【摘要】：生物醫(yī)療收發(fā)機(jī)是當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的一個(gè)研究熱點(diǎn),隨著CMOS工藝的持續(xù)發(fā)展,低成本、低功耗單片集成生物醫(yī)療收發(fā)機(jī)的研究有著日趨重要的意義。對(duì)生物醫(yī)療收發(fā)機(jī)而言,其數(shù)據(jù)傳輸是非對(duì)稱(chēng)的;在接收端,收發(fā)機(jī)只需接收簡(jiǎn)單的指令來(lái)控制外部器件的工作即可,接收數(shù)據(jù)率較低,約數(shù)百Kb/s。然而外部器件如溫度傳感器、壓力傳感器或攝像機(jī)工作時(shí)采集的數(shù)據(jù)往往非常大,這導(dǎo)致收發(fā)機(jī)發(fā)射數(shù)據(jù)率在Mb/s數(shù)量級(jí)。針對(duì)生物醫(yī)療收發(fā)機(jī)的這一工作特點(diǎn),本文提出了一種接收和發(fā)送分別工作于不同模式的結(jié)構(gòu)。低Q值電感和變壓器的使用會(huì)帶來(lái)射頻模塊性能的惡化,那么,如何提高片上無(wú)源器件的Q值是當(dāng)前射頻電路中非常重要的研究課題,詳細(xì)討論了降低Q值的非理想效應(yīng)及提高Q值的方法。這些技術(shù)包括:多層金屬并聯(lián)、PGS技術(shù)、增加金屬線(xiàn)圈線(xiàn)寬和厚度、使用電阻率低的介質(zhì)(如銅等)、增加金屬線(xiàn)和襯底間的電阻等,利用這些技術(shù)完成了硅基集成無(wú)源器件的仿真、設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在電路設(shè)計(jì)上,本論文將重點(diǎn)放在收發(fā)機(jī)關(guān)鍵模塊的研究和實(shí)現(xiàn)上。接收端的挑戰(zhàn)主要來(lái)自于,隨著CMOS工藝的不斷發(fā)展,電源電壓也等比例降低,但MOS管的閡值電壓卻幾乎未變,這意味著MOS管的開(kāi)啟電壓幾乎沒(méi)有變化,這對(duì)設(shè)計(jì)高靈敏度的能量獲取帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn),本文在總結(jié)前人技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種基于閾值補(bǔ)償方法的能量獲取電路,該電路基于柵端偏置補(bǔ)償,提高了電路的輸入靈敏度,電路使用UMC 0.18 μm工藝驗(yàn)證,測(cè)試顯示,該能量獲取電路最小輸入能量?jī)H為-10dBm,輸入電壓為500mV時(shí)輸出電壓能達(dá)到1.83V;緊隨能量獲取電路的是兩款LDO,覆蓋了能量獲取電路1.2～12V.的輸出范圍。第一款LDO通過(guò)組合不同溫度系數(shù)電阻以得到零溫度輸出電壓,同時(shí)增加了 PSR提高電路。該LDO使用HJTC 0.25μm CMOS制造,包括偏置電路在內(nèi),穩(wěn)壓器的面積僅為0.102mm~2,電源電壓4～12 V,LDO穩(wěn)定輸出2.5V電壓,TRR和VRR和分別達(dá)到了 0.044 mV/℃和1.1 mV/V,靜態(tài)電流僅為7.5μA。第二款LDO僅使用了 15KΩ的電阻,電壓基準(zhǔn)基于亞閾值操作以使功耗最小化,同時(shí)對(duì)電壓基準(zhǔn)溫度系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。使用零極點(diǎn)跟蹤補(bǔ)償,產(chǎn)生跟蹤負(fù)載電流的內(nèi)部零點(diǎn)。該設(shè)計(jì)基于UMC 0.18 μm 2P5M工藝,核心面積僅為0.0146 mm~2。LDO的最大負(fù)載電容為5 mA,穩(wěn)定輸出1.1 V電壓。測(cè)得的下沖和過(guò)沖分別為55 mV和60 mV,電源電壓1.2～4V,1.2 V電源下的總靜態(tài)電流僅為370 nA。整個(gè)接收部分由低壓放大器、增益放大器和解調(diào)電路組成,低壓放大器為一低壓?jiǎn)喂躄NA,對(duì)輸入ASK已調(diào)信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大,增益放大器放大ASK信號(hào)的幅度便于解調(diào),ASK解調(diào)電路包括包絡(luò)檢波器、均值信號(hào)產(chǎn)生器和電壓比較器。整個(gè)接收機(jī)前端設(shè)計(jì)基于UMC 0.18 μm 2P5M EEPROM工藝,核心面積為533 μm×817μm,電源電壓為1.1V,在80kbps數(shù)據(jù)率下實(shí)現(xiàn)了 55 pJ/bit的能量效率。同相/正交信號(hào)(I/Q)產(chǎn)生電路是整個(gè)射頻收發(fā)機(jī)中不可或缺的一個(gè)模塊。對(duì)I/Q信號(hào)的產(chǎn)生電路進(jìn)行了總結(jié),比較了各種結(jié)構(gòu)優(yōu)劣,提出了二款低噪聲、低功耗的I/Q信號(hào)產(chǎn)生電路,第一款QVCO基于MOS串聯(lián)耦合(S-QVCO),PMOS管作為耦合管有利于減小閃爍噪聲,沒(méi)有使用工藝庫(kù)的電感模型而進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),電感使用N阱隔離技術(shù)以提高Q,進(jìn)一步提高電路相位噪聲表現(xiàn),該S-QVCO電路設(shè)計(jì)基于XMC 55 nm CMOS工藝,在1MHz頻率偏移處達(dá)到了-118 dBc/Hz,實(shí)現(xiàn)了-180.88 dB的FoM。第二款QVCO基于變壓器反饋電流復(fù)用結(jié)構(gòu)(TC-QVCO),同時(shí)利用了變壓器反饋低電壓和電流復(fù)用低電流的優(yōu)點(diǎn),降低了電路的功耗,同時(shí),源極衰減電阻改善了輸出信號(hào)幅度不平衡現(xiàn)象。TC-QVCO電路設(shè)計(jì)同樣基于XMC 55 nm CMOS工藝,在1MHz頻率偏移處達(dá)到了-112.23 dBc/Hz,實(shí)現(xiàn)了-178.44 dB的FoM,輸出電壓幅度不平衡為 30mV。發(fā)送時(shí),芯片工作于有源模式,為了滿(mǎn)足低功耗、高速數(shù)據(jù)傳輸能力的要求,提出了一種鎖相環(huán)帶外調(diào)制的FSK調(diào)制器,不同于傳統(tǒng)以混頻器為基礎(chǔ)的發(fā)射機(jī),調(diào)制速率受到鎖相環(huán)帶寬的限制,本文提出的調(diào)制器工作在鎖相環(huán)外,消除了鎖相環(huán)帶寬的限制,并使用一相位選擇器替代消耗大量電流的濾波器以及混頻器,這種工作方式極大提高了收發(fā)機(jī)的能量效率。為了節(jié)省面積,鎖相環(huán)使用了 MOS電容濾波器和Ring-VCO,根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原理,分別推導(dǎo)出Ring-VCO的高斯白噪聲和閃爍噪聲,得到本文Ring-VCO相位噪聲的完整表達(dá)式,使用了一種自偏置電路來(lái)提高Ring-VCO的相位噪聲表現(xiàn),測(cè)試顯示,電源電壓為1.6 V時(shí),電路在1MHz頻率偏移處相噪可達(dá)-108 dBc/Hz,。分析了靜態(tài)分頻器的自諧振頻率,這有利于我們知道二分頻器可以工作的最高頻率。整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)基于UMC 0.18 μm工藝,核心面積僅為0.04 mm~2,在100Mbps速率下達(dá)到了 20pJ/Bit的能量效率。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TH77
【圖文】：

邐５．７逡逑針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信功能的傳感器節(jié)點(diǎn)遙測(cè)獲取病人的健康信息進(jìn)而調(diào)逡逑整對(duì)病人的治療［２＿４１已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界在生物醫(yī)療領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。如圖１．２逡逑所示，具有無(wú)線(xiàn)通信功能的傳感器節(jié)點(diǎn)在醫(yī)療領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，傳感器節(jié)點(diǎn)分布在人逡逑體表面或植入人體內(nèi)部，以便采集人體各種生理參數(shù)并無(wú)線(xiàn)傳送信息�？芍踩胧胶痛╁义洗魇降那岸擞稍S多生物醫(yī)療傳感器組成，這些生物醫(yī)療傳感器包括溫度傳感器、壓力逡逑傳感器和氣體傳感器等等。這些傳感器的主要目的是將他們量測(cè)到的生物醫(yī)療信號(hào)轉(zhuǎn)逡逑換成后端電路可以處理的電信號(hào)。逡逑－逡逑

邐２０逡逑ＳＮＲ邋－邋ｄＢ逡逑圖１．２三種調(diào)制方式誤碼率比較逡逑６００邋．：功耗（（Ｊ＾）ｚ－一邐、、、、逡逑丨邋ＦＳＫ｛ｙ＼ｆｃｌ邐、、＼逡逑▲Ｐ．０９１邐＼逡逑５００邋１邋＾邐＼逡逑￥邋ＯＯＫｆＯｔｉｓ邐＼ｆＳＭＢａｅ逡逑ｉ，邋ＩＳＳＣＣ＇０５）邐？邐�。�0，，，逡逑４００邋ＴＯＯＫＣＢｏｈｏｒｑｕｅｚ邐Ｊ＾ＳＣ２０１１）逡逑Ｋ邋ＪＳＳＣｆ０９）邐／逡逑３００邋？、、？邐／逡逑ｘｆＳＫ（Ｃｏｏｋ邐ｙ逡逑Ｊ￥ＳＣ＾６）邐ｙＺ逡逑２００邋＂邋、、－邐逡逑１００逡逑ｍ邋００Ｋ邋（Ｐｌｅｔｃｈｅｒ逡逑ＪＳＳＣ＇０９）邐數(shù)據(jù)率（ｋｂｐｓ）逡逑＿邐０邐１０００邐２０００邐３０００邋＿邐＿４０００邐５０Ｍ邋＿邐６０００逡逑圖１．３收發(fā)機(jī)不同調(diào)制方式下接收信息的能量效率逡逑能量效率是收發(fā)機(jī)一個(gè)非常重要的指標(biāo)參數(shù)，圖１．３給出了國(guó)際期刊上不同收發(fā)逡逑機(jī)接收信息的能量效率，可以看出，雖然００Ｋ調(diào)制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合于超再生和包絡(luò)逡逑檢測(cè)結(jié)構(gòu)，但是其功耗較大，大部分收發(fā)機(jī)的速率都在１Ｍｂｐｓ以下，導(dǎo)致這些收發(fā)逡逑機(jī)的能量效率都不是很高，ＢａｅＪＳＳＣ邋２０１１使用了邋ＩＬＦＤ技術(shù)的接收端能量效率達(dá)到了逡逑８４ｐｊ／Ｂｉｔ，雖然ＩＬＦＤ技術(shù)的使用消除了外部晶振，提高了能量效率，但是ＩＬＦＤ的鎖逡逑定范圍十分有限

４０００邐５０Ｍ邋＿邐６０００逡逑圖１．３收發(fā)機(jī)不同調(diào)制方式下接收信息的能量效率逡逑能量效率是收發(fā)機(jī)一個(gè)非常重要的指標(biāo)參數(shù)，圖１．３給出了國(guó)際期刊上不同收發(fā)逡逑機(jī)接收信息的能量效率，可以看出，雖然００Ｋ調(diào)制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合于超再生和包絡(luò)逡逑檢測(cè)結(jié)構(gòu)，但是其功耗較大，大部分收發(fā)機(jī)的速率都在１Ｍｂｐｓ以下，導(dǎo)致這些收發(fā)逡逑機(jī)的能量效率都不是很高，ＢａｅＪＳＳＣ邋２０１１使用了邋ＩＬＦＤ技術(shù)的接收端能量效率達(dá)到了逡逑８４ｐｊ／Ｂｉｔ，雖然ＩＬＦＤ技術(shù)的使用消除了外部晶振，提高了能量效率，但是ＩＬＦＤ的鎖逡逑定范圍十分有限，這極大限制了邋ＩＬＦＤ收發(fā)機(jī)的應(yīng)用。逡逑綜上所述，生物醫(yī)療射頻收發(fā)器的發(fā)展趨勢(shì)是：要滿(mǎn)足生物醫(yī)療器件的長(zhǎng)使用壽逡逑命、遠(yuǎn)距離、高通信速率的發(fā)展要求

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本文編號(hào)：2781678