一種無線體域網發射機體偏置線性化技術

柳 揚 楊銀堂 李 迪 石佐辰

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一種無線體域網發射機體偏置線性化技術

柳 揚*楊銀堂 李 迪 石佐辰

(西安電子科技大學微電子學院 西安 710071)

該文針對無線體域網人體介質通信(Human Body Communication, HBC)發射機嚴格的輸出頻譜指標，提出一種利用體偏置線性化技術進行頻譜整形的技術。通過設計緩沖器中晶體管體偏置，從而調整晶體管二階非線性系數，最終消除輸出端的二階互調項(Second order InterModulation, IM2)。采用0.35 μm CMOS工藝和1.8 V供電電壓設計了一個基于體偏置技術的HBC發射機實例。仿真結果顯示二階輸入截點(IIP2)優化到 90 dBm，輸出頻譜在1 MHz處抑制-130 dBr。較傳統電路，該技術提高了23 dB頻譜抑制，使輸出頻譜符合無線體域網IEEE 802.15.6協議中-120 dBr的指標。

無線體域網；放大器；線性化；集成電路

1 引言

無線體域網技術(Wireless Body Area Network, WBAN)被廣泛應用于主動醫療[1,2]，人體生理指標實時監測等領域，在我國逐步邁入老齡化社會，醫療資源日益緊張的大環境下，具有廣闊的應用前景。體表可穿戴設備或植入體內的傳感器和中心節點通常組織成星形WBAN網絡，然后把提取出的人體心電圖，腦電圖等生理信號傳輸到WBAN中心節點，最終通過手機發送到醫院或是云端服務器進行進一步診斷和數據存儲。構建WBAN技術的一個關鍵是選擇網絡節點之間短距離無線通信方式。針對WBAN應用，目前主流的短距離無線通信方式例如藍牙，Zigbee等技術存在功耗限制。為促進適用于WBAN低功耗芯片的設計發展，在2011年，IEEE 802.15第6工作組(Sixth Task Group, TG6)批準了制定IEEE 802.15.6協議[3]。IEEE 802.15.6協議定義了一個媒體存取控制層(Medium Access Control, MAC)和其支持的3個物理層：超寬帶(Ultra-WideBand, UWB)，窄帶(NarrowBand, NB)和人體介質通信(Human Body Communication, HBC)。其中HBC使用人體作為通信介質，中心頻率是21 MHz，在此頻段上，信號傳輸的路徑損耗小，并且使用面積小的人體接觸電極而不是面積大低阻天線，所以HBC更適合高集成度低功耗的WBAN應用。

2 HBC發射機設計挑戰

HBC發射機設計的一個最大挑戰是IEEE 802.15.6協議規定的嚴格輸出頻譜要求：在2 MHz相對于中心頻率抑制比至少-80 dBr (dB relative to the center frequency)，1 MHz和更低頻率抑制比至少-120 dBr[3]。因此目前主流的HBC發射機采用頻譜整形技術。文獻[4]提出首個完全基于IEEE 802.15.6 HBC協議的發射機，使用八階的數字帶通濾波器來進行整形；文獻[5,6]為了進一步在1 MHz處進行頻譜抑制，不僅加入了高達九階的高通濾波器，還在緩沖器后面又使用二階的無源高通濾波器。同時采用了更加節省功耗的結構，在數字FSDT調制后，直接用模擬濾波器來處理信號，避免了使用高功耗的數模轉換器。

在本文中，低頻頻譜整形的瓶頸被定位在圖1中發射機最后一級緩沖器的輸出二階互調項(Second-order InterModulation, IM2)。如圖1所示，隨著頻率不斷降低，IEEE 802.15.6協議要求的頻譜抑制逐漸苛刻，但是非線性緩沖器產生的IM2項卻污染低頻頻譜，使1 MHz實際輸出頻譜停止下降，未能滿足協議要求。線性化技術是有效的用于發射機功率放大器或輸出緩沖器頻譜整形方式之一。根據頻率范圍不同，頻譜整形可分為基波附近的鄰信道抑制比(Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)和低頻處的頻譜抑制。文獻[7]利用預失真器補償掉AM-PM失真中的相位誤差，提高ACLR 2.6 dB。不足在于預失真器中的電感無法高度集成。因此，可以使用高度集成的反相器和MOS可變電容來補償相位[8]。低頻處的頻譜抑制主要通過消除偶次失真來實現。文獻[9]通過校正功率放大器的導通角(conduction angle)，使傳輸函數傅里葉級數展開中的偶次項系數近似為0，從而消除輸出偶次諧波，完成低頻處的頻譜抑制。線性化技術電路實現主要受功耗限制。文獻[10]在單支路非線性電路并聯一路可調衰減器和非線性發生器，兩支路疊加起來提高線性度。文獻[11]提出了兩步IM2消除技術，但是第1級只有一半信號被利用，因此功率效率較低。

圖1 典型HBC發射機結構

3 發射機前端電路設計

3.1 初步整形帶通濾波器

帶通濾波器(BandPass Filter, BPF)完成初步的頻譜整形。雖然IEEE 802.15.6協議對于低頻頻譜要求嚴格，但是對高頻部分指標不苛刻，通過帶通濾波器可以獲得足夠抑制。基于階梯法(LC- ladder)綜合出來的高階濾波器對于每一級器件參數波動不敏感。階梯法中，首先根據指標得到無源RLC結構，然后利用信號流程圖(Signal Flow Graph, SFG)把無源模型轉成有源的結構。圖2(a)給出了用于HBC發射機初步頻譜整形的八階帶通Gm-C濾波器結構。如圖2(b)所示，跨導單元采用了非線性反饋和交叉耦合技術來減小失真，灰色部分電路為電流源負載和提供共模反饋模塊，同時也為下一級直接耦合的緩沖器提供穩定的輸入共模電平。通過采用高線性度跨導單元和使用全差分的電路架構，極大消除帶通濾波器產生的偶次失真和實現了低功耗。

3.2 體偏置IM2消除技術緩沖器

緩沖器核心工作原理是通過體偏置引入非對稱來抵消掉緩沖器原有的非對稱性，工作原理等效于不含偶次失真的全差分結構。傳統的有源電流鏡作負載的雙端轉單端緩沖器并不是理想的對稱結構，因為兩端分別是高阻的電流源和低阻的二極管連接MOS管。非對稱性使傳統有源電流鏡作負載的緩沖器不能像全差分電路完全消除偶次失真。如圖3所示。輸入管M1, M2的體偏置B1,B2被電流鏡M11, M12和M13, M14控制，通過微調B1,B2引入輸入差分對M1, M2直流工作點輕微不平衡，抵消掉有源電流鏡負載已有的不平衡，從而實現偽全差分工作。

二階互調項消除依賴于通過體偏置來調節MOS二階非線性系數。由于NMOS使用了單獨的體偏置，所以需要用到具有P阱CMOS工藝。MOS晶體管非線性來源有g和ds，但是g非線性占據絕對主導。在HBC發射機中，中心頻率為21 MHz，此時電容影響可以忽略，MOS管溝道電流用Taylor級數展開為

(2)

其中，2gm,3gm分別為二階，三階非線性系數，gs是柵極輸入電壓，DS為源漏溝道電流。利用式(2)對溝道電流進行二重和三重微分就可以得到二階，三階非線性系數。當柵極輸入信號為

其中是輸入信號幅度，1,2是輸入信號的雙音頻率。根據式(1)中的展開式和式(2)中的非線性系數定義，溝道二階互調(IM2)電流為

(4)

圖2 8階帶通濾波器電路

圖3 消除IM2的體偏置技術緩沖器

圖4給出了在不同BS偏置下2gm曲線。可以看出隨著BS增大，2gm曲線整體向左平移，意味著在相同GS下，2gm更小，所以根據式(4)，溝道二階非線性電流IM2電流幅度減小。回顧圖3，輸出二階互調電流IM2,out由兩部分組成，分別是M1產生的IM2電流鏡像IM2,M1,mirror和M2產生的IM2,M2。由于電流方向相同，IM2,out的大小是它們的幅度之差。如圖5所示，通過精細調整BS，根據圖4中的2gm與BS關系，會略微減小IM2,M2，直到大小與IM2,M1,mirror相同，此時輸出中的IM2成分被完全抵消。

調整BS消除IM2需要高精度的體偏置電壓。本文利用低精度的偏置電流陣列來生成高精度的體偏置電壓。在強反型的MOS管中，溝道電流與過驅動電壓成平方關系，在弱反型的MOS管中，電流和過驅動電壓成指數關系。所以弱反型下，利用反指數關系，可以用電流偏置生成電壓偏置。如圖3所示，灰色覆蓋的native NMOS M3, M4工作在弱反型區域，它們設計成二極管連接提供精細的V。采用native NMOS管是為了產生較低的電壓，來偏置輸入管M1, M2。圖6顯示低精度偏置電流產生高精度體偏置電壓曲線。產生的體偏置電壓被低通RC網絡濾除高頻噪聲后施加到M1, M2。圖3的緩沖器有兩個控制開關M7, M8。同一時刻，只有一路開關閉合，一路開關斷開。這是考慮器件參數波動和失配下，當IM2,M1,mirror>IM2,M2時候，C1=0,C2=VDD,B2=0，調節B1；當IM2,M1,mirror

4 仿真結果與討論

采用0.35 μm CMOS工藝，1.8 V電源電壓設計了圖1中的HBC發射機。包括FSDT調制、預處理無源RC網絡、八階Gm-C帶通濾波器和IM2線性化技術緩沖器。圖7顯示了在不同工藝角下雙音測試的結果。輸入頻率分別為20 MHz和21 MHz，它們的頻率差為1 MHz，這里采用1 MHz是因為輸出頻譜觀測的關鍵頻率點是1 MHz。在不同工藝角下，校正IIP2所需要的BIAS不同，最佳IIP2在80~90 dBm的區間。圖8顯示了采用體偏置技術與否輸出頻譜對比，其中黑色的粗實線是IEEE 802.15.6 HBC物理層的輸出頻譜指標，灰色是實際輸出頻譜。圖8(a)給出了正確配置BIAS后發射機輸出頻譜，此時在1 MHz抑制有-130 dBr，滿足IEEE 802.15.6 HBC物理層輸出頻譜-120 dBr的要求。而在圖8(b)中，沒有進行任何優化，即BIAS=0，此時代表輸出頻譜指標的粗實線與頻譜相交，頻譜抑制-107 dBr。對比可以觀察到兩個輸出頻譜的主要差別是在低頻區域，高頻區域如21 MHz及以上的輸出頻譜是相同的。在5.25 MHz頻率處可以觀測到毛刺，這是分量18.375 MHz和23.625 MHz二階互調產生的，但是依舊滿足IEEE 802.15.6 HBC指標。表1對比不同頻譜整形技術發射機。文獻[4,6]使用高功耗的濾波器技術，但未能分離出偶次失真的影響，因此輸出頻譜在1 MHz處依舊不滿足IEEE 802.15.6協議。文獻[9]提出導通角校正從而消除偶次諧波，但插入的輔助緩沖器消耗額外功耗。文獻[12]采用基于DLL矯正擴頻時鐘技術來實現頻譜抑制，但是復雜的數字信號處理電路消耗顯著功耗。文獻[13]通過引入諧波陷波旁路，雖然沒有額外直流功耗，但是獲得有限的-53 dBr最大頻譜抑制。本文提出的體偏置技術在低功耗設計約束下，完成了-130 dBr輸出頻譜整形。

圖4 二階非線性系數k2gm隨VBS變化曲線??????圖5 最佳體偏置工作點?????圖6 低精度偏置電流生成高精度體偏置電壓

圖7 不同工藝角下緩沖器最佳IIP2

5 結束語

IEEE 802.15.6 協議HBC物理層定義了嚴格的輸出頻譜要求。本文首先把頻譜整形關鍵定位在發射機最后一級輸出緩沖器的二次非線性上，分析出二階互調項(IM2)會折疊到低頻處。然后提出了基于體偏置的IM2消除技術，通過設計體偏置消除緩沖器的非對稱性，從而實現偽全差分工作。仿真顯示緩沖器的IIP2可以優化到90 dBm。相較于傳統電路，在1 MHz處發射機輸出頻譜抑制從-107 dBr被提高到-130 dBr，達到IEEE 802.15.6 協議HBC物理層-120 dBr的指標，并且緩沖器功耗只有91 μW，適合低功耗約束的無線體域網應用。

圖8 發射機輸出頻譜對比

表1 頻譜整形發射機性能比較

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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

柳揚 liu_yang@stu.xidian.edu.cn

國家自然科學基金(61504102)

The National Natural Science Foundation of China (61504102)

柳 揚： 男，1987年生，博士生，研究方向為模擬集成電路設計.

楊銀堂： 男，1962年生，教授，研究方向為混合信號集成電路設計、模擬集成電路設計.

李 迪： 男，1982年生，副教授，研究方向為混合信號集成電路設計.

石佐辰： 男，1988年生，博士生，研究方向為模擬集成電路設計.