[[alternative]]An ultra-low power multi-rate FSK receiver in 0.18 μm CMOS process

碩士[[abstract]]隨著科技的蓬勃發展，生醫電子也逐漸的和許多產品結合，將穿戴式行動通訊產品加入生醫晶片用以偵測各種生理訊號，用以協助使用者得知目前生理狀況為目的的設計已成為了趨勢。由於此類產品須長時間於戶外使用，而電源來源主要來自電池、體熱發電或是無線電能量收集電路，因此在其傳輸介面電路設計上超低功率消耗成了最重要的考量。 此外，接收器在使用上須長時間維持開啟狀態，占了大半部分的功耗，因此實現一超低功耗接收器便可大幅降低耗電量，延長使用的時間。 本論文提出一超低功耗與可變傳輸速率之頻率鍵移接收器，在傳輸速率上，突破了以往於超低功耗的設計下最快10 Mb/s的限制。另外，依傳輸資料總類的不同，其所需的最佳傳輸速率也不盡相同，而本接收器亦可依據使用者的需求調整其最高接收速率，以達到最佳化的目的。 在傳輸訊號選擇方面，使用了FSK調變解調，其相較於其它調變具有較的低複雜度與較高的抗干擾能力，因此特別適用於超低功耗傳輸系統。延遲電路設計方面，則使用了寬頻電流式放大器電路，實現了電流式的相位位移電路，達到800 μA的電流消耗下，此相位鍵移接收器具有20 Mb/s之資料傳輸速度，以達到超低功率消耗與縮短傳輸所需時間的目的。[[abstract]]An ultra-low power (ULP) frequency shift keying (FSK) receiver had be applied for wearable or implantable physiology sensors in recent years. Comparing to the other signal modulation, FSK provides better immunity against interference. Therefore, the ULP FSK receiver is suitable to provide stable link quality and extend life time of sensors. In this paper, we propose an ultra-low power, high data rate and variable data rate FSK receiver. The ULP FSK receiver was combined by a ULP Front-end and a ULP demodulator. Otherwise, we use current-mode phase shifter to improve bandwidth of the demodulator. High energy efficiency can be achieved by reducing the energy consumption per received bit of FSK receiver. Owing to variable data rate of the FSK demodulator, the power consumption of the FSK receiver can be trade-off for optimization under different operating conditions. The ULP FSK receiver was implemented in 0.18 μm CMOS process. The simulated maximum data rate is 20 Mb/s under power consumption of 1.44 mW. Therefore, the minimum energy consumption of 72 pJ per received bit can be achieved under maximum data rate of 20 Mb/s.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 內文目錄 III 圖表目錄 V 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機 2 1.3 論文架構 3 第二章 人體內訊號傳輸之應用與分析 4 2.1人體通訊之應用 4 2.2人體訊號傳輸頻譜特性實驗與分析 5 2.3人體傳輸調變訊號實驗與分析 8 2.4實驗結果與討論 10 第三章 超低功耗接收器電路 11 3.1超低功耗電路設計 11 3.2超低功耗接收器類別與介紹 18 第四章 電路設計 24 4.1 超低功耗頻率鍵移接收器 24 4.2 超低功耗之前端接收電路 27 4.3 超低功耗之解調電路 28 4.4 超寬頻之相位位移電路 31 4.5 電路模擬結果 34 4.6 電路佈局 40 第五章 晶片量測 42 5.1 量測方式 42 5.2 量測結果 43 第六章 結論與未來展望 48 參考文獻 49 圖目錄 圖2.1頻率響應量測系統示意圖 5 圖2.2站姿頻率響應[4] 7 圖2.3坐姿頻率響應[4] 7 圖2.4人體傳輸調變訊號量測系統示意圖 8 圖2.5各調變訊號收發解調誤差向量幅度[4] 9 圖3.1數位輸出“1”之等效電路，CL為負載電容 12 圖3.2數位輸出“0”之等效電路，CL為負載電容 13 圖3.3電晶體操作區特性曲線[6] 15 圖3.4 Bulk driven電晶體示意圖[7] 16 圖3.5 Bulk driven與Gate driven I-V特性曲線圖[7] 16 圖3.6超再生接收器前端電路架構[9] 19 圖3.7超低功耗OOK收發器電路架構[8] 19 圖3.8頻率轉振幅電路架構[10] 21 圖3.9超低功耗FSK收發器電路架構[10] 21 圖3.10 SIF接收解調電路架構[11] 22 圖4.1超低功耗頻率鍵移接收器電路架構 25 圖4.2 FSK延遲電路解調方法 25 圖4.3超低功耗之前端接收電路 27 圖4.4超低功耗解調器架構 28 圖4.5零中頻解調示意圖 29 圖4.6超低功耗混頻器電路 30 圖4.7相位位移電路架構 31 圖4.8寬頻電流式放大器電路 32 圖4.9具series-series迴授之共閘級放大器[12] 33 圖4.10接收器電路模擬圖(tt, 25度 Data=“0101…”) 34 圖4.11接收器電路模擬圖(tt, 25度 Data=“011011…”) 34 圖4.12接收器電路模擬圖(ff, 0度 Data=“0101…”) 35 圖4.13接收器電路模擬圖(ff, 0度 Data=“011011…”) 35 圖4.14接收器電路模擬圖(ss, 75度 Data=“0101…”) 36 圖4.15接收器電路模擬圖(ss, 75度 Data=“011011…”) 36 圖4.16相位位移電路交流分析 37 圖4.17相位變化(改變Bias電流) 38 圖4.18相位位移電路增益與相位關係 38 圖4.19電路佈局Chip Size:1.168 x 0.958 mm2 40 圖4.20電路佈局簡圖 41 圖5.1輸入阻抗匹配量測示意圖 42 圖5.2訊號量測方式示意圖 42 圖5.3資料傳輸速率100Kb/s (Data=“1010...”) 43 圖5.4資料傳輸速率1Mb/s (Data=“1010...”) 43 圖5.5資料傳輸速率1Kb/s (PRBS) 44 圖5.6資料傳輸速率1Mb/s (PRBS) 44 圖5.7數位輸出，資料傳輸速率100Kb/s (Data=“1010...”) 45 圖5.8數位輸出，資料傳輸速率100Kb/s (PRBS) 45 圖5.9晶片微影圖 46 圖5.10 PCB照相 46 表目錄 表2.1頻率響應量測參數設定 6 表2.2調變訊號量測參數設定 8 表3.1人體無線傳輸之接收解調電路文獻比較 23 表4.1電路預計規格表 39 表4.2超低功耗接收器文獻比較 39 表5.1量測結果 47[[note]]學號: 601450066, 學年度: 10