適合于CMOS工藝實現的植入式AM發射系統技術方案

本實用新型專利技術提供適合于CMOS工藝實現的植入式AM發射系統。所述系統包括無線電源接收與恢復單元、低噪聲模擬前端單元、基波緩沖隔離器、調制載波產生電路、射頻緩沖隔離器、AM調制器、選頻濾波器和功率放大器，AM調制器核心為一個工作于線性區的集成MOS晶體管，本實用新型專利技術采用的AM發射系統完全可用集成電路CMOS工藝實現，適合集成于SOC芯片，具有良好的推廣價值。本實用新型專利技術大大地簡化了植入生物體內設備的復雜度，減小了其功耗。另外，采用無線電源對植入體內的設備進行供電，可以使植入式設備獲得長時間的使用壽命，避免電池引起的化學污染。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

適合于CMOS工藝實現的植入式AM發射系統
本技術涉及生物醫學植入式環境下對生物體內神經信號等生物電行為信號的無線傳輸、監控與記錄，涉及無線通信、通信集成電路、射頻電子電路、無線能量傳感及生物醫用微電子學等交叉領域，具體涉及一種適合于CMOS工藝實現的具有無線電源的植入式生物電信號AM發射方法及系統。
技術介紹
對目前，隨著電子信息技術、無線通信技術、半導體集成電路技術、生物醫療技術的迅猛發展，電子、生物、醫療等諸多領域相互融合、彼此促進，使生物醫療為目的的生物醫學微電子技術逐步成為一個新興的研究領域。對于生物體神經網絡體系研究、生物體工程學研究、脊椎修復恢復肢體運動、視覺修復、人工耳蝸等前沿
的研究，需要依靠對大量神經信號等生物電行為信號進行長期的實時監測與記錄來完成。目前，傳統的生物醫學研究一般采用有線連接的方式將微電極陣列所采集的生物體內電行為信號傳輸到生物體外的監測與記錄設備中，再進行后續的信號處理及研究。這種有線傳輸方式不僅導致生物體的檢測創口因長期保持開放而易受細菌感染，同時也無法監測與記錄到生物體在無束縛、無麻醉的日常條件下的多種生物電信號，而且微弱的生物電信號在由體內向體外進行中短距離有線傳輸的過程中極易受到外加自由空間的已有電磁輻射的干擾，影響監測與記錄的精度。因此，傳統的生物醫學技術手段已顯得越發力不從心，迫切需要一種先進的生物醫用植入式微電子無線通信技術在生物體內對神經信號等生物電行為信號進行降噪放大后，實現日常無束縛、無麻醉條件下的無線監測與記錄。目前，業界在植入式環境下對生物電信號的無線傳輸方面處于起步研究階段，已有的植入式生物電信號無線傳輸設備以00K、ASK、FSK等數字監控方式為主。由于生物體內的神經等生物電行為信號均屬于模擬弱信號，上述數字監控的通信方式需要在體內植入設備的前端加上模數轉換器(ADC)與數字基帶處理電路，用于將模擬的生物電信號轉換為數字信號，并進行數據打包、加幀、編碼等操作，由此造成的電路復雜度提高、體積增大、功耗增加等問題，不利于生物體內的植入作業。另外，這類植入式設備常使用植入式內置電池進行供電，使植入式設備無法獲得長時間的使用壽命，而且在植入式設備體積、電池的化學污染、生物排異等方面也存在問題。本專利申請主要針對在植入式環境下對生物體神經信號等生物電行為信號的無線傳輸、監測與記錄等需求，提供一種適合于CMOS集成電路工藝實現的具有無線電源的植入式生物電信號AM發射方法及系統。該方法無需模數轉換器與數字基帶處理電路，大大地簡化了植入生物體內設備的復雜度，減小了其功耗。另外，采用無線電源對植入體內的設備進行供電，可以使植入式設備獲得長時間的使用壽命，避免電池引起的化學污染。本專利申請可以促進生物醫學前沿
自主知識產權的發展，為全民健康工程中的個性化醫療提供新的技術解決方案，為我國尖端生物醫療事業提供新的經濟增長點。
技術實現思路
本技術的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種適合于CMOS工藝實現的植入式AM發射方法及系統，以滿足在生物醫用植入式環境下對生物體內神經信號等生物電行為信號的無線傳輸、監測與記錄需求。適合于CMOS工藝實現的植入式AM發射方法，包括以下步驟a、基于電磁感應耦合對空間輻射的無線電能信號進行感應匹配接收與整流，再對整流后的信號進行直流電源電壓的恢復與穩壓，輸出足夠功率的直流電源電壓為植入體內的電路提供穩定的電能；b、對傳感器采集的生物電信號進行噪聲抑制、濾波、增益補償放大的模擬前端處理，并在處理后的生物電信號中加入直流電平；C、分別在工作于線性區的集成MOS晶體管的柵極加載b處理后的信號，漏極加載高頻調制載波，利用所述MOS晶體管的伏安特性，在所述MOS晶體管輸出電流中實現AM調制操作，并將所述電流信號轉化為電壓模式信號輸出，在所述輸出的電壓模式信號中包含所需的AM調制/d、對c處理后的信號進行選頻濾波處理，抑制其中直流、基波、2倍頻載波分量，分離并輸出其中AM調制信號，實現在植入式環境下對生物電信號的AM調制與發射。進一步的，上述的AM發射方法還包括在c處理前進行高頻調制載波的產生，并對高頻調制載波進行緩沖與隔離，提高高頻調制載波的信號功率與隔離度，實現與后級電路的阻抗匹配，并為后級電路提供穩定的靜態偏置工作電壓。進一步的,上述的AM發射方法還包括在d處理后還對AM調制信號進行功率放大與匹配發射。本技術的適合于CMOS工藝實現的植入式AM發射系統，包括無線電源接收與恢復單元、低噪聲模擬前端單元、基波緩沖隔離器、調制載波產生電路、射頻緩沖隔離器、AM 調制器、選頻濾波器和功率放大器，所述無線電源接收與恢復單元的輸出端為所述系統其他各單元及電路提供穩定的電源電壓；所采集的生物電信號送入所述低噪聲模擬前端單元的輸入端，所述低噪聲模擬前端單元的輸出端連接至所述基波緩沖隔離器的輸入端，所述基波緩沖隔離器的輸出端連接至所述AM調制器的信號輸入端口，所述調制載波產生電路的輸出端口連接至射頻緩沖隔離器的輸入端，所述射頻緩沖隔離器的輸出端連接至所述AM 調制器的載波輸入端口，AM調制器的調制深度輸入端口用于接入調制深度的控制電平，AM 調制器的輸出端口連接至所述選頻濾波器的輸入端口，所述選頻濾波器的輸出端口連接至功率放大器的輸入端口，所述功率放大器通過天線向空間進行無線發射。進一步的，所述AM調制器包括一個工作于線性區的用于完成信號調制的第一集成MOS晶體管、一個工作于飽和區的用于載波信號及射頻信號的緩沖及隔離的第二集成 MOS晶體管M2、一個用于將電流信號轉換為電壓信號的負載阻抗Z、一個用于前后級直流偏置隔離及高通濾波的電容Cl及一個用于直流偏置及高通濾波的電阻R1。傳感器采集的生物電信號un經過所述低噪聲模擬前端單元、基波緩沖隔離器后得到的信號us連接至所述電容Cl的一端，所述電容Cl的另一端與所述電阻Rl及所述第一集成MOS晶體管Ml的柵極連接；所述電容Cl與所述電阻Rl構成高通濾波電路，抑制所述信號us中的低頻噪聲，獲得信號us’加載至所述第一集成MOS晶體管Ml的柵極；所述電阻Rl的另一端為調制深度端口，連接至調制深度控制直流電平\，所述直流電平Ve控制所述第一集成MOS晶體管Ml 的柵極偏置電壓，使所述第一集成MOS晶體管Ml工作于線性區；所述調制載波產生電路與射頻緩沖隔離器輸出的載波信號Uc連接至所述第二集成MOS晶體管M2的柵極，所述第二集成MOS晶體管M2的源端連接并加載至所述第一集成MOS晶體管(Ml)的漏端；利用所述第一集成MOS晶體管Ml的伏安特性，在所述第一集成MOS晶體管Ml的輸出電流中實現所述加載至柵極的輸入信號us’與所述加載至漏極的載波信號UC的非線性相乘，所述第一集成MOS晶體管Ml的輸出電流信號中包含所需的AM調制信號及額外疊加的直流分量、基波分量和2倍頻載波分量，隨后通過與所述第二 MOS晶體管M2漏端相連接的負載阻抗Z將所述輸出電流信號轉化為電壓模式信號并輸出至與之連接的所述的選頻濾波器，通過所述選頻濾波器濾除直流分量、基波分量及2倍頻載波分量，獲得所需要的AM調制信號。進一步的，所述無線電源接收與恢復單元包括無線感應匹配網絡、橋式整流電路、 穩壓電路、帶本文檔來自技高網...

【技術保護點】
適合于CMOS工藝實現的植入式AM發射系統，其特征在于包括無線電源接收與恢復單元、低噪聲模擬前端單元、基波緩沖隔離器、調制載波產生電路、射頻緩沖隔離器、AM調制器、選頻濾波器和功率放大器，所述無線電源接收與恢復單元的輸出端為所述系統其他各單元及電路提供穩定的電源電壓；所采集的生物電信號送入所述低噪聲模擬前端單元的輸入端，所述低噪聲模擬前端單元的輸出端連接至所述基波緩沖隔離器的輸入端，所述基波緩沖隔離器的輸出端連接至所述AM調制器的信號輸入端口，所述調制載波產生電路的輸出端口連接至射頻緩沖隔離器的輸入端，所述射頻緩沖隔離器的輸出端連接至所述AM調制器的載波輸入端口，?AM調制器的調制深度輸入端口用于接入調制深度的控制電平，AM調制器的輸出端口連接至所述選頻濾波器的輸入端口，所述選頻濾波器的輸出端口連接至功率放大器的輸入端口，所述功率放大器通過天線向空間進行無線發射。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙明劍，李斌，吳朝暉，李顯博，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：實用新型
國別省市：