用于无电池NFC循环伏安法的超低功耗模拟前端

《IEEE Sensors Letters》：Ultra-Low-Power Analog Front-End for Batteryless NFC Cyclic Voltammetry

　　

摘要：

通过可穿戴电化学传感器对生物标志物进行连续监测，常常受到传统电池在供电能力和外形尺寸方面的限制。无源近场通信（NFC）技术提供了一种高度可行的无电池替代方案；然而，由于缺乏专用的硬件（如数模转换器（DAC）），将循环伏安法（CV）等复杂的电化学分析技术集成到超低功耗片上系统（SoC）中仍然是一项重大挑战。本信函介绍了一种专为无源NFC SoC的严苛架构约束而设计的高保真、超低功耗模拟前端（AFE）的设计方案及其体外验证结果。通过模拟德州仪器RF430FRL153H应答器的双电源架构和2 MHz时钟限制，利用脉冲宽度调制（PWM）经双级低通RC滤波器平滑，合成出连续的阶梯式电压扫描（fc=10.24 Hz）。法拉第电流通过限制在1.5 V数字窗口内的跨阻放大器拓扑结构进行采集。利用丝网印刷电极上的5 mM铁氰化钾氧化还原探针进行台式验证，成功捕捉到明显的法拉第特征信号。所提出的AFE与商用实验室级电化学工作站进行了基准对比，展现出相当的电化学灵敏度以及更优的可逆比（Qa/Qc=1.039)± 0.037, n = 3)，该比值更接近理论值1，优于商用参考设备（0.766 ± 0.026）。这些结果证实了在无源NFC SoC的约束条件下执行精确CV的架构可行性，将其集成到目标射频取电平台的工作留待未来完成。