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随着微电子技术的飞速发展,高性能、低功耗、全植入的植入生物体的专用集成电路以其广阔的应用前景和迅猛的发展势头,越来越多的受到人们的重视,并在此基础上逐渐形成了新的交叉学科——生物医学微电子学。植入生物体的微电子电路为改善人类的生活质量,提高人们的健康水平起到了重要的作用;针对植入生物体的专用集成电路的研究也将加快人类了解动物甚至自身电生理活动规律的进程,推动神经生理学、认知科学、生物微电子学、生物医学电子学等诸多领域的发展。
本文对能量耦合方式以及能量传输的电路实现进行了详细的分析与设计,从理论上证明了无线能量传输的可行性,并给出了植入子系统电源恢复电路的CMOS实现方式。设计了一个高效率的CMOS实现桥式整流电路,在2kΩ的负载下,整流效率高达81%;设计了一个输出电压随供电电压变化小,低温度漂移的带隙基准电路,并把该电路应用到LDO线性稳压电路的设计中,实现了输出电压稳定、低温度漂移的稳压器。LDO在3.6V~5.5V的电源电压下输出电压变化范围为3.303V~3.304V,在-20~80℃的温度变化范围内实现了3.3V~3.304V的较小的输出电压变化范围。
研究了与能量传输使用同一频段的控制数据传输方法,从获得较高的能量传输效率以及降低电路设计复杂程度出发,采用BPSK调制方式进行控制数据的传输。低功耗设计是植入式无线神经信号采集系统的一个关键问题,本文基于传统的相干解调原理,设计了一个低功耗的BPSK解调器,采用0.35μm、3.3V的CMOS工艺,完成了BPSK解调器中的倍频器、锁相环等模块的电路设计,对电路进行了仿真(前仿)、版图设计、参数提取及后仿真。最终设计的BPSK解调器核心电路的后仿真功耗约为500μW,满足植入式无线神经信号采集系统的低功耗设计要求。
针对本课题研究的能量与控制接收传输系统,设计了一套无线信号采集的板级验证系统。测试证明,该板级能量传输和电源恢复电路可以为BPSK解调器提供供电电源,BPSK解调器工作正常,实现了与能量传输使用同一频段的控制数据传输方式,验证了无线能量和控制数据传输的可行性。