一種應用在人體傳感器網絡的低功耗VCO*

管 峰，聶澤東，王 磊

(中國科學院 深圳先進技術研究院 生物醫學與健康工程研究所，廣東 深圳518055)

0 引 言

近年來，人體傳感器網絡得到了長足的發展。該技術實現了對人體健康的實時監測與控制，通過人體上各種傳感器節點，各項生理參數等被實時監測，以達到對各種疾病的早預防、早診斷、早治療等［1］。而人體通信作為一種新興的通信方式，在傳感器網絡中展現了其突出的優越性。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、高安全性等優點。研究并開發基于此種通信方式的收發器對于推動人體通信和傳感器網絡等都具有非常重要的意義。

而壓控振蕩器(VCO)作為收發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的運作。在收發器芯片中，VCO 有著許多的作用。比如:與其他模塊組成鎖相環，作為本地振蕩器，為系統提供本振信號，以實現信號的調制與解調或是作為時鐘數據恢復電路的關鍵模塊，實現對數據時鐘的恢復。其各項性能參數，如頻率調節范圍、相位噪聲、功耗等都制約著收發系統。

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

1 VCO 結構

目前，在CMOS 工藝下，經常使用的2 種VCO 是LC振蕩器和環形振蕩器。這2 種振蕩器有著各自不同的優缺點，因此，應用于不同的場合。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 工藝上集成高品質電感器，這就增加了芯片的設計難度，從而提高了芯片的設計成本與復雜度。同時，由于集成電感器的存在，使得芯片面積大大增加。另一方面其頻率調節范圍相對較窄，不適于需要寬調節范圍的應用場合。而VCO 則具有較小的芯片面積、較寬的調諧范圍以及非常好的線性度。

因此，本文中的VCO 采用了四級環形振蕩器結構，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路，組成一個環形振蕩器。

圖1 四級環形振蕩器Fig 1 Four-stage ring oscillator

VCO 的延遲單元采用了如圖2 所示的結構。圖中Mn1作為延遲單元的輸入差分對管，Mp1 為交叉耦合結構，Mp2被用來實現頻率調節，通過改變Mp2 柵級電壓，從而來實現延遲單元延遲的可調節性。

圖2 延遲單元Fig 2 Delay cell

2 分析與研究

2.1 巴克豪森準則

根據“巴克豪森準則［3］”，如果一個負反饋電路實現振蕩，其環路增益應滿足以下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為

2.3 起振條件與振蕩頻率

根據巴克豪森準則，為維持VCO 的振蕩，VCO 鏈路總的相位延遲應為180°，并且在振蕩頻率下其環路增益應為1［4］。將式(3)的值等于1，可以推導出VCO 的起振頻率

通過調節Mp2 的柵級電壓，可以調節Mp2 的阻值，從而改變振蕩頻率

3 測試結果

設計采用了中芯國際0.18 μm 1P6M 的CMOS 工藝。原理圖設計仿真、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Fig 4 Chip photo

圖5 芯片測試板Fig 5 Test board of the chip

圖6 所示為經測試所得的VCO 的控制電壓與調諧頻率之間的關系。由圖中不難看出:該電路的頻率調節范圍為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 所示為環形振蕩器輸出頻率在中心頻率80 MHz處的頻譜圖。

圖6 調諧特性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噪聲的修正值［5］。

芯片的具體參數如表1 所示。

表1 性能比較Tab 1 Performances comparison

此外，還將本文中的VCO 與相關文獻做了簡單的比較，表1 所示。由比較中可以看出:本文中的VCO 較好地實現了低功耗設計。

4 結束語

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構，經過測試，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 集成電路設計［M］.西安:西安交通大學出版社，2002:12.

［4］ Yan William Shing Tak，Luong Howard Cam.A 900 MHz CMOS low－phase－noise voltage－controlled ring oscillator［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems，2001，48(2):216 －221.

［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.

［6］ Sheu Meng－lieh，Lin Ta－wei，Hsu Wei－hung.Wide frequency range voltage controlled ring oscillators based on transmission gates［C］∥International Symposium on Circuits and Systems，2005:2731 －2734.

［7］ Jeon Byeung－geon，Moon Yong，Ahn Tae－won.A study on 11 MHz～1 537 MHz DCO using tri－state inverter for DAB application［C］∥2009 IEEE Region 10 Conference，TEN－CON 2009，2009:1 －5.