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低功耗芯片技术的研究及其RFID中的应用

何艳  
【摘要】: 随着集成电路技术的飞速发展和广泛应用,由功耗所引发的能源消耗、封装成本、以及高集成度芯片散热等问题日益突显,越来越受到人们的重视;低功耗技术已成为当今集成电路发计的一个研究重点和热点。低功耗技术的研究主要涉及了工艺、封装和电路设计三大层面;其中电路设计层面具有成本低、适用范围广的特点,有很大的优化空间。本文针对低功耗芯片设计技术进行了系统地研究,并将研究成果成功应用到一个典型的低功耗无线通讯系统——射频识别(RFID,Radio Frequency Identification)系统中。 本文首先分析了不同供电机制系统低功耗的特征,区分了“低能耗”和“低功率”的概念,详尽阐述了功耗的产生机理;在此基础上,结合RFID系统中电子标签芯片的工作原理,针对其特殊的低功耗需求,提出了一种适合电子标签数字基带处理器的分布式架构。 接着,比较系统地介绍了降低功耗的四种基本途径,研究了传统CMOS电路不同设计阶段的各种低功耗技术;并将其灵活应用到电子标签芯片的设计中,提出了一种简单有效的随机数发生机制和一种新颖的分步式译码电路,分别设计并实现了超低功耗的超高频、高频和低频电子标签数字基带处理器芯片。测试结果表明:本文设计与国外的同类设计相比,在功耗方面具有较大的优势。 本文还积极探索了一种新颖的低功耗技术——绝热电路技术:提出了一种准静态绝热逻辑电路结构(2N-2N2D2P),有效地避免了动态绝热逻辑中因电路节点充放电而产生的冗余功耗;同时为了完善绝热电路的逻辑功能,提出了一种具有置位/复位功能的绝热锁存器电路结构;将绝热电路技术应用到ROM电路的设计中,提出了一种绝热ROM存储器单元电路(ADL ROM),大大降低了读操作时位线负载电容充放电而产生的动态功耗。为了促进绝热电路技术在集成电路设计中的应用和推广,本文还开发了一套绝热电路的半自动设计方法,并设计了与之配套的绝热单元库。最终,将绝热电路技术的研究成果巧妙地与RFID系统设计相结合,设计并实现了一款绝热低频电子标签,目前该芯片正处于测试过程中。仿真结果表明,绝热数字基带处理器比传统CMOS电路的设计节省了约88%的功耗。


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