【摘要】：隨著生活水平的日益提高,人們對(duì)于健康問(wèn)題也更加重視,這就使得植入式醫(yī)療芯片的研究越發(fā)具有吸引力。其中一個(gè)研究熱點(diǎn)就是無(wú)線能量的采集與管理,該技術(shù)避免了傳統(tǒng)意義上電池供電能量有限的問(wèn)題。其通過(guò)采集外界射頻信號(hào)能量,并整流升壓得到較為穩(wěn)定的直流電平,從而為植入式芯片提供工作電源。本文首先闡述了無(wú)線能量管理單元的意義,介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)線能量管理單元的研究現(xiàn)狀,并分析了無(wú)線能量管理單元的整體架構(gòu)、基本原理和基于植入式醫(yī)療芯片設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。最后基于0.18μm CMOS工藝進(jìn)行整體電路設(shè)計(jì)。無(wú)線能量管理單元由電荷泵整流器(Charge Pump Rectifier,CPR)、帶隙基準(zhǔn)源(Bandgap Voltage Reference,BGR)和低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator,LDO)三個(gè)子電路構(gòu)成,工作內(nèi)容如下:(1)對(duì)電荷泵整流器的研究與設(shè)計(jì)。分析了傳統(tǒng)CPR的基本原理以及能量轉(zhuǎn)換效率較低的原因,并提出一種帶閾值電壓消除技術(shù)的改進(jìn)型CPR。后仿真結(jié)果顯示,六級(jí)CPR轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.3%,最小輸入電壓幅度低至0.3V左右。(2)對(duì)低功耗、高電源抑制比(PSRR)帶隙基準(zhǔn)源的研究與設(shè)計(jì)。分析了傳統(tǒng)電壓模結(jié)構(gòu)BGR的基本原理,在此基礎(chǔ)上提出一種基于亞閾值MOS管和雙極性晶體管的混合型BGR。然后又提出一種極低功耗的PSRR輔助電路,進(jìn)一步優(yōu)化了BGR性能。后仿真結(jié)果顯示,改進(jìn)型基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)為21.8ppm/℃,不同工藝角下的絕對(duì)誤差為1.6%,電源電壓輸入范圍為0.75V~2V,PSRR為-104d B@DC、-90d B@500MHz,最后功耗僅為0.85u A。(3)對(duì)低功耗、高電源抑制比低壓差穩(wěn)壓器的研究與設(shè)計(jì)。重點(diǎn)分析了LDO電源紋波的耦合路徑以及零極點(diǎn)追蹤補(bǔ)償(ZPTC)對(duì)于LDO帶寬的優(yōu)化效果。然后依次設(shè)計(jì)了過(guò)溫保護(hù)、限流保護(hù)以及過(guò)壓保護(hù)電路。最后利用BGR中的PSRR輔助電路,進(jìn)一步優(yōu)化了LDO的PSRR性能。后仿真結(jié)果顯示,在負(fù)載電流為30u A的情況下,LDO輸出電壓為1.2V,最小輸入輸出壓差為0.238V,PSRR為-94d B@DC、-60d B@500MHz,靜態(tài)電流僅為3.418u A。(4)對(duì)無(wú)線能量管理單元的研究與設(shè)計(jì)。將CPR、BGR以及LDO整合為一個(gè)完整的無(wú)線能量管理單元,進(jìn)行全版圖后仿真。后仿真結(jié)果顯示,增大輸入交流信號(hào)幅度,CPR的輸出電壓始終被限制在1.8V~2V之間。典型情況下,CPR的輸出電壓紋波為5.74m V,LDO輸出電壓紋波僅為6.13u V,最大負(fù)載電流為30u A。最后當(dāng)溫度超過(guò)70℃或者電流超過(guò)40uA時(shí),電路會(huì)自動(dòng)關(guān)斷。
【圖文】：

[1-6]。其基本思想是將大量微小的電子設(shè)備放置在我們物體，檢測(cè)或監(jiān)測(cè)物體和環(huán)境的信息。然后這些信息進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和決策。這些技術(shù)應(yīng)用的案例非常多，如具有溫度傳感器的智能建筑或者森林火災(zāi)防護(hù)，具有中一個(gè)特殊應(yīng)用案例為人體植入式醫(yī)療芯片[7-11]。平的日益提高，人們對(duì)于健康問(wèn)題也逐漸關(guān)注。比如度，高血壓等健康疾病。但是這樣往往會(huì)增加人們的源的緊張。而植入式醫(yī)療芯片可以不需要去看醫(yī)生的數(shù)。如圖 1.1 所示，，其基本的組網(wǎng)框圖為植入在人體的電腦。首先醫(yī)療芯片通過(guò)各種傳感器檢測(cè)人體的血糖指標(biāo)，然后將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息通過(guò)天線等手段傳送接著閱讀器或者基站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳送到電腦上智能的與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對(duì)比分析，預(yù)測(cè)健康水平，當(dāng)有問(wèn)，從而盡早的得到治療。所以植入式醫(yī)療芯片的普及發(fā)展。

圖 1.2 無(wú)源芯片電路框圖片提取得到的 RF 波能量，并不能直接使用，而是需要進(jìn)行一系 1.2 所示。無(wú)源芯片內(nèi)部集成了兩大模塊，一個(gè)是進(jìn)行能量管理s Power Management Unit，WPMU）。另一個(gè)則是通常由 ADC、成的信號(hào)處理單元，在某些情況下，該單元還需要一個(gè) RF 鏈路的重點(diǎn)是對(duì) WPMU 進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。首先對(duì)于接收到的 RF 能泵進(jìn)行 AC-DC 轉(zhuǎn)換并升壓，這里的分析重點(diǎn)是如何提高轉(zhuǎn)化效電路對(duì)得到的 DC 電壓進(jìn)行紋波抑制，得到干凈、穩(wěn)定的電源輸電路，提高 WPMU 的安全性和穩(wěn)定性。現(xiàn)狀年，無(wú)線能量采集與管理技術(shù)已得到飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外專家與并取得重大成果。接下來(lái)是對(duì) WPMU 以及相關(guān)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研年，Wooi Gan Yeoh 等人采用標(biāo)準(zhǔn) 0.25μm CMOS 工藝，設(shè)計(jì)出 2.4
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN432

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