管 峰，聶澤東，王 磊

(中國科學(xué)院 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所，廣東 深圳518055)

0 引 言

近年來，人體傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了長足的發(fā)展。該技術(shù)實現(xiàn)了對人體健康的實時監(jiān)測與控制，通過人體上各種傳感器節(jié)點，各項生理參數(shù)等被實時監(jiān)測，以達(dá)到對各種疾病的早預(yù)防、早診斷、早治療等［1］。而人體通信作為一種新興的通信方式，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中展現(xiàn)了其突出的優(yōu)越性。人體通信，顧名思義就是以人體作為通信的媒介，具有低功耗、高速率、高安全性等優(yōu)點。研究并開發(fā)基于此種通信方式的收發(fā)器對于推動人體通信和傳感器網(wǎng)絡(luò)等都具有非常重要的意義。

而壓控振蕩器(VCO)作為收發(fā)器芯片中一個非常重要的模塊，其性能的好壞極大地影響著整個系統(tǒng)的運作。在收發(fā)器芯片中，VCO 有著許多的作用。比如:與其他模塊組成鎖相環(huán)，作為本地振蕩器，為系統(tǒng)提供本振信號，以實現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)或是作為時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的關(guān)鍵模塊，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)時鐘的恢復(fù)。其各項性能參數(shù)，如頻率調(diào)節(jié)范圍、相位噪聲、功耗等都制約著收發(fā)系統(tǒng)。

由于人體傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于人體自身周遭的網(wǎng)絡(luò)形式，其硬件電路要求具有高集成度、低功耗、高數(shù)據(jù)率、易于穿戴等特點。本文針對人體通信的信道傳輸特性，并結(jié)合硬件電路的要求，介紹了一種應(yīng)用于人體通信的低功耗VCO，該電路采用了SMIC 0.18 μm 1P6M 工藝。經(jīng)流片測試，其調(diào)諧范圍在30～130 MHz，可以較好地滿足人體通信收發(fā)機(jī)的要求(人體通信頻率在100 MHz 以下［2］)。

1 VCO 結(jié)構(gòu)

目前，在CMOS 工藝下，經(jīng)常使用的2 種VCO 是LC振蕩器和環(huán)形振蕩器。這2 種振蕩器有著各自不同的優(yōu)缺點，因此，應(yīng)用于不同的場合。LC 振蕩器可以提供非常可靠的噪聲抑制特性，但是由于其需要在CMOS 工藝上集成高品質(zhì)電感器，這就增加了芯片的設(shè)計難度，從而提高了芯片的設(shè)計成本與復(fù)雜度。同時，由于集成電感器的存在，使得芯片面積大大增加。另一方面其頻率調(diào)節(jié)范圍相對較窄，不適于需要寬調(diào)節(jié)范圍的應(yīng)用場合。而VCO 則具有較小的芯片面積、較寬的調(diào)諧范圍以及非常好的線性度。

因此，本文中的VCO 采用了四級環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。其中每一級稱為一個延遲單元，各延遲單元相互連接形成環(huán)路，組成一個環(huán)形振蕩器。

圖1 四級環(huán)形振蕩器Fig 1 Four-stage ring oscillator

VCO 的延遲單元采用了如圖2 所示的結(jié)構(gòu)。圖中Mn1作為延遲單元的輸入差分對管，Mp1 為交叉耦合結(jié)構(gòu)，Mp2被用來實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，通過改變Mp2 柵級電壓，從而來實現(xiàn)延遲單元延遲的可調(diào)節(jié)性。

圖2 延遲單元Fig 2 Delay cell

2 分析與研究

2.1 巴克豪森準(zhǔn)則

根據(jù)“巴克豪森準(zhǔn)則［3］”，如果一個負(fù)反饋電路實現(xiàn)振蕩，其環(huán)路增益應(yīng)滿足以下2 個條件

2.2 延遲單元電路分析

為了研究VCO 的振蕩頻率，研究延遲單元的單邊電路如圖3 所示。

圖3 延遲單元單邊等效電路Fig 3 Unilateral equivalent circuit of delay cell

由等效電路可得出其傳輸函數(shù)為

2.3 起振條件與振蕩頻率

根據(jù)巴克豪森準(zhǔn)則，為維持VCO 的振蕩，VCO 鏈路總的相位延遲應(yīng)為180°，并且在振蕩頻率下其環(huán)路增益應(yīng)為1［4］。將式(3)的值等于1，可以推導(dǎo)出VCO 的起振頻率

通過調(diào)節(jié)Mp2 的柵級電壓，可以調(diào)節(jié)Mp2 的阻值，從而改變振蕩頻率

3 測試結(jié)果

設(shè)計采用了中芯國際0.18 μm 1P6M 的CMOS 工藝。原理圖設(shè)計仿真、版圖布局采用Cadence IC5141 軟件完成。圖4 所示為芯片照片，VCO 模塊已在其中標(biāo)出。其面積為0.02 mm2.芯片測試采用適用于64 管腳QFP 封裝芯片的PCB 測試板，如圖5 所示。

圖4 芯片照片F(xiàn)ig 4 Chip photo

圖5 芯片測試板Fig 5 Test board of the chip

圖6 所示為經(jīng)測試所得的VCO 的控制電壓與調(diào)諧頻率之間的關(guān)系。由圖中不難看出:該電路的頻率調(diào)節(jié)范圍為30～130 MHz。控制電壓范圍大約在0～1.2 V 之間。VCO增益約為83 MHz/V。

圖7 所示為VCO 在80，100 MHz 下的時域波形圖。

圖8 所示為環(huán)形振蕩器輸出頻率在中心頻率80 MHz處的頻譜圖。

圖6 調(diào)諧特性Fig 6 Tuning characteristics

圖7 時域波形圖Fig 7 Waveform of time domain

圖8 80 MHz 頻譜分析Fig 8 Spectrum analysis of 80 MHz

由頻譜分析圖可以根據(jù)以下公式得到相位噪聲

式中 Pm為輸出頻率的功率，Pc為偏移輸出頻率f 處的邊帶噪聲功率，BnT為頻譜分析儀的實測等效噪聲分析帶寬，C 為頻譜分析儀測量隨機(jī)噪聲的修正值［5］。

芯片的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 性能比較Tab 1 Performances comparison

此外，還將本文中的VCO 與相關(guān)文獻(xiàn)做了簡單的比較，表1 所示。由比較中可以看出:本文中的VCO 較好地實現(xiàn)了低功耗設(shè)計。

4 結(jié)束語

本文提出的 VCO 采用了 SMIC 0.18 μm 1P6M CMOS 工藝。該模塊采用了四級差分結(jié)構(gòu)，經(jīng)過測試，其頻率輸出范圍從30 ～130 MHz，增益為83 MHz/V，在80 MHz 的輸出頻率下，頻偏1 MHz 處的相位噪聲為－98 dBc/Hz，同時其最大功耗僅為1.27 mW，這些特性很好地滿足了人體通信的要求。

［1］ Yang G Z.Body sensor networks［M］.London:Springer－Verlag，2006.

［2］ Wang Wencheng，Nie Zedong，Guan Feng，et al.Experimental studies on human body channel communication characteristics based upon capacitive coupling［C］∥Proc of IEEE Int’l Conf on Body Sensor Network，2011:180 －185.

［3］ 拉扎維.模擬CMOS 集成電路設(shè)計［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2002:12.

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［5］ Menbari Babak，Suratgar Amir Abolfazl.A low－power low－voltage VCO with wide range tuning controlled by adaptive neural network［C］∥International Frequency Control Symposium and Exposition，2006:567 －574.

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