调器电路和调制反射电路等,本文对电路的原理进行了分析并给出了相应的仿真结果和版图,并流片验证。在芯片测试方面,本文详细介了绍芯片的测试数据,并对测试结果进行了分析。在测试结果分析的基础上,在TSMC 0.18μm 1P4M RF Mixsignal工艺下对电路进行了改进设计,给出了改进电路原理图和仿真结果,并设计了版图。同时本文提出了一种采用标准CMOS工艺的模拟随机数发生器,分析了其原理,并给出了仿真数据。新设计的模拟随机数发生器的动态功耗为800nW,静态功耗为60nW。改进设计的射频/模拟前端版图在Cadence Virtuoso中进行整合得到多个测试芯片,并计划于2009年1月在TSMC进行MPW投片。

关键词： UHF RFID 无源低功耗随机数

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一种可校准的低温漂基准电流源

西安电子科技大学学报 2013年第4期40卷 130-136页

作者：汤华莲庄奕琪张丽景鑫杜永乾西安电子科技大学宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室陕西西安710071

针对由于工艺偏差导致的器件误差和不匹配性会严重降低基准源的性能,在研究器件失配的基础上,设计了幅值在15～80μA之间可调的基准电流源Iref,同时利用温度补偿电路来提高其温度特性.为了进一步提高基准源的精度,提出了一个双向校准电... 详细信息

针对由于工艺偏差导致的器件误差和不匹配性会严重降低基准源的性能,在研究器件失配的基础上,设计了幅值在15～80μA之间可调的基准电流源Iref,同时利用温度补偿电路来提高其温度特性.为了进一步提高基准源的精度,提出了一个双向校准电路,它由8bit的外部信号控制校准电流的方向及大小,并采用二进制加权的编码方式实现127级的等比数列电流校准.基于CMOS 0.13μm工艺,在输出电流为15μA,温度范围为-40℃～120℃的仿真条件下,基准电流温度系数为26ppm/℃.实测结果表明,电流源校正范围为-14.3%.Iref～14.3%.Iref,校正精度为0.11%.Iref,可应用在高精度的A/D和D/A转换器等集成电路中.

关键词：基准电流温度系数工艺偏差校准

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一种新型双通道MOS开关栅压自举电路

西安电子科技大学学报 2014年第3期41卷 138-144页

作者：景鑫庄奕琪汤华莲张丽杜永乾西安电子科技大学宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室陕西西安710071

设计了一种新的低压、高速、高线性度的双通道MOS开关栅压自举电路,该电路采用同时自举NMOS和PMOS的并行结构,不但降低了MOS开关的导通电阻值,同时在输入信号的全摆幅范围内实现了常数的导通电阻;考虑了器件可靠性要求且与标准的CMOS工... 详细信息

设计了一种新的低压、高速、高线性度的双通道MOS开关栅压自举电路,该电路采用同时自举NMOS和PMOS的并行结构,不但降低了MOS开关的导通电阻值,同时在输入信号的全摆幅范围内实现了常数的导通电阻;考虑了器件可靠性要求且与标准的CMOS工艺技术兼容.采用0.13μm CMOS工艺和1.2V工作电压的仿真实验表明,提出开关的导通电阻在全摆幅输入信号范围内的变化量小于4.3%;在采样频率为100MHz,输入峰峰值为1V,输入频率为100MHz时,提出开关的总谐波失真达到-88.33dB,较之传统的NMOS自举开关以及标准的CMOS传输门开关,分别提高了约-14.8dB和-29dB.设计的开关可应用于低压、高速高精度的开关电容电路中.

关键词：自举电路线性 CMOS开关常数导通电阻电荷泵开关电容电路低电压

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结构优化的光寻址电位传感器研究进展

光学精密工程 2022年第16期30卷 1924-1942页

作者：檀杰刘诗斌罗杰璋陈颖豪杜永乾西北工业大学电子信息学院陕西西安710072

光寻址电位传感器(Light Addressable Potentiometric Sensor,LAPS)作为一种电位型半导体场效应传感器,具有灵敏度高、成本低、制备简单等优点,已经发展为无标记生化物质检测和二维生化物质浓度分布可视化分析的重要工具。由于绝缘层中... 详细信息

光寻址电位传感器(Light Addressable Potentiometric Sensor,LAPS)作为一种电位型半导体场效应传感器,具有灵敏度高、成本低、制备简单等优点,已经发展为无标记生化物质检测和二维生化物质浓度分布可视化分析的重要工具。由于绝缘层中存在陷阱电荷、半导体层光电转换效率低以及系统存在噪声干扰、检测信号串扰等的影响,LAPS的灵敏度、线性度、空间分辨率和测量速度受限制。因此,在结构层面对LAPS进行优化有助于提升检测性能。本文首先介绍了LAPS的原理包括传感器的结构与工作原理,基于LAPS的测量系统以及LAPS的测量模式,进而分析了对LAPS进行结构层面优化所取得的进展及其相关应用,最后总结了提高LAPS检测性能的结构优化要点并对未来研究的突破点和关键点进行了展望。

关键词：光寻址电位传感器无标记二维浓度分布可视化结构优化

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一种新型用于VGA的微功耗指数电流电路

电子科技大学学报 2014年第2期43卷 282-286页

作者：杜永乾庄奕琪李小明刘伟峰西安电子科技大学微电子学院西安710071

提出了一种适用于可变增益放大器(VGA)的微功耗指数电流电路。该电路结构简单,以偏置在亚阈值区的MOSFET为核心器件,并利用其漏源电流Ids与栅源电压Vgs呈指数关系的特性产生指数电流。该电路从系统架构出发,通过引入阈值监测电路,控制... 详细信息

提出了一种适用于可变增益放大器(VGA)的微功耗指数电流电路。该电路结构简单,以偏置在亚阈值区的MOSFET为核心器件,并利用其漏源电流Ids与栅源电压Vgs呈指数关系的特性产生指数电流。该电路从系统架构出发,通过引入阈值监测电路,控制电压转换电路及求和电路,补偿了其阈值的工艺和温度偏差,使该指数电流电路具有较好的工艺和温度偏差抑制能力。基于TSMC 0.18μm标准的CMOS工艺平台验证表明:该指数电流电路dB线性动态范围为30 dB,其线性误差为±0.41 dB,最低工作电压为0.9 V,功耗为11μW。

关键词：指数电流指数线性微功耗亚阈值可变增益放大器