无线脑电检测系统中低功耗射频发射机关键技术研究

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当前经济社会迅猛发展,人们生活压力逐渐增大,导致慢性精神病患者的数量逐年增加。因而人们对慢性精神病的治疗提出了更高的需求,许多国家开展了针对人体脑部疾病与探索大脑活动的研究,本文基于国家973项目子课题“多通道脑电(Electroencephalograph,EEG)检测芯片”,着重研究EEG芯片中低功耗射频发射机的关键技术。论文的主要工作如下:  (1)调研了无线式人体生理指标检测电路的应用背景,论述了国内外研究的方法以及最新成果。  (2)对发射机的工作原理以及指标参数进行理论分析,对前人芯片进行测试分析,最终确定射频发射机的性能指标。  (3)重点研究低功耗的射频发射机电路设计技术,主要降低功耗的措施有:①降低电源电压,供电电压由标准的1.8V降低到1.2V;②针对功耗最大的压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator, VCO),采用深N阱工艺以及衬底偏置技术,降低了阈值电压从而减小了VCO中交叉对管的尺寸,VCO消耗电流减小,功耗由8.1mW降低到4.2mW,减小了近一半;③对功耗仅次于VCO的分频器,采取优化的非标准逻辑单元实现8/9预分频器(Prescaler),减少了电源到地的直流通路,分频器功耗由5.4mW大幅降低到0.3mW;④对于电荷泵(Charge Pump,CP)电路,电荷泵充放电电流从100uA优化到20uA,鉴频鉴相器和电荷泵整体功耗由4.6mW大幅降低到0.6mW;  (4)在SMIC0.18um工艺下设计实现了低功耗的EEG射频发射机电路,芯片版图面积为1.66mm2,后端仿真得到当发射机载波频率为2.4GHz时,输出功率可达-8.24dBm,相位噪声为-113.24dBc/Hz@1MHz,总功耗为6.1mW(原系统功耗为30.8mW)。锁相环输出频率范围为2295-2580MHz,OOK(On-OffKeying)调制速率最高达10Mbps,可以满足无线EEG系统的需求,同时性能较前一版有较大提升。
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