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面向生物传感器的量化电路与射频前端芯片设计

面向生物传感器的量化电路与射频前端芯片设计

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作者：唐东升西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着物联网和生物医疗技术的不断发展。人们越来越重视生物信息检测和物联网台的结合。这对无线传感平台提出了更多的要求,更复杂的功能,更低的成本,更低的功耗。RFID标签芯片由于低功耗、易集成、可近距离通信等特点,广泛应用... 详细信息

近年来,随着物联网和生物医疗技术的不断发展。人们越来越重视生物信息检测和物联网台的结合。这对无线传感平台提出了更多的要求,更复杂的功能,更低的成本,更低的功耗。RFID标签芯片由于低功耗、易集成、可近距离通信等特点,广泛应用于近距离无线传感平台。利用半有源RFID实现生物信号检测与传输在面积和价格上有很大的优势。为了对生物信号检测,本文根据生物信号传感器的原理设计了一个适用于无线传感平台的传感器量化电路。该量化电路由无损电流检测电路、基于tdc的电压量化电路和低噪声线性稳压电路组成。基于无损电流检测技术,从切合射频芯片低功耗、低成本的应用角度出发,根据传统镜像功率MOSFET电流检测技术,设计一款低功耗、高精度电流检测电路,并对电路进行了改进,缓解了线性区MOS电流镜像的工艺偏差问题,且提高了电路的环路增益和检测精度。基于TSMC0.18μmCMOS工艺,仿真得到电流检测范围为30μA--450μA时,得到电流检测精度在98.87%以上,电路功耗为4.5μW。基于tdc的量化电路由电平移位电路和压控振荡器组成。为了对信号进行更好的量化,设计了高线性低功耗电压移位电路,将检测信号移位到压控振荡器的线性度较好的输入范围。为了完成低电压移位操作,且考虑低功耗的需求,将传统移位运放输入级与轨到轨运放输出级进行结合,完成低电位移位功能。仿真得到电路移位范围最低位30mV,电路系统失调电压为0.188mV,噪声电压为0.993mV,电路功耗为3.6μW。为了实现压控振荡器的高线性和良好的工艺特性,本文结合流控环形振荡器的高线性特性和压控环形振荡器的高鲁邦性,设计了一款高线性的压控振荡器。仿真得到在电压输入范围为0.33V--0.66V时,输出频率为225kHz--450kHz,线性度达到98.5%,电路的相位噪声在-50dBc/Hz,上翻转阈值处的jitter典型值32ns,功耗为2.3μW。为了实现对生物传感器的稳定电压供给,本文分析了线性稳压电路的噪声来源。针对外部噪声设计了滤波电路过滤掉来自基准电路的噪声,滤波器使用有源电阻来降低面积成本,针对内部噪声设计了一个高增益低噪声误差放大器,并通过高增益来增大环路增益降低电源噪声影响。仿真得到线性稳压电路的输出噪声电压为2.8mV;电源抑制比为-60dB,电路功耗为450nW。上文所提电路已在TSMC 0.18μm COMS工艺下设计,并进行了版图设计和电路后仿,仿真结果显示电路能满足无线传感节点使用需求和生物传感器端口电路需求。

关键词：无线传感平台无损电流检测低噪声 tdc量化电路

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