WBAN RF能量收集与ULP收发电路匹配性能提升技术研究

This project aimed at the requirements of the current research hotspot in WBAN development and main problems faced by the ultra-low-power (ULP) integrated circuits, carries out the research on high performance radio frequency (RF) energy rectifier and matching performance enhancement technology of ultra-low-power RF transceiver, gives the solutions of some key and basic scientific problems on energy restriction of the WBAN terminal nodes and data distortions of the transceivers. Based on the active CMOS devices and using of new structure of threshold cancellation, the project will make a breakthrough on ultra-low-voltage/ultra-low-power, high integration and adaptive performance of the RF energy rectifier, establish the new type of the rectifier circuits model with 90nm CMOS technology and analyze the energy conversion efficiency, explore the mismatching mechanism of device arrays in the ULP transceiver of the WBAN nodes and finally establish the high level models of the mismatch noise in ultra-deep submicron technology. Based on the spectrum shaping, the project will propose a new design scheme of high order mismatch noise suppression and verify its correctness and feasibility. This project focusing on the high energy efficiency and suppression of mismatch noise in the ULP transceiver, strives independently for a breakthrough in the original innovation of theory and practice, and therefore improves our ability of innovation in the field of micro energy harvesting and high performance integrated circuits design. 4 to 6 papers are expected to be published in the domestic and foreign high level academic journals.

该项目针对当前研究热点WBAN发展的需要和超低功耗集成电路系统芯片面临的主要问题，系统开展高性能射频能量整流器和ULP-RF收发电路匹配性能提升技术研究，解决WBAN终端节点能量受限和收发数据失真的若干关键基础性科学问题。基于有源CMOS器件，采用阈值消除新结构，在射频能量整流器超低压/超低功耗、高集成度和自适应研究方面取得突破，建立90nm CMOS工艺下的新型整流器电路模型，并分析其能量转换效率；探索WBAN节点ULP-RF收发电路器件阵列失配机理，建立超深亚微米工艺下的失配噪声高层次模型，基于频谱整形思想，提出新型高阶数字失配噪声抑制(MNS)设计方案，并验证其正确性与可行性。课题围绕WBAN节点高能量效率和ULP收发电路失配噪声抑制问题，自主研发，争取在理论和实践的源头创新上有所突破，提高我国在微型能量收集和高性能集成电路设计领域的创新能力。在国内外高水平学术期刊发表论文4-6篇。

项目在WBAN系统应用的的新型超低压、高集成度、自适应射频能量收集器和新型高阶超低功耗数字 MNS 技术方面取得了重要进展，具体包括：.提出了改进型超低压/超低功耗、高集成度 RF 能量收集整流器电路设计方案，并建立其高层次系统模型；结合超深亚微米工艺，寻求超低压供电下电路尺寸和功率转换效率(PCE)的最佳关系，获得了超低功耗射频整流器电路设计方法；考虑噪声、纹波等非理想因素对 CMOS 有源整流器性能的影响，提出了遇到异常低或高、可变的以及不可预测的射频能量时，射频能量收集器的自适应网络电路模型；建立了 WBAN 节点 ULP-RF 收发器关键模块电路模型，获得了电流可控VCO、功率可编程 PA、模数转换器 ADC 以及可变增益放大器 VGA 等模块的超低功耗电路结构和设计方法；分析了较小特征尺寸和超低压供电情况下，MOS 管、电容、电阻等器件失配机理及其对电路关键参数和系统线性度的影响；基于频谱整形思想，提出了新型高阶数字 MNS 技术，并结合 RF 收发通道具体电路模型，获得了适用于各关键电路模块的 MNS 设计方法。通过对以上相关关键技术的研究，项目开展为健康监护 WBAN 射频能量获取和 ULP-RF通信芯片性能提升奠定坚实的理论和技术基础，提高我国在微型能量收集和高性能超低功耗集成电路设计领域的创新能力。同时，为其它要求高能量效率、高信号质量的物联网、导航等系统的设计提供参考和技术指导。