一种无线体域网发射机体偏置线性化技术

柳 扬 杨银堂 李 迪 石佐辰



一种无线体域网发射机体偏置线性化技术

柳 扬*杨银堂 李 迪 石佐辰

(西安电子科技大学微电子学院 西安 710071)

该文针对无线体域网人体介质通信(Human Body Communication, HBC)发射机严格的输出频谱指标，提出一种利用体偏置线性化技术进行频谱整形的技术。通过设计缓冲器中晶体管体偏置，从而调整晶体管二阶非线性系数，最终消除输出端的二阶互调项(Second order InterModulation, IM2)。采用0.35 μm CMOS工艺和1.8 V供电电压设计了一个基于体偏置技术的HBC发射机实例。仿真结果显示二阶输入截点(IIP2)优化到 90 dBm，输出频谱在1 MHz处抑制-130 dBr。较传统电路，该技术提高了23 dB频谱抑制，使输出频谱符合无线体域网IEEE 802.15.6协议中-120 dBr的指标。

无线体域网；放大器；线性化；集成电路

1 引言

无线体域网技术(Wireless Body Area Network, WBAN)被广泛应用于主动医疗[1,2]，人体生理指标实时监测等领域，在我国逐步迈入老龄化社会，医疗资源日益紧张的大环境下，具有广阔的应用前景。体表可穿戴设备或植入体内的传感器和中心节点通常组织成星形WBAN网络，然后把提取出的人体心电图，脑电图等生理信号传输到WBAN中心节点，最终通过手机发送到医院或是云端服务器进行进一步诊断和数据存储。构建WBAN技术的一个关键是选择网络节点之间短距离无线通信方式。针对WBAN应用，目前主流的短距离无线通信方式例如蓝牙，Zigbee等技术存在功耗限制。为促进适用于WBAN低功耗芯片的设计发展，在2011年，IEEE 802.15第6工作组(Sixth Task Group, TG6)批准了制定IEEE 802.15.6协议[3]。IEEE 802.15.6协议定义了一个媒体存取控制层(Medium Access Control, MAC)和其支持的3个物理层：超宽带(Ultra-WideBand, UWB)，窄带(NarrowBand, NB)和人体介质通信(Human Body Communication, HBC)。其中HBC使用人体作为通信介质，中心频率是21 MHz，在此频段上，信号传输的路径损耗小，并且使用面积小的人体接触电极而不是面积大低阻天线，所以HBC更适合高集成度低功耗的WBAN应用。

2 HBC发射机设计挑战

HBC发射机设计的一个最大挑战是IEEE 802.15.6协议规定的严格输出频谱要求：在2 MHz相对于中心频率抑制比至少-80 dBr (dB relative to the center frequency)，1 MHz和更低频率抑制比至少-120 dBr[3]。因此目前主流的HBC发射机采用频谱整形技术。文献[4]提出首个完全基于IEEE 802.15.6 HBC协议的发射机，使用八阶的数字带通滤波器来进行整形；文献[5,6]为了进一步在1 MHz处进行频谱抑制，不仅加入了高达九阶的高通滤波器，还在缓冲器后面又使用二阶的无源高通滤波器。同时采用了更加节省功耗的结构，在数字FSDT调制后，直接用模拟滤波器来处理信号，避免了使用高功耗的数模转换器。

在本文中，低频频谱整形的瓶颈被定位在图1中发射机最后一级缓冲器的输出二阶互调项(Second-order InterModulation, IM2)。如图1所示，随着频率不断降低，IEEE 802.15.6协议要求的频谱抑制逐渐苛刻，但是非线性缓冲器产生的IM2项却污染低频频谱，使1 MHz实际输出频谱停止下降，未能满足协议要求。线性化技术是有效的用于发射机功率放大器或输出缓冲器频谱整形方式之一。根据频率范围不同，频谱整形可分为基波附近的邻信道抑制比(Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)和低频处的频谱抑制。文献[7]利用预失真器补偿掉AM-PM失真中的相位误差，提高ACLR 2.6 dB。不足在于预失真器中的电感无法高度集成。因此，可以使用高度集成的反相器和MOS可变电容来补偿相位[8]。低频处的频谱抑制主要通过消除偶次失真来实现。文献[9]通过校正功率放大器的导通角(conduction angle)，使传输函数傅里叶级数展开中的偶次项系数近似为0，从而消除输出偶次谐波，完成低频处的频谱抑制。线性化技术电路实现主要受功耗限制。文献[10]在单支路非线性电路并联一路可调衰减器和非线性发生器，两支路叠加起来提高线性度。文献[11]提出了两步IM2消除技术，但是第1级只有一半信号被利用，因此功率效率较低。

图1 典型HBC发射机结构

3 发射机前端电路设计

3.1 初步整形带通滤波器

带通滤波器(BandPass Filter, BPF)完成初步的频谱整形。虽然IEEE 802.15.6协议对于低频频谱要求严格，但是对高频部分指标不苛刻，通过带通滤波器可以获得足够抑制。基于阶梯法(LC- ladder)综合出来的高阶滤波器对于每一级器件参数波动不敏感。阶梯法中，首先根据指标得到无源RLC结构，然后利用信号流程图(Signal Flow Graph, SFG)把无源模型转成有源的结构。图2(a)给出了用于HBC发射机初步频谱整形的八阶带通Gm-C滤波器结构。如图2(b)所示，跨导单元采用了非线性反馈和交叉耦合技术来减小失真，灰色部分电路为电流源负载和提供共模反馈模块，同时也为下一级直接耦合的缓冲器提供稳定的输入共模电平。通过采用高线性度跨导单元和使用全差分的电路架构，极大消除带通滤波器产生的偶次失真和实现了低功耗。

3.2 体偏置IM2消除技术缓冲器

缓冲器核心工作原理是通过体偏置引入非对称来抵消掉缓冲器原有的非对称性，工作原理等效于不含偶次失真的全差分结构。传统的有源电流镜作负载的双端转单端缓冲器并不是理想的对称结构，因为两端分别是高阻的电流源和低阻的二极管连接MOS管。非对称性使传统有源电流镜作负载的缓冲器不能像全差分电路完全消除偶次失真。如图3所示。输入管M1, M2的体偏置B1,B2被电流镜M11, M12和M13, M14控制，通过微调B1,B2引入输入差分对M1, M2直流工作点轻微不平衡，抵消掉有源电流镜负载已有的不平衡，从而实现伪全差分工作。

二阶互调项消除依赖于通过体偏置来调节MOS二阶非线性系数。由于NMOS使用了单独的体偏置，所以需要用到具有P阱CMOS工艺。MOS晶体管非线性来源有g和ds，但是g非线性占据绝对主导。在HBC发射机中，中心频率为21 MHz，此时电容影响可以忽略，MOS管沟道电流用Taylor级数展开为

(2)

其中，2gm,3gm分别为二阶，三阶非线性系数，gs是栅极输入电压，DS为源漏沟道电流。利用式(2)对沟道电流进行二重和三重微分就可以得到二阶，三阶非线性系数。当栅极输入信号为

其中是输入信号幅度，1,2是输入信号的双音频率。根据式(1)中的展开式和式(2)中的非线性系数定义，沟道二阶互调(IM2)电流为

(4)

图2 8阶带通滤波器电路

图3 消除IM2的体偏置技术缓冲器

图4给出了在不同BS偏置下2gm曲线。可以看出随着BS增大，2gm曲线整体向左平移，意味着在相同GS下，2gm更小，所以根据式(4)，沟道二阶非线性电流IM2电流幅度减小。回顾图3，输出二阶互调电流IM2,out由两部分组成，分别是M1产生的IM2电流镜像IM2,M1,mirror和M2产生的IM2,M2。由于电流方向相同，IM2,out的大小是它们的幅度之差。如图5所示，通过精细调整BS，根据图4中的2gm与BS关系，会略微减小IM2,M2，直到大小与IM2,M1,mirror相同，此时输出中的IM2成分被完全抵消。

调整BS消除IM2需要高精度的体偏置电压。本文利用低精度的偏置电流阵列来生成高精度的体偏置电压。在强反型的MOS管中，沟道电流与过驱动电压成平方关系，在弱反型的MOS管中，电流和过驱动电压成指数关系。所以弱反型下，利用反指数关系，可以用电流偏置生成电压偏置。如图3所示，灰色覆盖的native NMOS M3, M4工作在弱反型区域，它们设计成二极管连接提供精细的V。采用native NMOS管是为了产生较低的电压，来偏置输入管M1, M2。图6显示低精度偏置电流产生高精度体偏置电压曲线。产生的体偏置电压被低通RC网络滤除高频噪声后施加到M1, M2。图3的缓冲器有两个控制开关M7, M8。同一时刻，只有一路开关闭合，一路开关断开。这是考虑器件参数波动和失配下，当IM2,M1,mirror>IM2,M2时候，C1=0,C2=VDD,B2=0，调节B1；当IM2,M1,mirror

4 仿真结果与讨论

采用0.35 μm CMOS工艺，1.8 V电源电压设计了图1中的HBC发射机。包括FSDT调制、预处理无源RC网络、八阶Gm-C带通滤波器和IM2线性化技术缓冲器。图7显示了在不同工艺角下双音测试的结果。输入频率分别为20 MHz和21 MHz，它们的频率差为1 MHz，这里采用1 MHz是因为输出频谱观测的关键频率点是1 MHz。在不同工艺角下，校正IIP2所需要的BIAS不同，最佳IIP2在80~90 dBm的区间。图8显示了采用体偏置技术与否输出频谱对比，其中黑色的粗实线是IEEE 802.15.6 HBC物理层的输出频谱指标，灰色是实际输出频谱。图8(a)给出了正确配置BIAS后发射机输出频谱，此时在1 MHz抑制有-130 dBr，满足IEEE 802.15.6 HBC物理层输出频谱-120 dBr的要求。而在图8(b)中，没有进行任何优化，即BIAS=0，此时代表输出频谱指标的粗实线与频谱相交，频谱抑制-107 dBr。对比可以观察到两个输出频谱的主要差别是在低频区域，高频区域如21 MHz及以上的输出频谱是相同的。在5.25 MHz频率处可以观测到毛刺，这是分量18.375 MHz和23.625 MHz二阶互调产生的，但是依旧满足IEEE 802.15.6 HBC指标。表1对比不同频谱整形技术发射机。文献[4,6]使用高功耗的滤波器技术，但未能分离出偶次失真的影响，因此输出频谱在1 MHz处依旧不满足IEEE 802.15.6协议。文献[9]提出导通角校正从而消除偶次谐波，但插入的辅助缓冲器消耗额外功耗。文献[12]采用基于DLL矫正扩频时钟技术来实现频谱抑制，但是复杂的数字信号处理电路消耗显著功耗。文献[13]通过引入谐波陷波旁路，虽然没有额外直流功耗，但是获得有限的-53 dBr最大频谱抑制。本文提出的体偏置技术在低功耗设计约束下，完成了-130 dBr输出频谱整形。

图4 二阶非线性系数k2gm随VBS变化曲线      图5 最佳体偏置工作点     图6 低精度偏置电流生成高精度体偏置电压

图7 不同工艺角下缓冲器最佳IIP2

5 结束语

IEEE 802.15.6 协议HBC物理层定义了严格的输出频谱要求。本文首先把频谱整形关键定位在发射机最后一级输出缓冲器的二次非线性上，分析出二阶互调项(IM2)会折叠到低频处。然后提出了基于体偏置的IM2消除技术，通过设计体偏置消除缓冲器的非对称性，从而实现伪全差分工作。仿真显示缓冲器的IIP2可以优化到90 dBm。相较于传统电路，在1 MHz处发射机输出频谱抑制从-107 dBr被提高到-130 dBr，达到IEEE 802.15.6 协议HBC物理层-120 dBr的指标，并且缓冲器功耗只有91 μW，适合低功耗约束的无线体域网应用。

图8 发射机输出频谱对比

表1 频谱整形发射机性能比较

[1] 邹卫霞, 康峰源, 杜光龙, 等. 基于中国医用体域网频段的物理层方案设计及干扰分析[J]. 电子与信息学报, 2015, 37(2): 429-434.doi: 10.11999/JEIT140901.

ZOU Weixia, KANG Fengyuan, DU Guanglong,. Physical layer proposal design and interference analysis based on Chinese medical band in wireless body area network[J].&, 2015, 37(2): 429-434. doi: 10.11999/JEIT140901.

[2] 孙彦赞, 姜玉凤, 吴雅婷, 等. 基于改进式随机不完全着色算法的无线体域网干扰协调[J]. 电子与信息学报, 2015, 37(9): 2204-2210. doi: 10.11999/JFIT141621.

SUN Yanzan, JIANG Yufeng, WU Yating,. Improved random incomplete coloring for interference mitigation in wireless body area networks[J].&, 2015, 37(9): 2204-2210. doi: 10. 11999/JFIT141621.

[3] IEEE 802.15.6-2012. IEEE standard for local and metropolitan area networks – part 15.6: Wireless body area networks[S]. 2012. doi: 10.1109/IEEESTD.2012.6161600.

[4] LEE H, LEE K, HONG S,. A 5.5mW IEEE-802.15.6 wireless body-area-network standard transceiver for multichannel electro-acupuncture application[C]. IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, San Francisco, 2013: 452-453.doi: 10.1109/ ISSCC.2013.6487811.

[5] LEE H, CHO H, and YOO H J. A 33 μW/node duty cycle controlled HBC transceiver system for medical BAN with 64 sensor nodes[C]. IEEE Proceedings of the Custom Integrated Circuits Conference, San Jose, 2014: 1-8. doi: 10.1109/CICC. 2014.6946058.

[6] CHO H, LEE H, BAE J,. A 5.2mW IEEE 802.15.6 HBC standard compatible transceiver with power efficient delay-locked-loop based BPSK demodulator[C]. IEEE Asian Solid-State Circuits Conference, KaoHsiung, 2014: 297-300. doi: 10.1109/ASSCC.2014.7008919.

[7] ONIZUKA K, ISHIHARA H, HOSOYA M,. A 1.9 GHz CMOS power amplifier with embedded linearizer to compensate AM-PM distortion[J].-, 2012, 47(8): 1820-1827. doi: 10.1109/ JSSC.2012.2196629.

[8] HU S, KOUSAI S, and WANG H. A broadband mixed-signal CMOS power amplifier with a hybrid class-G Doherty efficiency enhancement technique[J]., 2016, 51(3): 598-613. doi: 10.1109/JSSC. 2015.2508023.

[9] BA A, CHILLARA V K, LIU Y H,. A 2.4GHz class-D power amplifier with conduction angle calibration for -50dBc harmonic emissions[C]. Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, Tampa, 2014: 239-242. doi: 10.1109/RFIC.2014. 6851708.

[10] 刘洁, 胡波雄, 王刚, 等. 一种适用于Ku波段行波管放大器的预失真线性化器[J]. 电子与信息学报, 2014, 36(10): 2515-2520. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.01820.

LIU Jie, HU Boxiong, WANG Gang,. A predistortion linearizer for Ku-band traveling wave tube amplifier[J].&, 2014, 36(10): 2515-2520. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.01820.

[11] LIU Yang, ZHAO Bo, YANG Yintang,. A novel hybrid two-stage IM2 cancelling technique for IEEE 802.15.6 HBC standard[C]. IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference, Lausanne, 2014: 640-643. doi: 10.1109/BioCAS. 2014.6981807.

[12] LEE I Y, KIM S, LEE S S,. Spur reduction techniques with a switched-capacitor feedback differential PLL and a DLL-based SSCG in UHF RFID transmitter[J]., 2015, 63(4): 1202-1210. doi: 10.1109/TMTT.2015.2405536.

[13] FRANCOIS B and REYNAERT P. Highly linear fully integrated wideband RF PA for LTE-advanced in 180-nm SOI[J]., 2015, 63(2): 649-658. doi: 10.1109/TMTT.2014. 2380319.

Body Biasing Linearization Technique for Wireless Body Area Network Transmitter

LIU Yang YANG Yintang LI Di SHI Zuochen

(,,710071,)

A body biasing linearization technique is proposed to shape output spectrum mask to meet the stringent specification of the Human Body Communication (HBC) standard for Wireless Body Area Network (WBAN). Body biasing of the buffer transistors is properly designed, accordingly second-order nonlinearity coefficient is tuned so that Second order InterModulation product (IM2) at the output of buffer is cancelled. Under 0.35 μm CMOS process and a supply voltage of 1.8 V, a sample HBC transmitter based on body biasing is designed. Simulation results show that an optimum of 90 dBm IIP2 can be obtained and output transmit spectral mask at 1 MHz is attenuated to be -130 dBr (dB relative to the center frequency). Compared with conventional circuits, an improvement of 23 dB spectrum attenuation is achieved, satisfying the -120 dBr requirement of IEEE 802.15.6 for WBAN.

Wireless Body Area Network (WBAN); Amplifier; Linearization; Integrated circuit

TN402; TN830.6

A

1009-5896(2017)02-0499-05

10.11999/JEIT160297

2016-03-31；改回日期：2016-07-28；

2016-10-09

柳扬 liu_yang@stu.xidian.edu.cn

国家自然科学基金(61504102)

The National Natural Science Foundation of China (61504102)

柳 扬： 男，1987年生，博士生，研究方向为模拟集成电路设计.

杨银堂： 男，1962年生，教授，研究方向为混合信号集成电路设计、模拟集成电路设计.

李 迪： 男，1982年生，副教授，研究方向为混合信号集成电路设计.

石佐辰： 男，1988年生，博士生，研究方向为模拟集成电路设计.