低功耗芯片技术的研究及其RFID中的应用

论文摘要

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。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 低功耗技术
• 1.1.2 射频识别技术
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 低功耗设计技术
• 1.2.2 射频识别电子标签
• 1.3 论文的研究内容和贡献
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 低功耗的理论基础与电子标签的低功耗研究
• 2.1 低功耗的理论基础
• 2.1.1 低功耗定义解析
• 2.1.2 功耗产生机理
• 2.2 RFID电子标签的低功耗研究
• 2.2.1 RFID系统物理基础
• 2.2.2 电子标签芯片的功耗需求分析
• 2.2.3 电子标签数字基带处理器简介
• 2.2.4 电子标签数字基带处理器的分布式架构
• 2.3 小结
• 第三章 CMOS电路的低功耗技术及低功耗电子标签的设计与实现
• 3.1 CMOS电路的低功耗研究
• 3.1.1 低功耗设计的基本方法
• 3.1.2 CMOS电路低功耗技术
• 3.2 低功耗RFID电子标签数字基带处理器的设计
• 3.2.1 系统级/结构级低功耗技术的应用
• 3.2.2 RTL电路级的低功耗设计
• 3.2.3 低功耗电子标签基带处理器的实现
• 3.3 小结
• 第四章 低功耗绝热电路技术的研究及其在电子标签中的应用
• 4.1 绝热电路理论原理
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 绝热电路概念
• 4.1.3 绝热电路分析模型
• 4.1.4 绝热电路的分类
• 4.1.5 绝热电路系统结构
• 4.2 准静态绝热电路逻辑2N-2N2P2D
• 4.2.1 绝热逻辑电路2N-2N2D
• 4.2.2 准静态绝热电路逻辑2N-2N2P2D
• 4.2.3 具有置位/复位功能的绝热锁存器电路
• 4.2.4 其他绝热逻辑电路2N-2N2P2D单元
• 4.2.5 功能电路仿真
• 4.3 绝热只读存储器单元ADL ROM的设计
• 4.3.1 绝热ADL ROM简介
• 4.3.2 绝热ADL ROM的工作原理
• 4.3.3 功耗分析
• 4.3.4 电路仿真
• 4.4 绝热电路半自动设计方法的研究
• 4.4.1 设计思路
• 4.4.2 绝热电路逻辑单元库
• 4.4.3 绝热电路半自动设计流程
• 4.4.4 传统CMOS门级网表到绝热电路门级网表的转换
• 4.5 绝热低频电子标签芯片的设计与实现
• 4.5.1 引言
• 4.5.2 绝热低频电子标签芯片架构
• 4.5.3 绝热数字基带处理器的设计与实现
• 4.6 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文和专利