低功耗生物医疗收发机前端关键技术研究

发布时间：2020-08-05 15:26

【摘要】：生物医疗收发机是当前无线通信系统的一个研究热点,随着CMOS工艺的持续发展,低成本、低功耗单片集成生物医疗收发机的研究有着日趋重要的意义。对生物医疗收发机而言,其数据传输是非对称的;在接收端,收发机只需接收简单的指令来控制外部器件的工作即可,接收数据率较低,约数百Kb/s。然而外部器件如温度传感器、压力传感器或摄像机工作时采集的数据往往非常大,这导致收发机发射数据率在Mb/s数量级。针对生物医疗收发机的这一工作特点,本文提出了一种接收和发送分别工作于不同模式的结构。低Q值电感和变压器的使用会带来射频模块性能的恶化,那么,如何提高片上无源器件的Q值是当前射频电路中非常重要的研究课题,详细讨论了降低Q值的非理想效应及提高Q值的方法。这些技术包括:多层金属并联、PGS技术、增加金属线圈线宽和厚度、使用电阻率低的介质(如铜等)、增加金属线和衬底间的电阻等,利用这些技术完成了硅基集成无源器件的仿真、设计和优化。在电路设计上,本论文将重点放在收发机关键模块的研究和实现上。接收端的挑战主要来自于,随着CMOS工艺的不断发展,电源电压也等比例降低,但MOS管的阂值电压却几乎未变,这意味着MOS管的开启电压几乎没有变化,这对设计高灵敏度的能量获取带来了极大的挑战,本文在总结前人技术的基础上,提出了一种基于阈值补偿方法的能量获取电路,该电路基于栅端偏置补偿,提高了电路的输入灵敏度,电路使用UMC 0.18 μm工艺验证,测试显示,该能量获取电路最小输入能量仅为-10dBm,输入电压为500mV时输出电压能达到1.83V;紧随能量获取电路的是两款LDO,覆盖了能量获取电路1.2～12V.的输出范围。第一款LDO通过组合不同温度系数电阻以得到零温度输出电压,同时增加了 PSR提高电路。该LDO使用HJTC 0.25μm CMOS制造,包括偏置电路在内,稳压器的面积仅为0.102mm~2,电源电压4～12 V,LDO稳定输出2.5V电压,TRR和VRR和分别达到了 0.044 mV/℃和1.1 mV/V,静态电流仅为7.5μA。第二款LDO仅使用了 15KΩ的电阻,电压基准基于亚阈值操作以使功耗最小化,同时对电压基准温度系数进行了优化。使用零极点跟踪补偿,产生跟踪负载电流的内部零点。该设计基于UMC 0.18 μm 2P5M工艺,核心面积仅为0.0146 mm~2。LDO的最大负载电容为5 mA,稳定输出1.1 V电压。测得的下冲和过冲分别为55 mV和60 mV,电源电压1.2～4V,1.2 V电源下的总静态电流仅为370 nA。整个接收部分由低压放大器、增益放大器和解调电路组成,低压放大器为一低压单管LNA,对输入ASK已调信号进行低噪声放大,增益放大器放大ASK信号的幅度便于解调,ASK解调电路包括包络检波器、均值信号产生器和电压比较器。整个接收机前端设计基于UMC 0.18 μm 2P5M EEPROM工艺,核心面积为533 μm×817μm,电源电压为1.1V,在80kbps数据率下实现了 55 pJ/bit的能量效率。同相/正交信号(I/Q)产生电路是整个射频收发机中不可或缺的一个模块。对I/Q信号的产生电路进行了总结,比较了各种结构优劣,提出了二款低噪声、低功耗的I/Q信号产生电路,第一款QVCO基于MOS串联耦合(S-QVCO),PMOS管作为耦合管有利于减小闪烁噪声,没有使用工艺库的电感模型而进行了重新设计,电感使用N阱隔离技术以提高Q,进一步提高电路相位噪声表现,该S-QVCO电路设计基于XMC 55 nm CMOS工艺,在1MHz频率偏移处达到了-118 dBc/Hz,实现了-180.88 dB的FoM。第二款QVCO基于变压器反馈电流复用结构(TC-QVCO),同时利用了变压器反馈低电压和电流复用低电流的优点,降低了电路的功耗,同时,源极衰减电阻改善了输出信号幅度不平衡现象。TC-QVCO电路设计同样基于XMC 55 nm CMOS工艺,在1MHz频率偏移处达到了-112.23 dBc/Hz,实现了-178.44 dB的FoM,输出电压幅度不平衡为 30mV。发送时,芯片工作于有源模式,为了满足低功耗、高速数据传输能力的要求,提出了一种锁相环带外调制的FSK调制器,不同于传统以混频器为基础的发射机,调制速率受到锁相环带宽的限制,本文提出的调制器工作在锁相环外,消除了锁相环带宽的限制,并使用一相位选择器替代消耗大量电流的滤波器以及混频器,这种工作方式极大提高了收发机的能量效率。为了节省面积,锁相环使用了 MOS电容滤波器和Ring-VCO,根据噪声产生的原理,分别推导出Ring-VCO的高斯白噪声和闪烁噪声,得到本文Ring-VCO相位噪声的完整表达式,使用了一种自偏置电路来提高Ring-VCO的相位噪声表现,测试显示,电源电压为1.6 V时,电路在1MHz频率偏移处相噪可达-108 dBc/Hz,。分析了静态分频器的自谐振频率,这有利于我们知道二分频器可以工作的最高频率。整个芯片的设计基于UMC 0.18 μm工艺,核心面积仅为0.04 mm~2,在100Mbps速率下达到了 20pJ/Bit的能量效率。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH77
【图文】：

医疗领域,无线网络,生物医疗,传感器

逦５．７逡逑针对上述问题，通过无线通信功能的传感器节点遥测获取病人的健康信息进而调逡逑整对病人的治疗［２＿４１已成为学术界和工业界在生物医疗领域的一个研究热点。如图１．２逡逑所示，具有无线通信功能的传感器节点在医疗领域被广泛应用，传感器节点分布在人逡逑体表面或植入人体内部，以便采集人体各种生理参数并无线传送信息。可植入式和穿逡逑戴式的前端由许多生物医疗传感器组成，这些生物医疗传感器包括温度传感器、压力逡逑传感器和气体传感器等等。这些传感器的主要目的是将他们量测到的生物医疗信号转逡逑换成后端电路可以处理的电信号。逡逑－逡逑

收发机,能量效率,国际期刊,调制方式

逦２０逡逑ＳＮＲ邋－邋ｄＢ逡逑图１．２三种调制方式误码率比较逡逑６００邋．：功耗（（Ｊ＾）ｚ－一逦、、、、逡逑丨邋ＦＳＫ｛ｙ＼ｆｃｌ逦、、＼逡逑▲Ｐ．０９１逦＼逡逑５００邋１邋＾逦＼逡逑￥邋ＯＯＫｆＯｔｉｓ逦＼ｆＳＭＢａｅ逡逑ｉ，邋ＩＳＳＣＣ＇０５）逦？逦！？0，，，逡逑４００邋ＴＯＯＫＣＢｏｈｏｒｑｕｅｚ逦Ｊ＾ＳＣ２０１１）逡逑Ｋ邋ＪＳＳＣｆ０９）逦／逡逑３００邋？、、？逦／逡逑ｘｆＳＫ（Ｃｏｏｋ逦ｙ逡逑Ｊ￥ＳＣ＾６）逦ｙＺ逡逑２００邋＂邋、、－逦逡逑１００逡逑ｍ邋００Ｋ邋（Ｐｌｅｔｃｈｅｒ逡逑ＪＳＳＣ＇０９）逦数据率（ｋｂｐｓ）逡逑＿逦０逦１０００逦２０００逦３０００邋＿逦＿４０００逦５０Ｍ邋＿逦６０００逡逑图１．３收发机不同调制方式下接收信息的能量效率逡逑能量效率是收发机一个非常重要的指标参数，图１．３给出了国际期刊上不同收发逡逑机接收信息的能量效率，可以看出，虽然００Ｋ调制结构简单，适合于超再生和包络逡逑检测结构，但是其功耗较大，大部分收发机的速率都在１Ｍｂｐｓ以下，导致这些收发逡逑机的能量效率都不是很高，ＢａｅＪＳＳＣ邋２０１１使用了邋ＩＬＦＤ技术的接收端能量效率达到了逡逑８４ｐｊ／Ｂｉｔ，虽然ＩＬＦＤ技术的使用消除了外部晶振，提高了能量效率，但是ＩＬＦＤ的锁逡逑定范围十分有限

调制方式,误码率,能量效率,收发机

４０００逦５０Ｍ邋＿逦６０００逡逑图１．３收发机不同调制方式下接收信息的能量效率逡逑能量效率是收发机一个非常重要的指标参数，图１．３给出了国际期刊上不同收发逡逑机接收信息的能量效率，可以看出，虽然００Ｋ调制结构简单，适合于超再生和包络逡逑检测结构，但是其功耗较大，大部分收发机的速率都在１Ｍｂｐｓ以下，导致这些收发逡逑机的能量效率都不是很高，ＢａｅＪＳＳＣ邋２０１１使用了邋ＩＬＦＤ技术的接收端能量效率达到了逡逑８４ｐｊ／Ｂｉｔ，虽然ＩＬＦＤ技术的使用消除了外部晶振，提高了能量效率，但是ＩＬＦＤ的锁逡逑定范围十分有限，这极大限制了邋ＩＬＦＤ收发机的应用。逡逑综上所述，生物医疗射频收发器的发展趋势是：要满足生物医疗器件的长使用寿逡逑命、远距离、高通信速率的发展要求

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