一种新型的刺激伪迹抑制系统，采用快速模板减法技术

《IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems》：A Novel Stimulus Artifact Suppression System With Fast Template Subtraction

基于402 MHz的无线能量传输系统为深部组织植入物设计，采用0.22 μm CMOS工艺实现全集成谐振调节整流器（IR3），集成200 pF去耦电容，有效克服低导纳耦合系数（<0.01）带来的挑战。系统通过单级整流与调节同步实现，在1.8 V输出时获得0.3%的超低纹波系数和1.73的高电压转换效率，负载功耗1.5 mW时整体转换效率达65%。提出时钟门控VCDL相位误差补偿方案和数字控制补偿电路，使负载从65 μW突变为1.5 mW时设置时间仅需6.9 μs，显著提升瞬态响应性能。该设计为植入式医疗设备的小型化提供了可行路径。

　　

摘要：

本文设计了一种用于深层组织生物植入物的无线电力传输（WPT）系统，该系统由一个电压模式全集成谐振调节整流器（IR3）和一个工作在402 MHz频率的片上天线组成。所提出的IR3整流器包含一个200 pF的解耦电容，采用0.22 mm2的活性区域，并在180纳米CMOS工艺中实现。基于充电时间的调节补偿电路在1.8 V输出电压下提供了0.3%的低纹波系数和1.73的高电压转换效率（VCE），以克服由于深层植入环境导致的低感应耦合系数（小于0.01）问题。此外，还提出了一种基于时钟门控的电压控制延迟（VCDL）补偿方案，用于补偿IR3整流器的相位误差。IR3整流器在同一阶段同时完成整流和调节功能，有效提升了功率转换效率。整个系统在1.5 mW负载下的功率转换效率（PCE）达到了65%。基于数字控制的补偿电路还改善了系统的瞬态响应性能，当负载从65 μW变化到1.5 mW时，设置时间仅为6.9 μs。

引言

近年来，微型化、安全可靠的无线植入式设备在临床试验和诊断中得到了广泛应用，例如人工耳蜗、视网膜植入物、皮质植入物和周围神经植入物[1]、[2]、[3]、[4]。其他研究也关注了深层组织的微型生物植入物，如心脏起搏器[5]。对于某些可穿戴传感器节点和表面植入物，厘米级别的离片RX天线是可行的。然而，对于某些深层植入物（如植入式血压传感器），其尺寸受到严格限制，因为较大的植入物体积会增加血栓形成的风险[6]。另有研究表明，微型化植入物对植入部位环境的影响较小，能有效降低组织炎症和正常细胞死亡的概率[7]，因此有必要减小深层植入物的尺寸。由于提高工作频率可以有效减小无源设备的尺寸，将工作频率提升到亚GHz被认为是减小深层生物植入物体积的有效方法[8]。然而，大多数无线供电植入物的工作频率低于50 MHz，这些植入物的尺寸通常受到RX天线尺寸的限制。美国联邦通信委员会（FCC）将402-405 MHz频段分配给医疗植入通信服务（MICS）。在该频段工作的植入物可以使用片上线圈而非离片线圈，进一步实现微型化。此外，已有研究表明，对于毫米级植入式设备（如皮层电图（ECoG）和神经信号采集系统[9]、[10]，工作在100 MHz以上的频率是可行的。在这样的频率下，谐振电感和电容器可以集成在单个芯片上。