无源植入式电子器件射频前端研究与设计

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无源植入式装置是利用无线能量传输至人体内驱动特定电路与人体进行信息交互的装置,无源植入装置在日常生活中有诸多应用方向,同时无线能量传输在工业场景中也有很大的应用需求。根据距离、介质、频率等不同,无线能量传输技术间具有很大区别。本文主要针对近场下超高频的无源器件中射频前端电路进行研究。  本文中针对无源植入式人体神经刺激器这一具体应用,在TSMC0.35μm BCD40V工艺完成了一款基于超高频无线能量传输的无源植入式装置中射频前端电路的设计。  本文中首先对目前无源植入式装置的发展和现状进行分析,提出目前植入式无源装置存在的问题。  第二,对电磁场理论和生物组织模型进行研究,针对能量传输中影响效率的因素进行了分析,并提出使用超高频进行能量传输的理论依据。  第三,对无源植入式器件的系统架构进行了研究,对射频前端模块中的关键技术进行了分析。接收天线根据应用需求应选用半波长偶极子天线,并对天线的性能进行了分析。总结了植入式装置的设计流程。  第四,分析射频前端主要电路模块的工作原理,提出设计难点,并给出设计方法。整流电路,提出一种新型晶体管连接方法,减小阈值损失和漏电流,提高整流器整流效率。预降压电路,利用负反馈将整流电路输出高电压整流为低电压为稳压器提供合理电压输入范围,简化电路结构的同时提高能量转化效率。解调电路采用有源检波和峰值跟踪电路对低调制系数的ASK载波信号进行解调。调制电路采用反向散射ASK调制技术。过压保护电路通过检测电压对泄流管进行控制,进而实现整流电路输出端过压保护。电源管理电路利用三极管电压差的温度特性产生一个稳定的基准电压,并通过低压差线性稳压器提供稳定的3.3V左右的电源电压。上电复位电路利用阈值电压检测电源电压的上电情况,给出一个固定宽度的复位信号。时钟产生电路利用电阻阵列控制环形振荡器的输入电流实现稳定输出振荡频率1.92MHz。整个射频前端总体功耗为0.05mW。  最后,对版图设计和射频前端的布局布线进行了论述,并给出芯片版图。射频前端电路版图面积0.56mm2。介绍了测试平台和测试情况。测试结果显示,芯片性能满足设计指标,适用于无源植入式器件前端的应用需求。
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