学术报告：一种低电压、低功耗、高效能的亚GHz超宽带发射器研究

第一部分：研究作者与发表背景

本文的主要作者为Xingyuan Tong（通信作者）、Dongwei An 和 Jie Li。Xingyuan Tong 和 Dongwei An 隶属于西安邮电大学电子工程学院，而Jie Li 则来自中兴通讯全球市场部门。这项研究发表于期刊《IEEE Transactions on Circuits and Systems—II: Express Briefs》，刊载于2021年6月的第68卷第6期。

第二部分：研究背景与目标

植入式医疗设备（Implanted Medical Devices, IMDs）对体积小、功耗低的需求十分迫切。这些设备需要通过高效、可靠的无线数据传输实现人体内外的信息交互。与基于局部振荡器（Local Oscillator, LO）的传统脉冲超宽带（Ultra-Wideband, UWB）发射器相比，基于边沿组合（Edge-Combining）的UWB发射器因避免使用混频器、振荡器和滤波器而表现出更高的面积和能量效率。这一特性使其在生物电子学中占据重要地位。

UWB电路相比传统载波通信，具有宽频谱范围、低截获率及更高的安全性。此外，UWB发射器简化了结构设计，同时具有更低功耗及较高的数据速率。然而，联邦通信委员会（FCC）对UWB通信的频谱能量密度（Power Spectrum Density, PSD）提出明确的掩膜标准，在实现高效谱形设计时仍存在技术挑战。尤其在低功耗应用场景中，随着工艺技术的微缩和供电电压的降低，实现高振幅输出脉冲的难度不断增加。因此，本研究提出一种基于边沿组合的UWB发射器，使用输出振幅增强技术（Output Amplitude Enhancement, OAE）来提高脉冲幅度，并设计了一种脉冲宽度调整电路以增强系统对工艺、电压和温度（PVT）变化的鲁棒性。

研究的目标是开发一种低电压、面积和能量高效的UWB发射器，满足FCC掩膜要求，同时能够保证良好的输出振幅和信号性能。

第三部分：研究流程与技术实现

本研究的工作流程分为以下几个主要部分：

1. 发射器结构设计与功能模块实现
   提出的UWB发射器基于边沿组合方法，由以下模块组成：曼彻斯特编码器（Manchester Encoder）、OOK调制器（OOK Modulator）、脉冲发生器（Pulse Generator）和输出级。曼彻斯特编码器用于增强系统抗干扰能力，将输入数据进行调制。“1”被编码为“01”，并通过OOK调制器准确传输至脉冲生成模块。研究还设计了一种第五阶高斯脉冲生成机制，以提高与FCC掩膜要求的匹配度。

2. 输出振幅增强技术（OAE）
   输出振幅增强技术是本文的核心创新点之一。传统方法通过增加输出级MOS晶体管的尺寸来提升振幅，但这种方式占用大量芯片面积。为替代该方法，研究设计了用于增强振幅的脉冲提升电路（Pulse Booster, PB）。该电路通过提高NMOS和PMOS晶体管的门源电压（|Vgs|）及栅极过驱电压（Overdrive Voltage），显著降低了管阻，提高了电流驱动能力，进而提升最终输出脉冲的振幅。

OAE模块的关键机制包括电容充放电、电压提升及优化的栅极驱动方案。测试结果显示，在1V的供电电压下，输出脉冲振幅从传统设计的43.15 mVpp提升至105.32 mVpp，达到约2.44倍的改进。

1. 脉冲宽度调整
   针对PVT变化可能导致的输出脉冲偏离FCC要求的问题，研究设计了一种具有3位可编程延时的脉冲宽度调整电路。通过控制延时电路输入的“ctr<3:1>”状态，对脉冲宽度进行精确调控。实验结果表明，脉冲宽度范围可在3.6 ns至4.3 ns间变化，以0.1 ns为步进，有效缓解环境影响对脉冲形状的负面干扰。

2. 仿真与测量
   为测试系统性能，研究先进行了版图后仿真（Post-Layout Simulation），验证其可调脉冲宽度功能。随后，研究团队基于0.18-μm CMOS工艺加工了样品芯片，芯片面积为97.41 μm × 68.6 μm。通过实验测量输出振幅、谱密度、功耗等参数，并与传统设计进行比较验证。

第四部分：主要研究结果

1. 输出振幅的显著提升
   使用OAE技术后，采用1 V供电时，输出脉冲振幅从传统设计的43.15 mVpp提升到106.02 mVpp。同样条件下，传统设计存在振幅不足的问题，而新技术无论在相同工艺还是较低供电电压下（0.8 V），均表现出稳定的振幅提升。

2. 功耗与数据速率关联
   在50 Mbps数据速率，供电电压为1 V的条件下，整个UWB发射器的功耗仅为0.559 mW，对应耗能11.18 pJ/bit。当供电电压降低至0.8 V时，耗能减小至3.97 pJ/bit，进一步证明了系统的高能效特性。

3. FCC掩膜合规性
   输出脉冲宽度经过调整后，PSD集中在0-960 MHz的子GHz频段，完全符合FCC的掩膜要求。无论环境温度或工艺条件有何变化，发射器均能够保持符合频谱规范的性能表现。

第五部分：研究结论与价值

本研究通过创新性的输出增强技术和脉冲宽度调整机制，开发了一种低功耗、低面积、高性能的亚GHz UWB发射器。相比文献中的传统设计，提出的研究在振幅提升、功耗降低以及面积优化等方面展现了显著优势。

从科学价值上看，该研究为植入式医疗设备无线通信的设计提供了更高效、更灵活的硬件方案。从应用价值上看，未来可进一步扩展该技术至其他生物医疗领域，特别是在有限功耗和空间约束下实现高速无线数据传输。

第六部分：研究亮点

1. 振幅提升技术的创新性设计, 在低功耗工作条件下实现了高幅值输出。
   
2. 能耗极低，仅为3.97 pJ/bit，在50 Mbps的高数据速率基础上仍然保持高效性能。
   
3. 面积占用仅为0.0067 mm²，使其非常适合面积敏感的植入式设备。
   
4. 基于边沿组合与第五阶高斯脉冲设计，提高了与FCC掩膜的契合度。
   

第七部分：总结

总而言之，本研究创新性的技术和高效的回路设计在UWB发射器领域，尤其是植入式医疗设备中的应用，具备广泛的潜在影响力和现实价值。这项研究为小型低功耗电子设备的开发提供了重要参考，并对未来植入式设备的发展方向具有积极意义。