应用于植入式医疗器件的超低压低功耗ΔΣ调制器的研究

With the development of information technology and the decrease of integrated circuit area, the design of ultra-low-voltage and low-power consumption circuits has become the key problem to be solved in implantable medical devices. On one hand, low power consumption can extend the battery life, reduce damage to brain or other human organs. On the other hand, in order to avoid regular operation to replace battery and reduce the risk of surgery, batteryless implantable medical systems which using wireless power coupling or retrieving power from body heat energy and mechanical energy have become popular. However, those energy provides power to applications which only have ultra low supply voltage of 0.5V or below. Delta-Sigma analog to digital converter(ΔΣ ADC) is widely used in implantable medical devices and ΔΣ modulator is the main analog block of ΔΣ ADC. Therefore design an ultra-low-voltage low-power ΔΣ modulator is a key factor in successful design of ultra-low-voltage, low-power, high performance ΔΣ ADC. This project targets for ultra-low-voltage low-power ΔΣ modulator for implantable cardiac pacemaker or neural signal recording system. By analyzing different state-of-art topologies of ΔΣ modulator, a 0.5 V supply 10μW 80dB SNDR ΔΣ modulator targeted for implantable medical devices will be designed and verified in (deep) sub-micro CMOS process. The ultra low voltage circuit design method proposed in this project can not only provide a reference for other low power circuit design, but also have great significance in energy saving，environmental protection and promoting the development of batteryless implantable medical devices.

随着信息技术的发展、集成电路面积的不断减小，超低压低功耗设计成为当今植入式医疗器件亟需解决的关键问题。一方面，低功耗可以延长电池寿命，减少对大脑等人体器官的损伤。另一方面，为避免定期手术更换电池、降低手术风险，采用无电池供电的植入式医疗电子系统备受关注，如采用射频无线耦合供电或者将身体热能、机械能等转换为电能，而这些能源只能提供超低电压。Delta-Sigma模数转换器(ΔΣ ADC)被广泛用于植入式医疗器件，ΔΣ调制器是ΔΣ ADC的核心模拟电路。因此，围绕超低压、低功耗这一目标，对ΔΣ调制器各种拓扑结构进行深入细致的理论研究，设计出用于心脏起搏器、脑神经记录器等植入式医疗器件的0.5V供电、 80dB信噪比、10μW功耗的ΔΣ调制器，并在深亚微米CMOS工艺流片验证。本项目研究的超低压技术既能为其他低功耗电路设计提供参考，又对节能环保、推动无电池供电植入式医疗器件的大力发展有重要意义。

随着信息技术的发展、集成电路面积和功耗不断减小，超低压和低功耗电路成为植入式医疗器件设计中一个关键的技术问题。基于ΔΣ调制器的ADC被广泛用于植入式医疗器件。因此，围绕超低压、低功耗这一目标，设计出用于植入式医疗器件的ΔΣ调制器，并在深亚微米CMOS工艺流片验证。其主要研究内容包括：（1）超低电压低功耗的ΔΣ调制器架构的研究与设计；（2）超低压低功耗的运放和比较器等电路的研究与设计。其主要成果包括：（1）研究设计了0.4V运放，含低阈值器件的高线性度SCR反馈DAC，以及一种0.4V结构简单，性能强健的非交叠时钟产生电路，提出了一种3阶1bit前馈结构的ΔΣ调制器架构，以及采用上述电路结构设计流片出来的0.4V供电音频范围内的信噪比为90dB,功耗为221µW ΔΣ调制器，为研究低功耗植入式医疗器件的超低压低功耗Delta-Sigma调制器奠定了基础。（2）采用栅-衬驱动，带class-AB 输出和新颖的共模反馈（CMFB）环路的运放结构，设计了一种0.4V供电，功耗为1.9µW 运放，设计了一种0.4V供电，功耗为0.4µW时钟产生电路，提出了一种0.4V供电，单环2阶1bit前馈的连续时间Delta-Sigma调制器架构，以及采用上述电路结构设计流片出来的0.4V供电，500Hz信号带宽，75.5dB的信噪比,功耗为6.6μW 的ΔΣ调制器，可以有效用于植入式医疗器件模拟前端系统。（3）采用相关双采样（CDS）和输入相关电平位移（CLS）技术，设计了一种新颖的有限增益补偿和失调补偿的开关电容运放电路,可用于各种低功耗高精度模拟电路中，如生物医疗信号采集系统的读出放大器等。（4）采用了一种新颖的片上振荡器的一步自校准方法，设计了带自校准功能的片上振荡器，为后续打算投入的超低压供电芯片的时钟源电路研究做准备。项目旨在系统架构、超低压电路设计方案等方面进行创新性地探索和研究，本项目所研究的超低压设计是解决模拟集成电路低功耗问题的有效方法，也能为其他电路提供参考，对节能环保、推动无电池供电植入式医疗器件的大力发展有重要意义。