基於無線體域網套用的自供電模擬前端設計關鍵技術

《基於無線體域網套用的自供電模擬前端設計關鍵技術》是依託西安電子科技大學，由劉簾曦擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於無線體域網套用的自供電模擬前端設計關鍵技術
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉簾曦
• 依託單位：西安電子科技大學

中文摘要

本項目主要研究適用於無線體域網中感測節點的自供電模擬前端集成化設計中的關鍵技術。自供電模擬前端晶片包括多模能量混合收集模組、功率管理單元模組，低噪聲信號收集模組和低功耗射頻發射機四個部分。項目首先深入研究閾值補償和最大功率點跟蹤技術在能量獲取中的套用，實現射頻、人體動能和熱能的獲取和轉化；對單電感多路輸出的Boost電路設計技術進行深入研究，採用集成電感並通過有序功率分配控制的方法，實現對電路輸出的連續控制，採用低壓振盪器和電荷泵輔助升壓的技術實現功率管理單元的超低電壓啟動功能；通過對低頻低噪聲放大器、超低功耗SAR-ADC的最佳化設計研究，實現對微弱生物信號的集成化採集與處理；通過對環形多諧振盪器和數字頻率校準技術的研究，完成超低功耗射頻發射機設計，實現對人體監測信號的FSK調製與發射。

結題摘要

本項目基於納米尺度的標準CMOS工藝，深入探索和研究了基於無線體域網套用的自供電模擬前端積體電路設計的關鍵技術，完成了項目的預期目標。通過對壓電、熱電和射頻能量接口電路的研究，實現對人體動能、體溫梯度熱能以及環境射頻能量的多模式能量混合獲取。對於壓電能量接口電路，我們提出了P-SSHC的壓電能量獲取，消除了電感電流損耗，降低了電路自身功耗。對於熱電能量接口電路，我們採用臨界導通模式提高了高輸入功率條件下轉換器的峰值效率，採用自適應導通電阻開關，對功率管的開關損耗和導通損耗實現了很好的折中。我們還採用射頻能量輔助啟動技術和低壓啟動技術改善冷啟動電壓。對於射頻能量接口電路，我們提出了雙頻段獲取技術和混合閾值電壓自補償技術，提升了獲取射頻能量的範圍，並且提高了射頻整流器的功率轉換效率。在功率管理方面，我們實現了單電感雙路輸出DC-DC，通過反饋環路技術的改進，改善了雙路輸出的交調問題。我們設計了低壓啟動BOOST轉換器，藉助三步啟動技術，在無任何額外的輔助電路或低閾值電壓器件的情況下實現了低於閾值電壓啟動電壓。在數據採集技術方面，我們提出了低頻人體生理信號的低噪聲放大器。利用電流復用技術，改善熱噪聲性能。利用正反饋電容和預充電技術提高了放大器的輸入阻抗。針對傳統低噪聲放大器直流失調電壓大，校準時間長的問題，我們提出來一種新型的數字控制直流失調校準方案，提高了直流失調校準範圍，並減小校準時間。最後，我們還對低功耗無線發射機進行研究，採用零中頻技術，簡化發射機結構；採用改進的混頻器，降低基帶信號的影響。對無線發射機中的鎖相環電路進行了最佳化，採用基於電阻和低失調運放結構的電荷泵，和動態電流補償技術，最佳化了鎖相環的參考雜散性能和鎖相環整體電路功耗的降低。鎖相環中所設計的雙數字環路控制C類VCO解決了C類VCO在低電源電壓下的啟動問題，最佳化了VCO的相位噪聲性能。項目進展順利，取得豐富的研究成果，項目的研究內容還將繼續深入。