基于新型高阶温度曲率补偿的低温漂带隙基准源

为满足多种超高精度装备系统应用需求,基于新型高阶温度曲率补偿技术设计了一种新型低温漂带隙基准源。该电路在传统Brokaw带隙基准源基础上,引入新型的高阶温度曲率补偿电路,在高温段和低温段分别采用相应高阶补偿技术,补偿带隙基准源的高阶温度系数,使该新型低温漂带隙基准源具有极低的电压温度系数,并获得更高精度的基准电压。该电路由基准电压产生电路、高阶温度曲率补偿电路和反馈电路组成。该电路基于40 V特色双极工艺进行电路、版图设计、仿真验证和流片。仿真结果显示,在-55～125℃,输出基准电压精度为0.009 7%,温度系数为9.8×10^-7/℃。实测精度为0.010 6%,温度系数为1.04×10^-6/℃,可为24 bit模数转换器(ADC)提供高精度基准电压。     

适用于高精度ADC的高精度低噪声基准源

提出了一种适用于高精度ADC的高精度低噪声CMOS带隙基准电路结构,通过一路恒流源作用在二极管来实现高阶曲率补偿技术,改善了传统基准电路结构在全温区电压温度系数大的问题。对于放大器的随机失配电压造成的输出电压漂移问题,采用斩波技术消除。该结构采用了TSMC 0.18μm工艺,在5 V电源电压下工作,功耗在典型条件下为1.2 mW,电路面积为0.245 mm²。测试结果显示,通过一次室温修调后,在-40℃到85℃温度区间电路的温度系数可以达到1.2×10^-6/℃。     

基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统研制

针对甲烷气体泄漏高精度、非接触和远距离探测的需求，提出一种基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统。该系统采用高级精简指令集机器(ARM)和现场可编程门阵列(FPGA)双核架构，FPGA实现数字锁相解调提取一次谐波(1f)和二次谐波(2f)信号，ARM通过串行外设接口(SPI)实时接收FPGA解调的1f、2f信号并传送至Labview进行谐波信号分析和甲烷浓度在线解调。通过2f/1f信号处理技术消除光强与靶标反射系数的变化对系统测量结果的影响。研究同等实验条件下0～90 m范围内谐波信号与探测距离的关系，结果表明，2f/1f信号处理技术对噪声抑制效果显著。测量不同积分浓度的谐波信号，采用最小二乘法对2f/1f和气体积分浓度数据进行线性拟合，获得系统标定线性度，为0.9966。对系统误差进行实验测量和分析，在0～2000×10^-6 m范围内，系统测量最大相对误差为-3.66%，最小为-0.23%。利用1500×10^-6 m甲烷浓度的二次谐波信号评估系统的检测下限为70.5×10^-6 m。结果表明，设计和研制的甲烷泄漏遥测系...     

一种具有高PSRR的分段温度补偿带隙基准

基于华虹0.18μm BCD工艺,设计了一种具有高PSRR的分段温度补偿带隙基准。电路采用5 V电源进行供电,基准输出电压为1.256 V。仿真结果表明,在-45～125℃的温度范围内,TT工艺角下,传统结构的温漂系数只能达到2.048×10^-5/℃。采用新型分段温度补偿的带隙基准的温漂系数为3.631×10^-6/℃,相比传统结构,温度系数降低了82.3%。静态功耗为220μW。PSRR在低频可达到-102 dB,在350 kHz处有最差PSRR,但仍有-30 dB。该带隙基准适用于高精度、大电流开关电源的模拟集成电路。     

一种低温度漂移曲率补偿带隙基准源设计

针对传统带隙基准源无法补偿高阶温度项导致温度系数较差的问题,提出了一种高阶曲率补偿电路。电路利用VBE线性补偿原理,使用特定的电路结构产生与双极型晶体管基极-发射极电压开口曲率相反方向的补偿电压,达到降低基准电压高阶温度项的目的。电路基于SMIC 0.18μm工艺进行流片验证,测试结果表明,温度由-40℃变化到125℃时,使用曲率补偿后带隙基准电压的温度系数由14.3×10^-6/℃降低到了3.18×10^-6/℃。     

一种带有分段补偿电路的高阶基准源设计

基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,设计了一种带分段曲率补偿的低温度系数的高阶带隙基准电压源。首先设计了传统一阶带隙基准,温度系数最低可以达到13×10^-6/℃。在传统一阶带隙基准电压源的基础上,加入低功耗的分段补偿电路实现了高阶补偿,在显著降低了温度系数的同时,实现了低功耗,并且可以实现一阶、高阶基准电压的可控制输出。仿真结果显示,在-40～125℃温度范围内,温度系数最低可以达到3.5×10^-6/℃,比一阶基准降低约73%,线性调整率为0.08%,PSRR在1000 Hz可以达到-61 dB,静态电流为4.7μA。高阶基准源电路在实现低温度系数的同时兼顾了较低功耗,在同类型电路中具有明显优势。     

一种输出可调的高精度开关电容基准电压源

设计了一种输出可调的高精度开关电容基准电压源,与现有基准电压源相比,该电路可在圆片阶段利用熔丝修调校正技术对基准电压进行修正,降低芯片制造成本。电路采用开关电容结构降低运放输入失调电压对电路的影响,具有高精度的特点。将该基准电压源应用于一款语音编解码芯片,测试结果表明,其在25℃下输出基准电压为2.355V,在-40～80℃范围内温度系数为19.46×10^-6/℃。     

基于0.18μm CMOS工艺的低温漂低功耗延时电路

基于0.18μm CMOS工艺设计了一款低温漂延时电路,适用于不能使用锁相环电路又对信号传输精度有要求的低功耗传感检测应用。采用正温度系数的偏置电压,通过电流镜为延时电路提供一个正温度系数的偏置电流,利用偏置电流约束电路的延时温漂,实现温漂粗调。采用数字时间转换器,通过外部输入配置,对粗调后的延时进行动态细调,使得延时电路具有更高的动态稳定性和更低的温漂特性。电路测试结果表明,在3.3 V的电源电压下,-55～125℃内延时电路的温度系数为125×10^-6/℃,静态功耗仅为0.72 mW。     

基于电流体动力学喷印法的胶体量子点MEMS气体传感器性能

针对传统的成膜工艺无法实现在百微米级并且结构悬空的微电子机械系统(MEMS)基板上实现气敏薄膜制备的问题,利用电流体动力学(EHD)喷印技术结合氧化钨(WO₃)胶体量子点进行气敏薄膜的无掩模沉积。考虑MEMS基板对沉积精度和工艺条件要求较高,因此首先基于EHD理论建立EHD喷印的数值模型,模拟锥射流形成过程以及电压、油墨属性等因素对锥射流稳定性的影响,并采用实验进行对比分析,验证仿真的有效性并制备出符合喷印的墨水,后采用EHD喷印制备MEMS气体传感器。实验结果表明,利用EHD喷印方法制备的WO₃气体传感器的薄膜致密均匀,在150℃下功耗仅20 mW,对体积分数5×10^-6 NO₂的响应值约为10,能实现体积分数5×10^-7～1×10^-5的NO₂检测,检测下限低至1.6×10^-7,具有优异的气敏性能。     

基于电阻网络修调的高精度基准源

针对高精度集成电路系统,工艺条件导致的误差需要通过修调弥补。基于 0.18 μm CMOS 工艺设计了一种针对片上基准源的修调电路,通过调整数字输入信号,对电阻网络修调电路进行控制,通过重配置输出级电阻比例,从而达到对基准源电压的调整。基准源采用改进的 Neuteboom 带隙电路,在 5 V 电源电压的工艺条件下进行仿真测试,在-40～125 ℃温度范围内,实现了 2.98×10^-6/℃的温度系数。通过电阻网络修调的基准电压变化范围为 2.3840～2.5154 V,电压修调步长为 2 m V。     

基于扫频光谱测量技术的快速高精度折射率传感系统

为达到医学、化学等不同领域对高精度折射率测量的较高要求,基于高精度扫频光谱测量技术,结合倾斜光纤光栅进行折射率测量,提出实现高精度折射率变化传感系统。对倾斜光纤光栅截止模进行了细微差别折射率下的光谱测量,测得折射率响应灵敏度为28.3nm/RIU;对系统在固定折射率下对测量截止模光峰值中心波长的精度进行标定,算出系统的测量精度为1.15×10^-6 RIU,在静态测量情况下测量精度可以达到6.5×10^-7 RIU。     

温补型体声波滤波器设计与制备

基于薄膜体声波谐振器(FBAR)技术的滤波器频率温度系数为(-30～-25)×10^-6/℃,其电学性能受环境温度影响较大,将降低滤波器在全温工作的性能,限制其应用环境,尤其是对滤波器通带插损与矩形系数要求高的应用场合。该文在常规FBAR滤波器中引入正温度系数的SiO₂材料层,通过对滤波器的层叠位置设计及加工工艺等技术的研究,研制出S波段温补型FBAR滤波器器件,其工作频率为3.1 GHz,插入损耗为2.0 dB,带外抑制不小于30 dB,频率温度系数为-0.02×10^-6/℃。     

一种高PSRR的无运放带隙基准电路

设计了一种无运放带隙基准电路,该电路采用电压自调节技术来稳定输出基准电压,并实现该带隙基准电路在较宽频率范围内的高PSRR。该基准采用无运放结构,在降低电路复杂性的同时,避免了运算放大器的失调电压对输出基准的温度系数的影响。基于0.18μm BCD工艺,在Cadence环境下仿真得到该电路在10 Hz时,PSRR为-94 dB,在1 MHz时,PSRR为-44 dB;在-40～125℃温度范围内,温度系数为4×10^-6/℃;包含启动电路在内,该电路静态电流约为14μA,片上面积约为0.016 mm²。     

用于原子干涉重力仪的小型频率合成器设计与实现

在原子干涉重力实验中,拉曼激光制备常采用光学锁相环方法,即先将主从激光器拍频信号与6.8 GHz微波信号源进行混频,再与直接数字频率合成信号发生器进行鉴频鉴相,得到的反馈信号用以控制激光器实现低噪声拉曼光输出,而拉曼光相噪将直接影响原子干涉重力仪的灵敏度。本设计采用STM32F103C8T6单片机对LMX2594数字锁相环芯片进行编程控制,通过锁相环频率合成技术,最终获得6.8 GHz的微波信号源。测试结果表明,该微波信号源相位噪声分别为-65.2 dB@1 Hz、-95.3 dB@1 kHz,频率稳定度为2.72×10^-11@1 s,输出功率大于10 dBm。在脉冲间隔时间为100 ms时,信号源对原子干涉重力仪灵敏度的影响为8×10^-8 m/s²/Hz^1/2,分辨率影响为2×10^-8 m/s²@600 s,具有频率稳定度高、相位噪声低等优点,可以满足原子干涉重力实验。     

一种带曲率补偿的低温漂带隙基准源设计

为满足高速、高精度射频电路的要求,设计了一款新型带高温曲率补偿的低温漂、高电源抑制比的带隙基准电压源。为避免运放的失调电压对基准源精度产生影响,电路没有采用运放结构生成基准电压。利用双极型晶体管基极-发射极电压V_BE的负温度特性,在高温时对基准电压进行曲率补偿,减小基准电压的温漂。电路基于180 nm BiCMOS工艺线,采用Cadence仿真验证。在-40～85℃温度范围内,5 V电源电压下,温度系数为5.7×10^-6/℃,电源电压抑制比可达到-88 dB。     

连续波腔衰荡吸收光谱技术中的模式匹配研究

对比了波长调制和腔长调制两种方式实现模式匹配的性能特点,通过测量空腔衰荡时间并进行Allan方差分析,得到两种调制方式的衰荡时间分别为（5.239±0.077）μs和（5.252±0.058）μs,该系统的吸收系数检测限为10^-10量级。对于甲烷气体浓度,通过步进式改变入射激光的波长,描绘了甲烷气体的吸收谱线,其检测限可达10^-9量级。利用波长调制和腔长调制方式得到环境中甲烷气体的浓度分别为1.868×10^-6和1.870×10^-6。实验结果表明,虽然波长调制和腔长调制均能实现模式匹配,完成痕量甲烷气体的测量,但是通过对比可知：腔长调制方式具有更高的测量精度和更低的浓度检测限;波长调制方式发挥了可调谐激光器的优势,结构相对简单,无需压电陶瓷等附加的机械结构。因此,在实际应用中可根据需求在测量性能和装置复杂度及成本之间进行取舍。     

真空环境下低损耗高反射光学元件性能退化特性

为了研究真空环境对光学薄膜的影响,将离子辅助沉积制备的1064nm强光反射膜样品放置于真空度优于1×10^-5Pa的不锈钢真空室,实验观测其反射率和吸收损耗随放置时间的变化。结果表明,样品在真空环境放置335h后,其反射率从99.9823%下降到了99.9543%,吸收损耗从6.8×10^-6上升到了59.5×10^-6,用酒精乙醚混和液擦拭后其光学性能完全恢复,样品表面的污染层厚度随时间增加;操作过程中的人为因素是导致强光反射膜元件光学性能持续下降的主要原因。这一结果对高能/高功率激光光学元件在真空应用环境中稳定性的提高是有帮助的。     

低温漂薄膜体声波谐振器研究

该文介绍了一种基于空腔结构的温度补偿型薄膜体声波谐振器(TC-FBAR)。通过在压电层上方生长SiO₂温度补偿层,实现谐振器的低温漂。未采用温度补偿的薄膜体声波谐振器,其频率温度系数约为-25×10^-6/℃。通过适当的膜层结构设计,可使其频率温度系数在±3×10^-6/℃。结果表明,由于温度补偿层的增加,导致器件总体压电效应降低,使谐振器的有效机电耦合系数降低。低温漂谐振器的实现,为窄带低温漂滤波器的研制提供了有效的设计和工艺技术支撑。     

用于射频滤波器的LN单晶薄膜XBAR的性能研究

基于铌酸锂(LN)薄膜的横向激发体声波谐振器(XBAR)能够兼具大机电耦合系数(K²)和高谐振频率(f)特性,有望满足5G应用的频段要求。然而,常规LN薄膜单层XBAR结构的温度稳定性较差,频率温度系数(TCF)较低。该文提出一种具有SiO₂温度补偿层的SiO₂/LN双层结构XBAR,并建立了精确分析层状结构XBAR的有限元模型。理论分析表明,该双层结构XBAR上激励的主模式是一阶反对称(A1)兰姆波。通过合理优化结构参数配置,能够获得高谐振频率(f～4.75 GHz)和大机电耦合系数(K²～8%),同时其温度稳定性也得到显著改善(TCF～-36.1×10^-6/℃),相较于单层XBAR结构提高了近70×10^-6/℃,这为研制温补型高频、大带宽声学滤波器提供了理论基础。     

一种开关电容带隙基准电压源

设计了一款高精度、低线性调整率的开关电容带隙基准电压源。分析了NMOS开关高温漏电流对基准输出电压精度的影响,提出了一种高温漏电补偿电路。偏置电路采用多个共源共栅结构的电流镜,增大了从电源到输出的阻抗,降低了基准电压的线性调整率。利用虚拟管抵消了开关关断时带来的沟道电荷注入效应和时钟馈通效应,提高了基准输出电压的精度。该电路基于0.35μm CMOS工艺设计,仿真结果表明,基准源能稳定输出1.1 V电压,建立时间为5.9μs;在-55～125℃,温度系数为1.38×10^-5/℃;27℃下,在2.7～5 V电源电压范围内,线性调整率为0.9 mV/V;电路总静态电流为35.1μA。