无线通信集成电路技术和医疗电子技术的飞速发展,促使以生理医学研究与生物医疗监测为目的的植入式微电子技术逐渐成为新兴的研究领域。相较于窄带无线通信技术,超宽带(UWB)技术以其所具有的高数据率、大通道容量和低功耗等优势,适合于生物电信号的多通道高速、高精度传输需要。此外,无线供能技术以其所具有的高效能特点,为植入式电子设备在体内无电池供电环境下的长期工作提供了可能。由于植入式环境为设备提供的空间有限且复杂,因此功耗、复杂度、体积和效率等因素,成为UWB无线通信技术和窄带无线电源传输技术应用于植入式电子设备的研究热点和重要挑战。本课题提出了一种无线供能载波跟踪UWB-BPSK发射系统解决方案,利用UWB-BPSK信号频谱产生的缺口进行窄带无线能量传输,在同一频段上,实现UWB信号与窄带无线能量信号的实时发射与接收。基于上述系统解决方案,采用0.18μm CMOS工艺研发了一套植入式无线供能载波跟踪UWB-BPSK发射系统芯片,芯片包括:脉冲宽度可调的低功耗双极性高斯单周期脉冲产生器,具有新型跨导-电容滤波器结构的环路带宽可调的载波频率跟踪与恢复电路,具有衬底偏置电压动态调整功能的多级整流电路为核心的无线供能电路三部分。针对UWB信号与窄带无线能量信号在同频段传输过程中出现的信号干扰问题,论文提出一种具有载波频率跟踪功能的UWB-BPSK调制实现方法,该方法产生的UWB-BPSK射频信号频谱缺口位于中心频率处,且中心频率时刻与窄带能量信号的频率时刻保持一致,保证窄带信号在频率发生变化的情况下能够始终位于频谱缺口中,实现UWB射频信号与窄带连续信号在同一频段上的同时传输。为了获得具有频谱缺口的UWB-BPSK信号,论文研究设计了具有脉冲宽度压控可调和基波反向补偿功能的双极性高斯单周期脉冲产生器,产生UWB-BPSK信号调制过程中所需要的双极性高斯单周期脉冲。该脉冲产生器通过压控延迟技术结合“异或”及“相与”操作,实现基带窄脉冲的产生,并采用基波分量反向补偿技术实现脉冲合成,无需集成电感、电容等大面积的滤波单元,即可产生具有优异时域波形和频谱效率的双极性高斯单周期脉冲。脉冲产生器中的双路基带窄脉冲产生电路采用交替工作模式,使芯片在保持低功耗的同时,提供高速的无线传输能力。所研发的脉冲产生器芯片,在0~1GHz频段上产生最高200 Mbps的双极性高斯单周期脉冲。高斯脉冲宽度调节范围为0.7ns-2.5 ns,射频脉冲频谱旁瓣抑制率为28 dB,脉冲产生器最大功耗仅为1 mW,单位比特能耗5 pJ/bit。针对系统解决方案中载波频率跟踪与恢复电路的环路稳定性,论文研究设计了具有衬底交叉耦合的自共源共栅结构结合低压共源共栅电流镜的跨导可调、宽线性输入范围的跨导放大器,并据此设计了具有带宽连续可调、高线性度的跨导-电容环路滤波器电路,实现了一种基于跨导-电容结构环路滤波器的载波频率恢复与跟踪环路。通过环路带宽的线性、连续调节,优化环路相位锁定时间和输出相位噪声。所研发的载波频率跟踪与恢复环路芯片的环路带宽在100 KHz~2 MHz范围内线性可调,输出信号功率为-5.94 dBm@400 MHz,相位噪声为-103.3 dBc/Hz@1 MHz,相位锁定时间为8μs。为了提高系统解决方案中无线供能电路的功率转换效率,提出了一种天线-整流器联合设计方法,将天线的设计参数作为多级整流电路的设计依据,完成多级整流电路各项参数的确定,实现具有高功率转换效率的多级整流电路。设计了一种具有衬底偏置电压动态调整功能的CMOS栅极交叉连接整流器电路,有效避免了电路的闩锁效应。所研发的无线供能电路芯片在400 MHz-405 MHz频率范围上输出直流电压1.8 V,接收到的功率约为10 mW。其中,多级整流电路的功率转换效率最大值为63.7%。基于论文提出的无线供能载波跟踪UWB-BPSK发射系统解决方案,设计研发了可用于植入式环境的无线供能载波跟踪UWB-BPSK发射芯片。发射芯片在400 MHz频率下、5cm距离上实现了无线能量接收,无线供能电路稳压输出功率达10 mW,可以满足发射芯片中各电路模块的功率损耗需求。在传输符号速率为100 Mbps情况下,UWB-BPSK射频输出信号产生的频谱缺口深度为18.9 dB,缺口带宽为2 MHz。芯片总功耗约为8.1 mW。芯片实现了UWB射频信号与窄带连续信号在同一频段上的同时传输,达到了频段共享。论文的研究成果可以对生物医用植入式无线供能及高速无线通信的研究提供一定的技术参考,也可以为在有限的频段和频谱范围条件下实施频段共享无线通信系统的设计提供一定的应用参考。