CMOS无源植入式电子设备的超低功耗数据交换方法研究

The passive signal processing system based on CMOS integrated circuit technology is the developing trend for biomedical implantable electronic devices, and the high-efficiency reception of wireless energy and the ultra-low power dual-link communications are the key research areas in this field. This project starts from the study of the properties associated with electro-magnetic waves traveling inside the biomedical environment, and then explores the data transmission methods with the optimized energy reception efficiency and the minimized energy consumption, separately, for the downlink and uplink communications according to their different criteria..This work will be the first, in the international stage, to study and establish the equivalent impedance network model for the biomedical environment that covers various ISM frequency bands. Combining the equivalent impedance network with the CMOS circuit design techniques, the relation between the energy reception efficiency and key communication parameters, such as the modulation depth and the data rate, will be explored, and the downlink data transmission method will be optimized to achieve the best overall energy reception efficiency. For the uplink communication, the minimum amount of energy required for transmitting unit information to the outside reader will be evaluated for various communication methods. Based on this knowledge, an ultra-low power communication system, that is able to dynamically switch to the proper data modulation scheme and data rate according to different quantities of information that need to be transmitted, will be developed. As the design targets for such a system, the average amount of transmitted data should reach 2 Mbit every single second, with energy consumption less than 0.5 nJ/bit. .The design of the ultra-low power data exchange system in a new generation of CMOS passive implantable devices with highly integrated signal processing functionality will benefit substantially from the research findings in this work. In addition, the developed techniques, which will have great applicability, can be readily extended to the wireless sensor networks and the biomedical-related research.

CMOS无源植入式集成信号处理系统是植入式电子设备的最新发展方向，而采用无线方式实现高效能量接收和超低功耗数据交换是其中的核心问题。本项目从研究生命体环境下电磁波传播特性入手，针对下、上行通信不同需求，探索在最优能量接收的基础上实现超低功耗数据交换的方法。.在国际上率先建立覆盖ISM频段电磁波的生命体等效阻抗网络模型。结合CMOS集成电路技术，探索调制深度、数据率等关键参数影响能量接收效率的内在机理，研究生命体环境中实现最优能量接收的下行通信方法。探索生命体环境中以最小能量传输单位信息的方法，构建能够根据上行数据量传输需求综合应用不同调制方式和数据率的动态多模式数据传输系统，在平均数据量为每秒2 Mbit时，达到能耗小于0.5 nJ/bit。.研究成果可提供实现新一代CMOS无源植入式集成信号处理系统中超低功耗数据交换的方法和技术基础，将对无线传感器网络和生物医学工程等领域提供有力支持。

针对CMOS 无源植入式集成信号处理系统这一植入式电子设备的最新发展方向，基于生命体环境下的电磁波传播特性，探索采用无线方式实现高效能量接收和超低功耗数据交换这一核心问题。基于CMOS工艺，深入研究了肖特基二极管的电压-电流转换机制，提出了最优化的设计方案；首次采用肖特基二极管作为整流器件设计了低功耗信号强度检测模块，为进一步研究能够根据接收能量信号强度自动优化能量转化效率的自适应无源植入式系统奠定了基础。探索了将时钟与同步数据一起通过载波传输，从而减少接收机复杂度的方法，同时进一步降低了数据接收系统功耗。. 相比于N、P型晶体管，肖特基二极管具备开启电压低的特点，是将无线接收能量转化为直流电压的理想元件。研究中结合特定CMOS工艺特点，实现了多种不同几何形状与面积的肖特基二极管器件。进一步通过实验测量的方式，确定不同器件正、反向偏置情况下的电流比。. 研究利用肖特基二极管的无源性，以及开启电压小、正向压降小的优势，完成了针对10 MHz输入信号的功率指示计。设计中的线形放大器采用了交流耦合的方式以避免直流误差放大并造成输出饱和。完成的功率指示计能够检测-50 ~ 0 dBm的输入信号，并相应产生0.25 ~ 1.65 V的直流电压，斜率约为28.8 mV/dBm，线性误差保持在±1 dB内。.研究了无源植入式集成信号处理系统中超低功耗无线数据收发系统的关键技术。设计了超低功耗自适应时钟/数据精确恢复芯片，当数据率在0.5 kbit/s到500 kbit/s变化时系统功耗仅为100 μW （0.2nJ/bit）。进一步采用超低功耗唤醒技术设计了满足中国短程通信标准的5.8 GHz无线数据收发单芯片系统，唤醒灵敏度低于-55 dBm，待机电流低于10 μA，数据率达2 Mb/s。. 探索在标准CMOS工艺中设计高精度振荡器的方法，以代替不能集成的晶体振荡器，用以产生低功耗电子系统中的时间基准。设计了具备温度补偿特性的三级16 MHz环形振荡器，周期变化标准差仅为27.85 pS，温度变化率仅为59.2 ppm/℃。. 至2015年12月，已发表论文12篇；完成了5颗混合信号系统集成电路芯片的设计，获得集成电路版图登记5项；申请发明专利4项，其中2项已获得授权。累计指导研究生14人，其中硕士研究生13人，有11名已经毕业；合作培养博士研究生1人，已毕业。