Geri Dön

A 432 MHZ class-d power amplifier with 60%power efficiency for wireless capsule endoscopy

Kablosuz kapsül endoskopi için %60 verimli432 MHZ d-sinifi güç kuvvetlendiricisi

PDF İndir

  1. Tez No: 1004548
  2. Yazar: FERHAT ÖZTÜRK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Tümdevre tasarımı, Integrated circuits design
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Tıbbi teknolojiler hastalara daha konforlu hizmet verilebilmesi için her gün gelişmektedir. Kablosuz kapsül endoskopi, bu teknolojilerden biridir ve son yıllarda bu konuda önemli gelişmeler olmuştur. Bu teknolojide, gastrointestinal kanalın endoskopisi vücut dışındaki cihazlarla kablosuz bir şekilde haberleşen haplar ile gerçekleştirilir. Bu durum hastalara ciddi rahatsızlık veren kabloların kullanımını devre dışı bırakır. Bu haplar haberleşebilmek için bir vericiye ihtiyaç duyarlar. Kablosuz kapsül endoskoplar kolay yutulabilmeleri için küçük pillerden beslendiklerinden dolayı vericinin güç tüketimi başlıca dikkat edilmesi gereken noktalardan biridir. Bu da, genellikle bir vericide en çok güç tüketen blok olan güç kuvvetlendiricisinin güç veriminin önemini gösterir. Dolayısıyla, bu çalışmada kablosuz kapsül endoskopi vericisi için, hedef çıkış gücünü maksimize edilmiş bir verimlilik ile veren bir güç kuvvetlendiricisi sunulmaktadır. Bu çalışmada tasarlanan güç kuvvetlendiricisinin kullanıldığı verici π/4-DQPSK modülasyon sistemi ile çalışır. Kapsülün görüntüleme mekanizması tarafından elde edilen görüntü bilgisi akım olarak bir transempedans yükselticinin girişine gelir. Bu blokta kuvvetlendirilen analog sinyal, 8 bitlik bir SAR ADC tarafından sayısal sinyale dönüştürülür. Bu sayısal sinyal lojik bir devre ile π/4-DQPSK modülasyon sisteminin gerektirdiği kontrol bitlerine dönüştürülür. Aynı zamanda, bir ILRO (injection-locked ring oscillator), 432 MHz frekansında π/4 faz farkı olan 8 sinyal üretir. Bu sinyaller az önce bahsedilen kontrol bitlerinin kontrol ettiği yol seçicilere (MUX) gönderilir. Böylelikle uygun fazlı sinyal güç kuvvetlendiricisine iletilir ve daha sonra anten ile vücut dışına gönderilir. Taşıyıcı frekansı, vücut karakteristiklerinden dolayı iletim kayıplarının düşük olduğu bir frekans olan 432 MHz frekansıdır. Çıkış gücü sağlık regülasyonları ile limitlenmiştir ve en fazla 3 dBm olabilmektedir. Bu sistemde bilgi, taşıyıcının fazı aracılığı ile gönderilir ve genlikte herhangi bir bilgi taşınmaz. Ayrıca, genlik değişimlerinden kaynaklı olarak komşu kanallara fazla güç sızıntısı olmaz çünkü bu bir düşük güçlü uygulamadır ve iletim kanalı olan vücut komşu frekanslardaki sinyalleri ciddi oranda filtreler. Bu sebeplerle, bu vericide, doğrusal güç kuvvetlendiricilerden çok daha fazla verimliliğe sahip olan doğrusal olmayan sınıfların kullanılması mümkündür. A-sınıfı, AB-sınıfı ve B-sınıfı gibi geleneksel güç kuvvetlendiricisi topolojilerinde, girişe gelen sinyaller doğrusal bir şekilde kuvvetlendirilebilirler. Ancak bu tip güç kuvvetlendiricilerinin güç verimliliği düşük olur. D-sınıfı ve E-sınıfı gibi sınıflarda ise çıkış sinyali anahtarlama yollarıyla oluşturulduğu için kuvvetlendirici doğrusal değildir. Ancak çok yüksek verimlilik değerleri elde edilebilir. Bu çalışmada kablosuz kapsül endoskopi uygulamaları için 432 MHz frekansında çalışan bir güç kuvvetlendiricisi sunulmaktadır. Tasarım 180 nm CMOS prosesinde ve 1.8 V besleme geriliminde yapılmıştır. Uygulamanın gerektirdiği yüksek verim koşulunun sağlanabilmesi için D-sınıfı topolojisi seçilmiştir. Güç kuvvetlendiricisi 4 eviricili bir evirici zincirinden ve bir çıkış ağından oluşur. Çıkış ağı seri bir LC tankı ve bir L-tipi uyumlama devresi içerir. Tasarım, istenilen çıkış gücünün sağlanması için çıkış katındaki eviricinin görmesi gereken yük rezistansı belirlenerek başlar. D-sınıfı güç kuvvetlendiricisinin çıkış katı bir evirici olduğu için, çıkış ağının girişindeki sinyal besleme voltajı ve toprak arasında salınan bir kare-dalgadır. Kare-dalganın temel frekans bileşeninin büyüklüğü bir tasarım parametresi değildir, besleme voltajına bağlıdır ve Fourier açılımı ile bulunabilir. Dolayısıyla, çıkış ağının girişindeki temel frekans bileşeninin büyüklüğü bellidir ve bu voltaj ile istenilen çıkış gücünün sağlanabilmesi için çıkış ağının temel frekansta göstermesi gereken rezistans değeri hesaplanabilir. Çıkış ağındaki empedans uyumlayıcı, 50-Ω'luk anten rezistansını hesaplanan yük rezistansına çevirmek için kullanılır ve elemanların değerleri buna göre bulunur. LC tankı ise rezonans frekansı sistemin temel frekansına eşit olacak şekilde ayarlanır. Elemanların değerlerine göre değişik Q-faktörü değerleri elde edilebilir. Q-faktörü ne kadar büyük olursa, kare-dalganın harmonikleri o kadar iyi elimine edilir ve yükte gereksiz harmonik güçleri oluşmaz. Ancak sistemin bant genişliği de daralmış olur. Burada izlenecek strateji, sistemin istenen bant genişliğini sağlayan en yüksek Q-faktörünü elde etmek olur. Çıkış katındaki eviricinin boyutlarını belirlerken bir ödünleşim mevcuttur. Geniş transistörler anahtar olarak kullanıldıklarında düşük rezistans gösterdikleri için sistemin verimliliğini düşüren rezistif güç kaybı daha az olur. Bununla birlikte, bu senaryoda daha büyük bir çıkış kapasitesi olacağından bu kapasiteyi doldurup boşaltırken harcanan kapasitif anahtarlama güç kaybı daha fazla olur. Transistörlerin boyutları, bu iki güç kaybının toplamını minimum yapacak şekilde optimum genişlik bulunarak belirlenir. Daha sonrasında ise çıkış katını süren eviricilerin boyutları, her katın boyutu kendinden sonraki katın boyutundan bir miktar daha küçük olacak şekilde belirlenir. İki kat arasındaki oranın çok yüksek olması eviricilerdeki kısa-devre güç tüketimini arttırır. Tam tersi durumda ise istenen giriş kapasitansını sağlamak için çok fazla evirici katı kullanmak gerekir ve bu durumda da güç tüketimi artar. Devrenin serimi çizilmiştir ve projedeki diğer blokların da dahil olduğu bir test çipine yerleştirilmiştir. Bu test çipinin paketleme şeması çizilmiştir. Test çipinin ölçülebilmesi için gerekli test PCB'si tasarlanmış ve onun da serimi çizilmiştir. Güç kuvvetlendiricisinin benzetimleri serim-sonrası parazitikler ile yapılmıştır ve çıkış katındaki elemanların gerçekçi modelleri kullanılmıştır. Serim-sonrası benzetim sonuçlarına göre bu güç kuvvetlendiricisi 3 dBm çıkış gücünü %60 verimlilik ile sağlamaktadır. Bu değer sadece doğrusal sınıflardan değil, aynı zamanda literatürde bulunan doğrusal olmayan güç kuvvetlendiricilerinden de yüksektir. Monte-Carlo benzetimleri sonucunda görülmektedir ki devrenin varyasyonları oldukça azdır. Dolayısıyla bu çalışma göstermektedir ki, D-sınıfı topolojisi, regülasyonların izin verdiği maksimum çıkış gücünü yüksek bir verimlilik ile sağlamak amacıyla kapsül endoskoplarda kullanılabilir ve kapsülün gastrointestinal kanalda ilerlerkenki pil ömrünü arttırabilir. Üretimden gelen çipler ve sipariş edilen elemanlar test PCB'si üzerine lehimlenmiştir. Çipin ölçümleri İTÜ VLSI Laboratuvarı'nda yüksek bant genişliği olan bir osiloskop ve spektrum analizör ile yapılmıştır. İlk ölçümler sonucunda güç kuvvetlendiricisinin çalıştığı ve çıkışında temiz bir sinüs elde edildiği görülmüştür ancak çıkış gücü benzetim değerlerinin altında kalarak 1.9 dBm olmuştur. Bu durumda devre 2.49 mA akım çekerek 4.48 mW güç tüketmekte ve dolayısıyla %35 güç verimliliğine sahiptir. Çıkış gücünün hedeflenenden düşük çıkması sebebiyle verimliliğin de düşük olması normaldir. Değişik frekanslarda yapılan ölçümlerde çıkış ağındaki seri LC tankının rezonans frekansının beklenenden yüksek olduğu ve 3 dBm çıkış gücünün 458 MHz frekansında elde edildiği anlaşılmıştır. Bu farkın çıkış ağında kullanılan elemanların hata paylarından, QFN paketinden gelmiş olabilecek öngörülmemiş parazitiklerden, PCB parazitiklerinden veya lehim parazitiklerinden kaynaklanmış olabileceği düşünülmektedir. LC tankın rezonans frekansını 432 MHz frekansına yakınlaştırabilmek amacıyla aynı SMD paketine sahip kolay elde edilebilir ve daha büyük değerlere sahip kapasitörler ve indüktörler sipariş edilmiştir. Seri bağlanmış iki 51 nH indüktör yerine bir 82 nH ve bir 33 nH indüktör seri bağlanarak 102 nH indüktans 115 nH'ye yükseltilmiştir. 1.3 pF kapasitör ise 1.4 pF kapasitör ile değiştirilmiştir. Yeni durumda elde edilen çıkış gücü 2.4 dBm'e yükselerek benzetim sonucuna yaklaşmıştır. Çıkış sinyalinin spektrumunda harmoniklerin iyi bir şekilde sönümlendiği görülmüştür ve toplam harmonik bozulmanın %1'den küçük olduğu ölçülmüştür. Elemanların değişmesiyle birlikte güç verimliliği de %39'a yükselmiştir. LC tankın daha fazla ayarlanmasıyla daha iyi sonuçlar elde etmek de mümkündür. Daha iyi bir PCB tasarımı, ayrık eleman seçimi ve lehimleme ile benzetim ve ölçüm arasındaki fark azaltılabilir ve güç kuvvetlendiricisinin performansı iyileştirilebilir. Buna rağmen, elde edilen ölçüm sonuçları, bu güç kuvvetlendiricisinin hala literatürdeki alternatiflerinin çoğundan daha yüksek güç verimliliği sağladığını ve bu uygulama için iyi bir aday olduğunu göstermektedir.

Özet (Çeviri)

Medical technologies improve each day to provide more comfortable service to patients. Wireless capsule endoscopy is one of them that has made significant progress in recent years. In this technology, the endoscopy procedure of the gastrointestinal tract is realized by pills that communicate wirelessly with the devices outside the body. This eliminates the use of cables that cause significant discomfort to the patients. These pills must incorporate a transmitter in order to communicate. Since wireless capsules are powered by small batteries to be swallowed easily, the power consumption of the transmitter is an essential concern. This shows the importance of the power efficiency of the power amplifier (PA), which is generally the most power-hungry block in a transmitter. Hence, this work proposes a power amplifier for a transmitter of a wireless capsule endoscope such that the target output power is provided with a maximized power efficiency. The transmitter that the power amplifier in this work is designed for employs a π/4-DQPSK modulation scheme. The data is sent via the phase of the carrier in this scheme, and the amplitude does not carry information. Also, the adjacent power leakage due to the amplitude variations is minimal because it is a low-power application, and the body channel filters a significant amount of the power in the adjacent channels. These allow using nonlinear (switching) power amplifier classes, which are more power efficient than the linear ones. The carrier frequency is 432 MHz, at which the propagation losses are low due to body characteristics. The output power is limited by health regulations, allowing a maximum of 3 dBm output power. In this work, a 432 MHz power amplifier for wireless capsule endoscopy is presented. 180 nm CMOS process is used with a 1.8 V supply voltage. Class D is chosen to meet the high-efficiency requirement. The PA consists of an inverter chain with four inverters and an output network. The output network comprises a series LC tank and an L-type matching circuit. This network provides the class-D feature by showing a specific finite resistance to the circuit at the fundamental frequency and a very high impedance at the harmonics. The circuit layout was drawn, and the PA was verified with the post-layout parasitics. According to the post-layout Monte Carlo simulations, the PA achieves 60% power efficiency while delivering 3 dBm output power. The efficiency is not only higher than the linear classes but also higher than the nonlinear PAs that are found in the literature. A test PCB was made using the fabricated chip and the PA was measured. While having 1.9 dBm output power with 35% efficiency with the original components, 2.4 dBm output power was obtained with 39% efficiency after having tuned the output network. Better performance can be obtained by further tuning or a better PCB design. Still, it has a better efficiency than most of the alternatives in the literature for the specifications of this application. Hence, this work demonstrates that the class-D topology can be employed in capsule endoscopes to deliver a maximized output power with significant efficiency and extend the battery life while the capsule advances in the gastrointestinal tract.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    139400

    How cryptographic implementations affect mobile agent systems

    Şifreleme gerçekleştirmelerinin gezgin aracı internet sistemlerini nasıl etkilediği

    İSMAİL ULUKUŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2003

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi Üniversitesi

    Sistem ve Kontrol Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİN ANARIM

  2. Tez No

    384940

    A 16-b 32 MSPS CMOS voltage output DAC in 0.18 um with 80+ dB simulated SFDR at 1 MHz output frequency

    1 MHz çıkış frekansında 80+ dB SFDR başarımı elde eden 0.18 um 16-b 32 MSPS CMOS gerilim çıkışlı sayısal-analog çevirici tasarımı

    ÇAĞLAR ÖZDAĞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TÜRKER KÜYEL

  3. Tez No

    543055

    Effect of microwave pretreatment on fate of antimicrobials and conventional pollutants during anaerobic sludge digestion and biosolids quality for land application

    Anaerobik çamur çürütme prosesinde uygulanan mikrodalga dezentegrasyon işleminin antimikrobiyallerin ve konvansiyonel kirleticilerin akıbetine ve arazi uygulaması için biyokatı kalitesine etkisi

    GÖKÇE KOR BIÇAKCI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR

  4. Tez No

    815625

    Design of GaN based S-band high linearitypower amplifier

    GaN tabanlı S-band yüksek doğrusallıklı güç amplifikatörü tasarımı

    FURKAN HÜRCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAKAN DOĞAN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ŞERİF SAVCI

  5. Tez No

    858692

    Farklı ön işlemler uygulanan tavuk göğüs etinin akışkan yatak ve mikrodalgada kurutulmasının incelenmesi

    Investigation of the fluidized bed and microwave drying of chicken breast meat applied with different pre-treatments

    GÖZDE ARSLAN KÜÇÜKKAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ADNAN TOPUZ

Geri Dön