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关键词： 单光子探测器   硅雪崩光电二极管   盖革模式   门控电路   微分噪声  

摘要： 单光子探测器门控读出电路是一种带时钟门控的数据读出接口电路,将硅雪崩光电二极管(Silicon Single-Photon Avalanche Diodes,Si-SPAD)雪崩电流转换为电压信号,同时实现淬灭功能。但是门控电路中的采样电阻上会产生强微分噪声,其幅值通常远大于雪崩信号,导致雪崩信号完全被淹没。如何从混叠信号中提取出弱雪崩信号,成为使用门控电路进行单光子探测时首要处理的问题。本文深入研究了产生微分噪声的影响因素,设计并比较了三种微分噪声抑制方法,实现了噪声抑制比达56.5 dB的雪崩信号门控读出电路。主要研究内容如下:(1)基于搭建的门控电路,研究了微分噪声信号产生的因素。测试了不同门控信号的重复频率、占空比、上升时间、过偏压、结电容等条件下的采样电阻上的分压-时间曲线,实验结果显示,当门控信号为脉冲信号时,尖峰噪声大小随着脉冲信号上升时间增长而减小,随着SPAD结电容值增大而增大;当门控信号为正弦信号时,随着门控信号频率增高,正弦微分噪声幅值变大,与仿真结果一致。(2)设计并研制出了三种门控微分噪声抑制电路:低通滤波电路,带阻滤波电路和差分电路。基于Cadence Orcad Pspice对三种电路的仿真验证结果,搭建电路并进行了测试,成功将雪崩信号从微分噪声中提取出来,三种电路的噪声抑制比分别达,42.3 dB(20MHz)、51.1 dB(159 MHz)和56.5 dB(250 MHz)。采用可调电容差分电路可对不同频率不同类型门控信号产生的微分噪声进行抑制,从而避免受到滤波器工作带宽范围的影响。(3)对三种电路进行了初步应用,在工作温度为18℃,过偏压为1V的情况下,低通滤波电路暗计数率为2.54×10-3/门,带阻滤波电路暗计数率为4.66×10-4/门,在差分电路中,当门控信号为250 MHz的正弦波时,暗计数率为1.52×10-4/门。

关键词： 功率放大器   GaAs HBT   MMIC   5G   电路  

摘要： 移动通信系统的发展进步对人类的信息交流与共享正在产生新的价值。在5G通信系统中,射频前端芯片模块占据着至关重要的位置,功率放大器（Power Amplifier,PA）作为其中十分关键的器件,直接决定了发射系统的输出功率、效率、线性度、增益和工作带宽等性能,影响着整个通信系统的通信质量。在整个射频前端模块的研发中,如何提升PA的相关性能以产生更佳应用价值成为了科研人员们急需解决的实际问题。本文以应用于5G通信的具有温度稳定性、小尺寸的高线性功率放大器的实现进行了有效的研究。本文的重点内容及创新点如下:1、基于AWSC的2μm InGaP/GaAs HBT工艺进行了一款应用于5G通信射频前端的小尺寸功率放大器MMIC研究,采用全片上集成的方式。集成的模块电路包括:HBT并联晶体管、输出匹配电路、偏置电路、ESD电路、反馈电路,输入和级间匹配电路。2、为了实现小尺寸下PA的线性高功率输出和良好的热稳定性,提出了一种自适应偏置电路,通过两个sensor（温度感应）管与合适的电路结构对PA温度稳定性起到了良好效果,在线性补偿电路合适位置上添加合适大小的电容提升了PA的线性度。3、为了小尺寸下使PA输入、输出阻抗匹配到标准阻抗50Ω,并且有良好的谐波抑制效果。使用键合线（bondwire）替代部分片上电感设计了具备谐波抑制能力的输出匹配电路,在匹配良好的情况下使得二次谐波及高次谐波得到了很好的抑制。另外在输入匹配和choke电感位置也进行了部分电感的键合线替换,使芯片的小尺寸实现成为了现实。经过两次流片测试,本文设计的MMIC功率放大器工作于3.3 GHz～3.6 GHz,芯片面积≤1.7×0.83 mm,小信号S11、S22均小于-10 dB,S21在（34±1）dB范围内;在工作频段内,P达到32 dBm,饱和功率P达到33 dBm,在输出功率P=28 dBm时ACPR达到-35 dBc;二次谐波小于-45 dBc@P _t（28）24 dBm;输出功率P=28 dBm时,PAE>20%。另外还在温度-40～90℃范围内验证了直流电流、饱和功率P、Gain的稳定性。

关键词： 锂离子电池   新能源汽车   储能电站   电池管理系统   均衡电路   软开关  

摘要： 锂离子电池组的不一致性会对串联锂离子电池组的正常使用产生不良的影响。作为电池管理系统(Battery Management System,BMS)的重要组成部分,电池均衡技术对于提高串联锂离子电池组内部一致性、容量利用率和寿命具有重要意义。考虑到目前新能源汽车和储能电站中串联锂离子电池组中存在的不一致性问题,本文分别提出了应用于新能源汽车和储能电站中串联锂离子电池组的均衡电路。本文首先对均衡电路的国内外研究现状进行了全面的介绍,然后根据能量的传输路径将均衡电路分为七大类,分别对这七大类均衡电路进行了总结,并且概括了最近几年出现的几种多模式均衡电路。针对新能源汽车中锂离子电池组的主动均衡电路研究及设计,主要的技术要求是在保证均衡速度情况下,减小均衡电路的体积和降低电路的成本。为此,本文提出了一种基于全桥双极性LC谐振变换器(Full-Bridge Bipolar-Resonant LC Converter,FBBRLCC)的多单体到多单体传输型(Multi-Cell-to-Multi-Cell,MC2MC)的均衡电路,通过在储能元件侧构造全桥结构来改变电流方向,能够实现连续多节电池单体到连续多节电池单体的能量传输,在两种电池电压分布下均实现了快速的均衡,且相比现有的MC2MC型均衡电路,将选通矩阵中开关的数量减少了一半,电路体积明显缩小。同时,由于储能元件选择的LC谐振变换器,其可以实现零电流开关,从而提升均衡效率,降低了开关损耗和均衡电路的电磁干扰。针对储能电站中锂离子电池组的主动均衡电路研究及设计,主要的技术要求是均衡速度快、均衡效率高。为此,本文提出了一种均衡阈值可调的双模式电池均衡电路,其可以实现任意单体到任意单体传输(Any-Cells to Any-Cells,AC2AC)模式和直接单体到单体传输(Direct Cell to Cell,DC2C)模式的能量传输,通过对两个模式切换时均衡阈值的调整可以达到最优的均衡速度,并且在两种模式下均实现了零电流开关,因而在均衡效率上也有较明显的提升。本文对所提出的两种应用于不同场景的均衡电路进行了电路拓扑结构的介绍和均衡原理的分析,并且完成了数学模型的推导和仿真验证,最后分别搭建了硬件实验平台,验证了本文所提出的两种应用于不同场景下均衡电路的有效性与先进性。

关键词： 动态范围压缩   VLSI   UVM验证   高动态范围  

摘要： 随着数字化时代的到来,图像处理技术得到了飞速的发展。人们为了追求更好的图像显示效果,发展出了高动态范围(High Dynamic Range Image,HDR)图像。和传统的显示图像相比,HDR图像具有更高的动态范围,图像层次更加分明,保留的细节更多,对真实场景的还原度也更高。目前,HDR图像已经在监控,手机成像等各个领域广泛应用。由于HDR图像的保真度、还原度高,图像中的每个像素点所占用的存储空间比传统图像大,这导致传统的数字图像显示设备无法完整地展现出HDR图像的每个细节。因此,如何把HDR图像通过特定的压缩算法完整的呈现到显示设备上成了图像处理中的技术难题。为了解决这一难题,人们提出了动态范围压缩(Dynamic Range Compression,DRC)技术。DRC技术可以通过特定压缩过程使HDR图像在细节保留的情况下清晰地呈现在显示设备中。现阶段,集成电路飞速发展。超大规模集成电路(Very Large Scale Integration Circuit,VLSI)也逐渐成为研究热点。其中最具有代表的无疑是芯片产业。在VLSI中实现动态范围压缩的难点有两部分。一部分为动态压缩算法的有效性,需要选择合适的压缩算法,使其在硬件上有良好的压缩效果。另一部分为硬件实现难度,大部分效果好的动态范围压缩算法通常计算复杂,在硬件上无法或很难实现。因此,需要综合考虑硬件实现难度和压缩效果完成基于VLSI的动态范围压缩电路设计。基于此,本文设计并验证了一种基于VLSI的动态范围压缩电路。论文首先阐述了动态范围压缩技术的应用背景,分析了目前主流的动态范围压缩技术。在此基础上,进一步从VLSI电路设计角度出发,结合流水线的硬件设计思想,设计了一种功耗低、效果好的动态范围压缩电路,并对该电路的硬件实现和仿真验证进行了讨论。主要研究内容如下:(1)设计了一种基于双边滤波算法和色调映射算法的动态范围压缩电路。该电路充分运用了硬件设计的流水线思想,整体上通过把HDR图像分解为亮度层、基本层、细节层和映射层的方式,逐步得到压缩图像。具体实施中设计了一种双边滤波硬件电路。该硬件电路采用引入参考帧和查表代替高斯滤波的方式,大大降低了传统双边滤波算法中的计算复杂度,从而在降低硬件消耗的情况下提升了滤波效果。另外,电路在色彩显示上设计了一种全局色调映射结合局部色调映射的硬件结构。该结构把整体图像通过软件配置的全局色调映射曲线进行调整,再结合参考帧处理引入局部色调映射曲线,对图像色彩做了进一步优化。(2)验证了设计电路的可靠性和效果。论文通过研究通用验证方法学(Universal Verification Methodology,UVM),运用UVM平台中的事务级建模功能、(Transaction Level Modeling,TLM)通信机制、factory工厂机制,结合DRC电路架构特点,构建了DRC电路验证平台。根据DRC电路的设计规格和功能特性,编写了完整的测试用例和覆盖率模型,使用Irun仿真工具进行仿真,使用IMC工具对DRC电路设计进行覆盖率收集。最终测试结果显示代码覆盖率达到98%以上,功能覆盖率达到100%。确定了设计的DRC电路的可靠性。在效果上引入实际图像进行测试,测试表明设计的DRC电路对输入图像的显示效果提升明显,图像整体亮度范围更加广阔,色彩显示更加合理,图像细节质量明显提高。

摘要： 近日，第六届全国印制电路标准化技术委员会（SAC/TC47）换届大会暨六届一次全体委员会议在江西吉安召开。换届大会后召开了全国印制电路标准化技术委员会六届一次全体委员会议。会议对第五届标委会工作进行了总结，并对标准化工作先进单位和个人进行了表彰。全体委员对第六届全国印制电路标准化技术委员会章程和秘书处工作细则进行了审议，讨论了印制电路领域标准体系和年度工作计划。

关键词： 新工科   项目驱动   课程思政   案例式教学  

摘要： 在对传统工科课程进行升级改造的新工科背景下，为解决专业基础课时数减少的问题，提高教学效果，文章利用案例式、项目驱动和课程思政等多种教学手段，在锻炼学生动手能力前提下，以看得见的现象和摸得着的结果为抓手，结合理论知识因地制宜地开展电路仿真，辅以针对性较强的问题思考与课堂练习，增强学生主动学习数字电路的积极性。推进以学为中心的多种教学方式的改革与尝试，对建设新工科、促进“课程和工程”融合和培养新一代电路人才具有重要的推广与应用价值。

关键词： 双馈风电机组   低电压穿越   Crowbar保护   暂态特性   投切策略  

摘要： 在我国追求“碳达峰,碳中和”及“构建以新能源为主体的新型电力系统”的时代背景下,能源产业转型已是大势所趋。风力发电被认为是目前技术最成熟、规模最庞大、商业化发展势头最好的新能源发电形式,其电网渗透率逐年上升。双馈风力发电机组由于成本和性能的优势,成为了目前的主流机型。然而由于其定子直接与电网相连,对电网电压扰动的抵抗能力较差,因此其故障穿越技术受到了广泛关注。Crowbar保护电路成本较低且控制简单,是当前应用最普遍的故障穿越方案,但Crowbar投入后机组会失去可控性并且从电网吸收无功功率。可以考虑对其保护策略进行改进,以改善机组的暂态特性。本文针对双馈风电机组故障特性及Crowbar电路优化控制展开研究,主要内容如下:(1)总结了国内外在双馈风机低电压穿越技术的研究现状。建立了双馈风力发电系统的数学模型,对双馈异步电机的数学方程、等效电路和变流器控制策略进行了介绍。(2)基于双馈电机矢量方程,对其稳态和故障暂态的电路响应进行了推导。暂态过程中计及Crowbar电路的投入延时,将故障发生后分为Crowbar投入前和投入后两个阶段,采用叠加原理对电路进行求解,得到了比较精确的定转子电流表达式,并在PSCAD/EMTDC中搭建了双馈风机的并网模型,对理论推导结果进行了验证。之后采用仿真对比和理论分析相结合的方法研究了 Crowbar电路中的关键参数及其对双馈风电机组故障暂态特性的影响。研究发现由于转子侧变流器中存在续流二极管,导致仅依靠Crowbar电路无法同时将流过转子绕组和转子侧变流器的冲击电流限制到较低水平。(3)提出了一种在Crowbar支路靠近变流器侧增加串联保护电阻的改进电路,目的是使转子侧变流器支路的阻抗可控,以此限制流过该支路的冲击电流。通过仿真归纳的方法对Crowbar电阻和保护电阻阻值进行整定。以改进电路为基础,针对传统Crowbar电路投切策略的不足,提出了一套自适应投切策略,增加并网点电压矢量作为投入判据,以并网点电压有效值和转子电流有效值作为基本切除判据。最后通过PSCAD仿真验证了所提保护策略的有效性。

关键词： 直流高压电源   强干扰抑制   打火检测   自恢复  

摘要： 随着科学技术的发展,高压电源在医疗与农业、军事与科学等领域占据着重要地位。如今,高压电源正朝着提高电源功率与缩小电源体积的方向优化发展,在高压电源不断优化的过程中,电源的安全性能受到了广泛的关注。良好的电路结构设计和设备选择可以提升系统安全性,保护电路的设计更是不可替代,二者为电源的安全性能提供了双重保障。本文介绍了高压电源相关知识,包括整流滤波电路、逆变电路、高频升压器和倍压整流电路等,详细分析了电源系统的各项技术指标。针对直流高压电源系统,设计了三种类型保护电路:束流调节保护电路、打火保护电路以及打火保护自恢复电路。在束流调节保护电路中设计多重保护措施,实现电容对强干扰的吸收、压敏电阻的电压钳位以及二极管限幅电路对运放的保护。束流采样信号通过运放与保护电压比较,输出过流信号控制继电器工作,从而达到电源电路保护的目的。运用互感原理设计出一种通过磁环来检测打火信号的新型过流保护电路,称为打火保护电路,电路可接入电源供电端或高压采样端,起到保护电源电路的作用。在打火保护电路的基础上,设计出打火保护自恢复电路。打火信号导通继电器,使得接入高压PID中的减法器动作,经过慢启动电路接入信号调节电源中,后接反向跟随进入高压PID负高压采样,通过高压PID电路调节实现自恢复式抑制高压瞬变的过压保护电路,代替了传统过压保护电路。仿真和实验结果表明,上述电路均能够实现其保护功能,电路结构合理、灵敏可靠,为电源电路系统的安全运行提供了有效的保障。