《超低功耗超微型高精度植入式晶片系統的關鍵技術研究》是依託浙江大學，由趙夢戀擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：超低功耗超微型高精度植入式晶片系統的關鍵技術研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：趙夢戀
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
植入式電子系統是一種埋置在生物體內的電子設備，用以監控生理生化參數變化，維持延長生命。工作環境對植入式晶片系統的功耗、面積要求苛刻，而系統日益提升的性能也對信息採集精度提出更高要求。項目將就其設計中若干關鍵技術問題開展研究，涉及系統及低噪聲前端放大器、高解析度模數轉換器和高效能供能單元等關鍵模組的設計與構成。內容包括系統模組的高精度建模，綜合套用開關電容和SO（開關型運放）技術結合chopper技術降低放大器噪聲水平，採用多位量化技術與SO/CBSC(基於比較器的開關電容電路技術)技術組合構成新的前饋型Sigma-Delta結構，在改善性能同時最佳化放大器和轉換器模組的功耗與面積。並提出一種非接觸式能量供給技術，採用超級電容替代電池作為儲能單元，結合多增益電荷泵，提高輸入電壓變化時的轉換效率，在減小功能模組體積同時實現高效能量供給。項目成果在攜帶型精密探測設備及航空航天等領域也有廣泛套用前景
結題摘要
對植入式系統晶片設計中若干關鍵技術開展了研究，主要圍繞適用於微弱信號檢測的高輸入阻抗前端儀表放大器、高解析度低功耗超微面積模數轉換器以及高效能供能單元的設計技術展開。在高精度建模基礎上，開展了放大器低功耗低噪聲高輸入阻抗設計技術和主放大器電路設計技術研究。其中，分別採用加入新穎的高電容利用率的低通濾波結構，結合斬波技術在大幅減小面積消耗的同時有效抑制了高頻紋波，以及運用自調零技術來降低放大器的失調電壓、閃爍噪聲，抑制斬波調製後對應的高頻紋波；通過正反饋技術大幅提升輸入阻抗，並引入DC Cancellation Loop抵消被斬波器調製後的電極直流失調電壓；套用交叉耦合MOS管降低了功耗，並通過帶通結構有效濾除低頻和高頻的噪聲。在模數轉換器研究中提出一種改進的Pseudo DWA技術，採用動態器件匹配解決多比特量化調製器中反饋DAC電容失配引起的帶內非線性失真，易於實現，確保了較高的轉換精度；提出半周期延遲積分器結構，使內部OTA只需工作半個周期，節省近半功耗。並與運放共享技術結合，使相鄰積分器內部的運放在同一個時鐘周期的不同相位工作，降低了系統工作頻率和動態功耗；在調製器內的放大器設計中，採用Class-AB電流鏡型OTA結合電流消耗技術來提高運放的DC增益；發展了一種新穎的CMFB電路改善線性，提高反饋速率，減少電荷泄漏帶來的誤差；發展了一種全開關型Class-AB 電流鏡開關運放，在半周期內切斷電源以節省50%的整體功耗；採用Cross-Coupling結構增加運放增益，縮短運放恢復時間，通過改進電路減小瞬態功耗，使總功耗再降低近1/4。此外，完成了寄生效應不敏感、面積和功耗最佳化的極小增益係數諧振器設計，減小了諧振器功耗，並對低功耗量化器進行了面積最佳化，在高性能調製器領域獲得若干具有國際先進水平的成果。同時，開展抽樣濾波器的功耗面積最佳化研究，提出一種可省去前置放大器的動態比較器，採用多種措施如用高密度的MOSCAP電容替代傳統的MIM金屬電容來節省面積，最佳化了模數轉換器整體性能。針對植入式系統的能量供給特點，提出一種以非接觸式充電平台為能量傳輸方式，超級電容為儲能單元，由新型電荷泵變換器為系統供電的新穎集成能量供給系統，並對其中關鍵模組的設計展開了研究。此外，開展了混合動力源等新型能量系統和模組的研究，完成了用於植入式系統的能量採集系統的超低電壓啟動單元的研製。
