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应用于植入式无线神经信号采集系统的BPSK调制解调器的设计与研究

作　者: 黎超平
导　师: 李斌；吴朝晖
学　校: 华南理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 植入式 神经信号 BPSK调制解调器 科斯塔斯环 全差分 低功耗
分类号: TN915.05
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着微电子电路设计与工艺技术的高速发展,人们已经可以将电子电路系统植入到生物体内。当今生物医学工程领域的研究热点主要集中在低功耗、高集成度、高性能的植入式微电子系统的实现。本课题选用科斯塔斯环(COSTAS)结构,设计实现了一款用于植入式无线神经信号采集系统的BPSK调制与解调电路,并进行了MPW流片和测试。本文在分析第一版芯片测试结果的基础上,从系统结构、单元模块电路和版图三个方面对BPSK调制解调器进行设计和优化。结构上,BPSK调制器采用相位选择法实现,电路结构简单,功耗较低。BPSK解调器采用数模混合COSTAS环结构,其优势主要有低功耗,提高抗噪声性能以及减少芯片面积等。另外,改进版芯片通过改进相应电路结构,并采用全差分结构提高了电路的抗噪声能力。BPSK调制解调器的设计过程中,主要从功耗和速度两个方面考虑,对传统模拟或数字COSTAS环进行了改进优化。电路中的VCO、比较器、电流基准源、乘法器等主要模块针对低功耗、高抗噪声能力等要求进行了相应的改进。通过将传统科斯塔斯环的数字VCO改进成模拟VCO实现电路工作频率的降低,极大地降低功耗。比较器的设计则重点考虑噪声抑制、速度和功耗。电流基准源选用共源——共栅基准电流源结构,通过采用合适的元件进行温度系数的补偿,实现温度系数较少的低功耗基准电流源,以适应植入式系统的应用。本文设计的乘法器电路采用简单的互补MOS开关实现,极大地降低功耗,减少芯片面积。BPSK调制解调器采用Chartered 0.35μm 3.3V CMOS工艺实现。第一版COSTAS环芯片的测试结果显示,在10MHz的载波频率下,它的数据传输率可以达到2Mbps,功耗仿真结果为485.4μW,芯片面积为473μm×369μm。第二版芯片的仿真结果显示,在13.56MHz的载波频率下,数据率可以达到2.5Mbps,同时功耗为521.4μW,核心COSTAS环电路芯片面积为624μm×637μm,而BPSK调制电路的面积为140μm×175μm。同时,通过电路结构与版图上的改进优化,第二版芯片的测试性能有望比第一版有较大的提高。该BPSK调制解调器具有抗噪声能力强、功耗低、面积小等特点,可以应用于植入式无线神经信号采集系统的数据收发模块中。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 论文的背景和研究意义  10-11
  1.2 国内外的研究现状  11-14
    1.2.1 生物医学用植入微电子系统的发展和研究现状  11-13
    1.2.2 应用于植入式微系统的数据传输方式的研究现状  13-14
  1.3 植入式无线神经信号采集系统的介绍  14-15
  1.4 本文的课题来源  15-16
  1.5 论文的主要工作和结构安排  16-17
第二章 BPSK调制解调器基础理论  17-27
  2.1 BPSK调制解调原理  17-19
  2.2 BPSK调制解调器的主要特性参数  19-21
    2.2.1 功耗  19-20
    2.2.2 数据传输率  20
    2.2.3 抗噪声特性  20-21
  2.3 BPSK调制解调器的常见结构和比较  21-25
    2.3.1 BPSK调制器不同结构的性能比较  21-22
    2.3.2 BPSK解调器不同结构的性能比较  22-25
  2.4 设计指标和结构选择  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第三章 整体电路实现与仿真  27-46
  3.1 BPSK调制解调器电路结构与工作原理  27-30
    3.1.1 植入式微系统数据传输部分总体结构介绍  27-28
    3.1.2 BPSK调制解调器的工作原理  28-30
  3.2 压控振荡器（VCO）的设计  30-33
    3.2.1 VCO的结构与功耗分析  30-32
    3.2.2 VCO的优化设计  32-33
  3.3 比较器的设计  33-36
    3.3.1 比较器的电路结构  34-35
    3.3.2 比较器的优化设计  35-36
  3.4 数字单元的设计  36-39
    3.4.1 鉴相器（PD）的设计  36-37
    3.4.2 移相器(QSG)的设计与优化  37-38
    3.4.3 乘法器的设计与优化  38-39
  3.5 基准电流源的设计  39-42
    3.5.1 基准电流源的电路结构和仿真  39-40
    3.5.2 基准电流源的优化设计  40-42
  3.6 整体电路仿真与分析  42-45
  3.7 本章小结  45-46
第四章 版图设计和后仿真  46-54
  4.1 版图设计的考虑  46-47
  4.2 单元模块的版图实现  47-49
  4.3 整体版图实现  49-51
  4.4 版图后仿真  51-53
  4.5 本章小结  53-54
第五章 测试与改进  54-59
  5.1 BPSK调制解调器的测试方案  54-55
  5.2 第一版COSTAS环测试结果与分析  55-57
  5.3 第二版COSTAS环的设计改进  57-58
  5.4 本章小结  58-59
总结与展望  59-61
参考文献  61-65
攻读硕士学位期间取得的研究成果  65-66
致谢  66-67
附件  67

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信网 > 一般性问题 > 通信网设备
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