低功耗生物醫(yī)療收發(fā)機(jī)前端關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、生物醫(yī)療收發(fā)機(jī)是當(dāng)前無線通信系統(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)稱的；在接收端，收發(fā)機(jī)只需接收簡單的指令來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

2、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)帶來射頻模塊性能的惡化，那么，如何提高片上無源器件的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)、增加金屬線圈線寬和厚度、使用電阻率低的介質(zhì)(如銅等)、增加金屬線和襯底間的電阻等，利用這些技術(shù)完成了硅基集成無源器件的仿真、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

3、的研究和實(shí)現(xiàn)上。接收端的挑戰(zhàn)主要來自于，隨著CMOS工藝的不斷發(fā)展，電源電壓也等比例降低，但MOS管的閾值電壓卻幾乎未變，這意味著MOS管的開啟電壓幾乎沒有變化，這對(duì)設(shè)計(jì)高靈敏度的能量獲取帶來了極大的挑戰(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UMC0.18μm工藝驗(yàn)證，測試顯示，該能量獲取電路最小輸入能量僅為-10dBm，輸入電壓為500mV時(shí)輸出

4、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HJTC0.25μm CMOS制造，包括偏置電路在內(nèi)，穩(wěn)壓器的面積僅為0.102mm2，電源電壓4～12V，LDO穩(wěn)定輸出2.5V電壓，TRR和VRR分別達(dá)到了0.044mV/℃和1.1mV/V，靜態(tài)電流僅為7.5μA。第二款LDO僅使用了15K

5、Ω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UMC0.18μm2P5M工藝，核心面積僅為0.0146mm2。LDO的最大負(fù)載電容為5mA，穩(wěn)定輸出1.1V電壓。測得的下沖和過沖分別為55mV和60mV，電源電壓1.2～4V，1.2V電源下的總靜態(tài)電流僅為370nA。
　　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

6、低壓單管LNA，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UMC0.18μm2P5M EEPROM工藝，核心面積為533μm×817μm，電源電壓為1.1V，在80kbps數(shù)據(jù)率下實(shí)現(xiàn)了55pJ/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

7、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，沒有使用工藝庫的電感模型而進(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XMC55nm CMOS工藝，在1MHz頻率偏移處達(dá)到了-118dBc/Hz，實(shí)現(xiàn)了-180.88dB的FoM。第二款QVCO基于變壓器反饋電流復(fù)用結(jié)構(gòu)(

8、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XMC55nm CMOS工藝，在1MHz頻率偏移處達(dá)到了-112.23dBc/Hz，實(shí)現(xiàn)了-178.44dB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

9、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提高Ring-VCO的相位噪聲表現(xiàn)