基于无线体域网应用的自供电模拟前端设计关键技术

This project will mainly study the key design technologies in the integrated self-powered analog front-end for the wireless body area network nodes applications. The integrated self-powered analog front-end chip mainly consists of the multi-mode energy harvesting module, the power management unit, the low-noise signal collection and the ultra-low power RF transmitter four parts. Firstly, the threshold voltage compensation and maximum power point tracking in the energy harvesting will be researched comprehensively, and then achieve the RF, human kinetic and thermal energy harvesting and conversion. Secondly, the integrated SIMO boost convertor is explored. By the method of ordered power distribution, the output voltage can be controlled continuously. The auxiliary low-voltage oscillator and charge pump circuits can achieve the ultra-low voltage start-up for the PMU. Thirdly, through the design optimization for the low-frequency low-noise amplifier and the ultra-low power SAR-ADC, the acquisition and processing of the weak bio-signals are implemented. Fourthly, the study on the CMOS ring multi-vibrator and digital frequency calibration will be carried and the ultra-low power RF transmitter with FSK modulation is implemented. Finally, based on 65nm CMOS process, the four parts mentioned above will be coordinated and integrated in the whole analog front-end chip.

本项目主要研究适用于无线体域网中传感节点的自供电模拟前端集成化设计中的关键技术。自供电模拟前端芯片包括多模能量混合收集模块、功率管理单元模块，低噪声信号收集模块和低功耗射频发射机四个部分。项目首先深入研究阈值补偿和最大功率点跟踪技术在能量获取中的应用，实现射频、人体动能和热能的获取和转化；对单电感多路输出的Boost电路设计技术进行深入研究，采用集成电感并通过有序功率分配控制的方法，实现对电路输出的连续控制，采用低压振荡器和电荷泵辅助升压的技术实现功率管理单元的超低电压启动功能；通过对低频低噪声放大器、超低功耗SAR-ADC的优化设计研究，实现对微弱生物信号的集成化采集与处理；通过对环形多谐振荡器和数字频率校准技术的研究，完成超低功耗射频发射机设计，实现对人体监测信号的FSK调制与发射。

本项目基于纳米尺度的标准CMOS工艺，深入探索和研究了基于无线体域网应用的自供电模拟前端集成电路设计的关键技术，完成了项目的预期目标。通过对压电、热电和射频能量接口电路的研究，实现对人体动能、体温梯度热能以及环境射频能量的多模式能量混合获取。对于压电能量接口电路，我们提出了P-SSHC的压电能量获取，消除了电感电流损耗，降低了电路自身功耗。对于热电能量接口电路，我们采用临界导通模式提高了高输入功率条件下转换器的峰值效率，采用自适应导通电阻开关，对功率管的开关损耗和导通损耗实现了很好的折中。我们还采用射频能量辅助启动技术和低压启动技术改善冷启动电压。对于射频能量接口电路，我们提出了双频段获取技术和混合阈值电压自补偿技术，提升了获取射频能量的范围，并且提高了射频整流器的功率转换效率。在功率管理方面，我们实现了单电感双路输出DC-DC，通过反馈环路技术的改进，改善了双路输出的交调问题。我们设计了低压启动BOOST转换器，借助三步启动技术，在无任何额外的辅助电路或低阈值电压器件的情况下实现了低于阈值电压启动电压。在数据采集技术方面，我们提出了低频人体生理信号的低噪声放大器。利用电流复用技术，改善热噪声性能。利用正反馈电容和预充电技术提高了放大器的输入阻抗。针对传统低噪声放大器直流失调电压大，校准时间长的问题，我们提出来一种新型的数字控制直流失调校准方案，提高了直流失调校准范围，并减小校准时间。最后，我们还对低功耗无线发射机进行研究，采用零中频技术，简化发射机结构；采用改进的混频器，降低基带信号的影响。对无线发射机中的锁相环电路进行了优化，采用基于电阻和低失调运放结构的电荷泵，和动态电流补偿技术，优化了锁相环的参考杂散性能和锁相环整体电路功耗的降低。锁相环中所设计的双数字环路控制C类VCO解决了C类VCO在低电源电压下的启动问题，优化了VCO的相位噪声性能。项目进展顺利，取得丰富的研究成果，项目的研究内容还将继续深入。