無線能量管理芯片的研究與設計.pdf

1、近幾年，隨著對植入式醫(yī)療芯片研究的不斷深入，生物信號頻段低噪聲放大器、低噪聲低功耗數(shù)模轉換器等處理模塊已經(jīng)獲得了較大的突破。除了這些研究領域，另一個重要的課題就是無線能量的傳輸與處理，它的目的是為了解決電池更換與有線傳輸帶來操作上的難度。通過天線采集無線電磁波能量，將其轉化為直流電源，實現(xiàn)芯片的可持續(xù)性工作。本文對無線能量管理芯片中的相關模塊進行研究和設計，實現(xiàn)集成度較高、系統(tǒng)功能較完善的無線能量管理芯片，完成無線能量的轉換與管理，從而

2、給負載電路提供高性能的電源電壓。
　　論文所設計的無線能量管理芯片主要包括電荷泵整流器(Charge Pump Rectifier，REC)、帶隙基準電壓源(Bandgap Voltage Reference，BGR)、低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator，LDO)。針對REC的研究與設計，論文首先分析它與天線之間的等效電路，得出輸入信號擺幅與輸入帶寬之間的折衷關系；再利用電荷守恒原理對 REC進行設計流程

3、的總結，并基于本征 MOS管實現(xiàn)高效率的整流器。針對BGR的研究與設計，論文對基于亞閾值區(qū)MOS管與BJT相結合的改進型結構展開分析，解釋了決定工藝穩(wěn)定度的關鍵因素并提出相應的提高電源抑制能力的措施。針對 LDO的研究與設計，論文分別對 LDO和開關穩(wěn)壓器的工作原理進行分析，并詳細介紹了LDO中的關斷、過壓保護、過流保護、過溫保護等輔助電路，在此基礎上設計環(huán)路穩(wěn)定、高電源抑制比的LDO。
　　論文采用SMIC0.18μm CMOS

4、工藝對上述各模塊和整個無線能量管理芯片進行了電路的設計仿真、版圖設計與驗證。版圖后仿真結果表明，REC整流效率達到60％，改進型 BGR靜態(tài)電流僅為650nA，電源抑制為-60dB@DC、-50dB@500MHz，工藝穩(wěn)定度在1%。LDO的靜態(tài)電流為5μA，當最大負載電流為15μA時，效率為66.7%。在空載時電源抑制為-100dB@DC、-50dB@500MHz，在滿載時為-55dB@DC、-50dB@500MHz。另外，在溫度超過7