应用于植入式无线神经信号采集系统的BPSK调制解调器的设计与研究

论文摘要

随着微电子电路设计与工艺技术的高速发展,人们已经可以将电子电路系统植入到生物体内。当今生物医学工程领域的研究热点主要集中在低功耗、高集成度、高性能的植入式微电子系统的实现。本课题选用科斯塔斯环(COSTAS)结构,设计实现了一款用于植入式无线神经信号采集系统的BPSK调制与解调电路,并进行了MPW流片和测试。本文在分析第一版芯片测试结果的基础上,从系统结构、单元模块电路和版图三个方面对BPSK调制解调器进行设计和优化。结构上,BPSK调制器采用相位选择法实现,电路结构简单,功耗较低。BPSK解调器采用数模混合COSTAS环结构,其优势主要有低功耗,提高抗噪声性能以及减少芯片面积等。另外,改进版芯片通过改进相应电路结构,并采用全差分结构提高了电路的抗噪声能力。BPSK调制解调器的设计过程中,主要从功耗和速度两个方面考虑,对传统模拟或数字COSTAS环进行了改进优化。电路中的VCO、比较器、电流基准源、乘法器等主要模块针对低功耗、高抗噪声能力等要求进行了相应的改进。通过将传统科斯塔斯环的数字VCO改进成模拟VCO实现电路工作频率的降低,极大地降低功耗。比较器的设计则重点考虑噪声抑制、速度和功耗。电流基准源选用共源——共栅基准电流源结构,通过采用合适的元件进行温度系数的补偿,实现温度系数较少的低功耗基准电流源,以适应植入式系统的应用。本文设计的乘法器电路采用简单的互补MOS开关实现,极大地降低功耗,减少芯片面积。BPSK调制解调器采用Chartered 0.35μm 3.3V CMOS工艺实现。第一版COSTAS环芯片的测试结果显示,在10MHz的载波频率下,它的数据传输率可以达到2Mbps,功耗仿真结果为485.4μW,芯片面积为473μm×369μm。第二版芯片的仿真结果显示,在13.56MHz的载波频率下,数据率可以达到2.5Mbps,同时功耗为521.4μW,核心COSTAS环电路芯片面积为624μm×637μm,而BPSK调制电路的面积为140μm×175μm。同时,通过电路结构与版图上的改进优化,第二版芯片的测试性能有望比第一版有较大的提高。该BPSK调制解调器具有抗噪声能力强、功耗低、面积小等特点,可以应用于植入式无线神经信号采集系统的数据收发模块中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的背景和研究意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 生物医学用植入微电子系统的发展和研究现状
• 1.2.2 应用于植入式微系统的数据传输方式的研究现状
• 1.3 植入式无线神经信号采集系统的介绍
• 1.4 本文的课题来源
• 1.5 论文的主要工作和结构安排
• 第二章 BPSK调制解调器基础理论
• 2.1 BPSK调制解调原理
• 2.2 BPSK调制解调器的主要特性参数
• 2.2.1 功耗
• 2.2.2 数据传输率
• 2.2.3 抗噪声特性
• 2.3 BPSK调制解调器的常见结构和比较
• 2.3.1 BPSK调制器不同结构的性能比较
• 2.3.2 BPSK解调器不同结构的性能比较
• 2.4 设计指标和结构选择
• 2.5 本章小结
• 第三章 整体电路实现与仿真
• 3.1 BPSK调制解调器电路结构与工作原理
• 3.1.1 植入式微系统数据传输部分总体结构介绍
• 3.1.2 BPSK调制解调器的工作原理
• 3.2 压控振荡器（VCO）的设计
• 3.2.1 VCO的结构与功耗分析
• 3.2.2 VCO的优化设计
• 3.3 比较器的设计
• 3.3.1 比较器的电路结构
• 3.3.2 比较器的优化设计
• 3.4 数字单元的设计
• 3.4.1 鉴相器（PD）的设计
• 3.4.2 移相器（QSG）的设计与优化
• 3.4.3 乘法器的设计与优化
• 3.5 基准电流源的设计
• 3.5.1 基准电流源的电路结构和仿真
• 3.5.2 基准电流源的优化设计
• 3.6 整体电路仿真与分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 版图设计和后仿真
• 4.1 版图设计的考虑
• 4.2 单元模块的版图实现
• 4.3 整体版图实现
• 4.4 版图后仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 测试与改进
• 5.1 BPSK调制解调器的测试方案
• 5.2 第一版COSTAS环测试结果与分析
• 5.3 第二版COSTAS环的设计改进
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件