一种应用在人体传感器网络的低功耗VCO*

管 峰，聂泽东，王 磊

(中国科学院 深圳先进技术研究院 生物医学与健康工程研究所，广东 深圳518055)

0 引 言

近年来，人体传感器网络得到了长足的发展。该技术实现了对人体健康的实时监测与控制，通过人体上各种传感器节点，各项生理参数等被实时监测，以达到对各种疾病的早预防、早诊断、早治疗等［1］。而人体通信作为一种新兴的通信方式，在传感器网络中展现了其突出的优越性。人体通信，顾名思义就是以人体作为通信的媒介，具有低功耗、高速率、高安全性等优点。研究并开发基于此种通信方式的收发器对于推动人体通信和传感器网络等都具有非常重要的意义。

而压控振荡器(VCO)作为收发器芯片中一个非常重要的模块，其性能的好坏极大地影响着整个系统的运作。在收发器芯片中，VCO 有着许多的作用。比如:与其他模块组成锁相环，作为本地振荡器，为系统提供本振信号，以实现信号的调制与解调或是作为时钟数据恢复电路的关键模块，实现对数据时钟的恢复。其各项性能参数，如频率调节范围、相位噪声、功耗等都制约着收发系统。

由于人体传感器网络是基于人体自身周遭的网络形式，其硬件电路要求具有高集成度、低功耗、高数据率、易于穿戴等特点。本文针对人体通信的信道传输特性，并结合硬件电路的要求，介绍了一种应用于人体通信的低功耗VCO，该电路采用了SMIC 0.18 μm 1P6M 工艺。经流片测试，其调谐范围在30～130 MHz，可以较好地满足人体通信收发机的要求(人体通信频率在100 MHz 以下［2］)。

1 VCO 结构

目前，在CMOS 工艺下，经常使用的2 种VCO 是LC振荡器和环形振荡器。这2 种振荡器有着各自不同的优缺点，因此，应用于不同的场合。LC 振荡器可以提供非常可靠的噪声抑制特性，但是由于其需要在CMOS 工艺上集成高品质电感器，这就增加了芯片的设计难度，从而提高了芯片的设计成本与复杂度。同时，由于集成电感器的存在，使得芯片面积大大增加。另一方面其频率调节范围相对较窄，不适于需要宽调节范围的应用场合。而VCO 则具有较小的芯片面积、较宽的调谐范围以及非常好的线性度。

因此，本文中的VCO 采用了四级环形振荡器结构，如图1 所示。其中每一级称为一个延迟单元，各延迟单元相互连接形成环路，组成一个环形振荡器。

图1 四级环形振荡器Fig 1 Four-stage ring oscillator

VCO 的延迟单元采用了如图2 所示的结构。图中Mn1作为延迟单元的输入差分对管，Mp1 为交叉耦合结构，Mp2被用来实现频率调节，通过改变Mp2 栅级电压，从而来实现延迟单元延迟的可调节性。

图2 延迟单元Fig 2 Delay cell

2 分析与研究

2.1 巴克豪森准则

根据“巴克豪森准则［3］”，如果一个负反馈电路实现振荡，其环路增益应满足以下2 个条件

2.2 延迟单元电路分析

为了研究VCO 的振荡频率，研究延迟单元的单边电路如图3 所示。

图3 延迟单元单边等效电路Fig 3 Unilateral equivalent circuit of delay cell

由等效电路可得出其传输函数为

2.3 起振条件与振荡频率

根据巴克豪森准则，为维持VCO 的振荡，VCO 链路总的相位延迟应为180°，并且在振荡频率下其环路增益应为1［4］。将式(3)的值等于1，可以推导出VCO 的起振频率

通过调节Mp2 的栅级电压，可以调节Mp2 的阻值，从而改变振荡频率

3 测试结果

设计采用了中芯国际0.18 μm 1P6M 的CMOS 工艺。原理图设计仿真、版图布局采用Cadence IC5141 软件完成。图4 所示为芯片照片，VCO 模块已在其中标出。其面积为0.02 mm2.芯片测试采用适用于64 管脚QFP 封装芯片的PCB 测试板，如图5 所示。

图4 芯片照片Fig 4 Chip photo

图5 芯片测试板Fig 5 Test board of the chip

图6 所示为经测试所得的VCO 的控制电压与调谐频率之间的关系。由图中不难看出:该电路的频率调节范围为30～130 MHz。控制电压范围大约在0～1.2 V 之间。VCO增益约为83 MHz/V。

图7 所示为VCO 在80，100 MHz 下的时域波形图。

图8 所示为环形振荡器输出频率在中心频率80 MHz处的频谱图。

图6 调谐特性Fig 6 Tuning characteristics

图7 时域波形图Fig 7 Waveform of time domain

图8 80 MHz 频谱分析Fig 8 Spectrum analysis of 80 MHz

由频谱分析图可以根据以下公式得到相位噪声

式中 Pm为输出频率的功率，Pc为偏移输出频率f 处的边带噪声功率，BnT为频谱分析仪的实测等效噪声分析带宽，C 为频谱分析仪测量随机噪声的修正值［5］。

芯片的具体参数如表1 所示。

表1 性能比较Tab 1 Performances comparison

此外，还将本文中的VCO 与相关文献做了简单的比较，表1 所示。由比较中可以看出:本文中的VCO 较好地实现了低功耗设计。

4 结束语

本文提出的 VCO 采用了 SMIC 0.18 μm 1P6M CMOS 工艺。该模块采用了四级差分结构，经过测试，其频率输出范围从30 ～130 MHz，增益为83 MHz/V，在80 MHz 的输出频率下，频偏1 MHz 处的相位噪声为－98 dBc/Hz，同时其最大功耗仅为1.27 mW，这些特性很好地满足了人体通信的要求。

［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］ 拉扎维.模拟CMOS 集成电路设计［M］.西安:西安交通大学出版社，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.