Low power RF transmitters for bioimplants
Biyoimplantlar için düşük güçlü RF verici
- Tez No: 559277
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ TUFAN COŞKUN KARALAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 82
Özet
Günümüz yarıiletken teknolojisi, vücut içerisine ve dokulara yerleştirilebilecek boyuttaki verici devrelerin tasarımına ve üretimine olanak tanımaktadır. Boyut sınırına ek olarak, İmplant edilebilir devrelerin güç kaynakları da oldukça sınırlıdır. Düşük güçlü RF vericiler, sınırlı enerji kaynaklarına rağmen, düşük güçte çalışabilecek şekilde tasarlanmaları sayesinde insan vücudundan elde edilen bilgileri dış ortama kablosuz olarak aktarabilmektedir. Veri aktarımının cerrahi müdahaleye gerek kalmadan tekrarlanabilir olması sayesinde vücutta meydana gelen değişiklikler sürekli olarak takip edilebilecektir. Projede, 2.5 GHz frekansında çalışan FBAR rezonatörlü düşük güçlü RF verici tasarlanmıştr. 40nm CMOS teknolojisinde tasarlanan entegre devre içerisinde sayısal mantık kapıları, RF osilatör ve düşük güçlü kuvvetlendirici devreleri bulunmaktadır. Sayısal mantık kapılarından oluşan radyo kontrol devresi, giriş bitlerine göre, osilatörü ve düşük güçlü kuvvetlendiricinin çalışma koşullarını değiştirebilmektedir. Farklı uygulamalar ve amaçlar için, farklı çalışma modları desteklenmektedir. Projede tasarlanan vericide sayısal veri, taşıyıcı işaretin veriye göre anahtarlanmasıyla iletilmektedir. Aç-kapa anahtarlamalı modülasyon ile verinin iletimi, güç tüketimi yüksek ve karmaşık devrelere ihtiyaç duyulmadan gerçekleştirilebilmektedir. Genlik kaydırmalı anahtarlama seçeneği, modülasyon seçim biti ile kullanılabilmektedir. İlgili bit aç-kapa anahtarlamalı modunda ise, osilatörlerin kuvvetlendiricileri gelen veriye bağlı olarak açılıp kapatılmaktadır. Mesaj işareti ile birlikte osilatörün de kapatıldığı durumda verici neredeyse hiç enerji harcamamaktadır. Genlik kaydırmalı anahtarlama modunda ise, açık olan osilatör kuvvetlendiricleri gelen veriden bağımsız olarak açık konumda kalmaktadır. Bu durumda gelen veri, sadece çıkış katı olarak kullanılan düşük güçlü kuvvetlendiricinin kazanç ayarını değiştirmektedir. RF işaret üretimi için kullanılan osilatörler, verici devrelerde en fazla güç tüketimine neden olan RF bloklarından birisidir. Rezonatör devrelerindeki kayıplar, yüksek kazançlı kuvvetlendirici katlarına duyulan gereksinimi arttırmaktadır. Yüksek kazanç yüksek güç tüketimine neden olmakta, bu durum istenilen verinin aktarılamadan devrenin kapanmasına sonuçlanmaktadır. Bu nedenle düşük kayıplı, yüksek kalite faktörüne sahip rezonatör yapılarına ihtiyaç duyulmaktadır. FBAR rezonatörler, küçük boyutları ve yüksek kalite faktörleri sayesinde implant edilebilir RF verici devrelerinde kullanılmaktadır. FBAR rezonatörler, iki elektrot metali arasına yerleştirilen piezoelektrik malzeme ile üretilmektedir. Kalite faktörünü arttırmak için, bu yapı ile taban arasında hava boşluğu bırakılmaktadır. Bu hava boşluğu yapı ile tabanı birbirinden ayırarak elektromekanik kuplajın azaltımasını sağlamaktadır. RF osilatör 3 katmanlı paralel kuvvetlendirici yapısından oluşmaktadır. Her bir kuvvetlendiricinin geçiş iletkenliği 5mS olmak üzere, toplam geçiş iletkendiği 5mS aralıklarla 15mS değerine kadar arttırılabilmektedir. Kazancın ve yük kapasitelerinin ayarlanabilir olması, vericiye kullanım alanı açısından esneklik sağlamaktadır. Osilatör devresinin faz gürültüsü, yapılan benzetimler neticesinde 100 kHz ötede -130 dBc/Hz olarak ölçülmüştür. Bu değer, literatürdeki diğer FBAR rezonatörlü osilatör devreleri ile karşılaştırılmış ve harcadığı güce karşılık elde edilen faz gürültüsü açısından diğer çalışmalara göre avantaj sağladığı gözlenmiştir. FBAR rezonatörlerin devreye bağlantı telleri ile bağlanması neticesinde, rezonatörün karakteristiğinde önemli değişiklikler meydana gelmektedir. Bağlantı tellerinden gelen endüktif etki, yeni yapının empedans karakteristiğinde ek bir endüktif bölge oluşturmaktadır. Yeni oluşan bölgenin endüktif olması nedeniyle, osilatörün bu bölgedeki bir frekansta parazitik osilasyona girme ihtimali bulunmaktadır. Osilatörün bu bölgedeki kazanç durumu da kontrol edilmiş ve ek bir önlem olarak, osilatörün giriş ve çıkışna ayarlanabilir kapasite eklenmiştir. Düşük güçlü kuvvetlendirici, osilatör çıkışındaki işareti yük direncine en verimli şekilde aktarmak için tasarlanmıştır. Kuvvetlendiricinin yüksek giriş direnci sayesinde, osilatör çıkışına, arada başka bir devre olmadan bağlanabilmektedir. Ek bir tampon devresine ihtiyaç duyulmaması, devrenin toplam güç tüketimini azaltmaktadır. Düşük güçlü kuvvetlendiricinin azaltılmış iletim açısı, savak akımını yarım sinüs işareti şekline getirmekte ve harmonik bileşenler oluşturmaktadır. Çıkışta kullanılan empedans uyumlama devresi, tranzistörün savağında oluşan harmonik bileşenleri süzgeçleyerek, yüke temiz bir sinüzoidal işaret aktarımına olanak tanımaktadır. Empedans uyumlama devresinde kullanılan endüktansın kalite faktörü ile kuvvetlendiricinin verimi arasında doğrudan bir ilişki vardır. Ayrık devrelerde kullanılan endüktanslar yüksek kalite faktörlerine sahipken, entegre devrelerde kullanılan endüktansların kalite faktörler oldukça sınırlıdır. Projede empedans uyumlama devresinde kullanılan endüktansın kalite faktörü yaklaşık 10 olarak hesaplanmıştır. Devrenin implant edilebilir sensörlerde kullanılacak olması nedeniyle, tümleşik bir yapıda olması önemlidir. Bu nedenle devrede yüksek kalite faktörlerine ayrık endüktans kullanılmamıştır.. FBAR bağlantıları ve RF çıkış için, projeye özel pad tasarımı gerçekleştirilmiştir. RF Padler, düşük kapasite değerine sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Devrenin herhangi bir ESD olayından etkilenmemesi için, hem RF bağlantılarına, hem de sayısal girişlere ESD koruma devreleri tasarlanmıştır. Sayısal girişlerin ESD koruma devreleri, seri direnç ve iki adet eviriciden oluşmaktadır. RF bağlantıların ESD koruması ise, RF hat üzerinden besleme ve toprağa yapılan diyot bağlantıları ile sağlanmıştır. Devrenin RF kısmının besleme gerilimi 0.8V, sayısal kısmının besleme gerilimi 1.1V olarak belirlenmiştir. Kontrol girişleri 1.1V sayısal girişleri desteklemektedir. RF çıkış gücü, uygulamaya uygun olarak, alıcı ve verici arasındaki link bütçesine uygun olarak tasarlanmıştır. Kısa mesafe haberleşmesinde kullanılacak olan bu devrenin çıkış gücü -20 dBm olarak belirlenmiştir. Yapılan literatür araştırmasına göre, implant edilebilir radyoların çalışma mesafeleri 2 metreden az olmaktadır. Yapılan benzetimlere göre, devrenin harcadığı güç yaklaşık 450 $\mu$W olarak tespit edilmiştir. Devrenin toplam alanı $0.16mm^2$ olarak hesaplanmış ve bu değerin, literatürde karşılaştırılan diğer düşük güçlü verici boyutlarına göre oldukça düşük olduğu görülmüştür. Devrenin RF çıkışının, $50\Omega$ yük direncine uyumluluğu da test edilmiştir. Yapılan test neticesinde geri dönüş kaybının 10 dB değerinden daha düşük olduğu görülmüştür. Devrenin çalışması için çip dışı devre elemanı olarak sadece FBAR rezonatörünün bağlanması yeterlidir. Empedans uyumlama devreleri ve diğer pasif elemanlar entegre devre içerisinde gerçeklenmiştir. Sonuç olarak, projede biyomedikal uygulamalarda kullanılmaya uygun, düşük güçlü RF verici tasarımı hedeflenmiştir. Tasarlanan devrelerin bilgisayar benzetimleri gerçekleştirilmiş, boyutunun ve elektriksel özelliklerinin de bu uygulamalar için uygun olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Today's semiconductor technology enables the design and manufacture of the implantable RF circuits. The power sources are limited in implantable circuits. Low power wireless transmitters can transmit the information obtained from the human body to the external environment. The changes in the body can be continuously monitored without surgical intervention for every information. In this project, FBAR-based low power 2.5 GHz RF transmitter is designed. Transmitter designed for 40nm CMOS technology includes digital logic gates, RF oscillator and low power amplifier circuits. Digital data is transmitted by the switching of the carrier RF signal. On-off keying modulation does not require complex and power hungry circuits. Amplitude shift keying can be used as an alternative by using the ASK enable bit. If the corresponding bit is in OOK mode, the amplifiers of the oscillators are switched depending on the incoming data. When the oscillator amplifiers are closed, the transmitter almost does not consume energy. In the ASK mode, the oscillator amplifiers that are open remain in the open position regardless of the data. In this case, the data only adjust the gain setting of the low-power amplifier. Oscillators used for RF signal synthesizing, are one of the most power hungry circuits in the RF chain. The losses of the resonators require high gain stages to ensure the oscillation. High gain leads to high power consumption which can cause the data losses. FBAR resonators are used in implantable RF transmitter circuits thanks to their small size and high quality factors. The RF oscillator consists of a 3-stage amplifier structure. The ability to adjust the gain and load capacities gives the transmitter flexibility in terms of use. As a result, the aim of the project is to design a low-power RF transmitter suitable for biomedical applications. According to computer simulations, electrical characteristics of the circuit is suitable for biomedical application as well as the circuit size.
Benzer Tezler
- 2.4 GHz amplitude peak detector and analog-to-digital converter design for energy harvesting applications in bioimplants
Biyoimplant enerji hasadı uygulamaları için 2.4 GHz genlik tepe değeri detektörü ve analog sayısal çevirici tasarımı
ONUR AYDINOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TUFAN COŞKUN KARALAR
- Logaritmik Güç Detektörü Tasarımı
Logarithmic Power Detector Design
CÜNEYT AYAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURCU ERKMEN
DOÇ. DR. HAKAN DOĞAN
- GaN-Hemt based Ku-Band RF power amplifier design for satcom applications
Uydu iletişim uygulamaları için GaN-Hemt tabanlı Ku-Bant RF Güç yükselteç tasarımı
AHMET MERT POLATER
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞİMŞEK DEMİR
- Determining the position andorientation of in-body medicalinstruments using reactivemagnetic field mapping
Başlık çevirisi yok
VEDAT CAVLU
- Güç dağıtım hatları için RF tabanlı diferansiyel koruma
RF based differential protection for power distribution lines
MURAT GÜRLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. İSMAİL HAKKI ALTAŞ