Low-Power High-Data-Rate Transmitter Design for Biomedical Application

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

INJECTION-LOCKING TECHNIQUES FOR MULTI-CHANNEL ENERGY EFFICIENT TRANSMITTER

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Wireless body sensor networks for health-monitoring applications

This is an author-created, un-copyedited version of an article accepted for publication in Physiological Measurement. The publisher is not responsible for any errors or omissions in this version of the manuscript or any version derived from it. The Version of Record is available online at http://dx.doi.org/10.1088/0967-3334/29/11/R01

Automated Channel Assessment for Single Chip MedRadio Transceivers

Modern implantable and body worn medical devices leverage wireless telemetry to improve patient experience and expand therapeutic options. Wireless medical devices are subject to a unique set of regulations in which monitoring of the available frequency spectrum is a requirement. To this end, implants use software protocols to assess the in-band activity to determine which channel should be used. These software protocols take valuable processing time and possibly degrade the operational lifetime of the battery. Implantable medical devices often take advantage of a single chip transceiver as the physical layer for wireless communications. Embedding the channel assessment task in the transceiver hardware would free the limited resources of the microprocessor. This thesis proposes hardware modifications to existing transceiver architectures which would provide an automated channel assessment means for implantable medical devices. The results are applicable beyond medical device applications and could be employed to benefit any low-power, wireless, battery-operated equipment

Récepteur Sans-Fil à Basse Consommation et à Modulation Mixte FSK-ASK pour les Dispositifs Médicaux

RÉSUMÉ Les émetteurs-récepteurs radiofréquences (RF) offrent le lien de communications le plus commun afin de mettre au point des dispositifs médicaux implantables dédiés aux interfaces homme-machines. La surveillance en continu des paramètres biologiques des patients nécessite un module de communication sans-fil capable de garantir un échange de données rapide, en temps réel, à faible puissance tout en étant implémenté dans un espace physique réduit. La consommation de puissance des dispositifs implantables joue un rôle important dans les durées de vie des batteries qui nécessitent une chirurgie pour leur remplacement, à moins qu’une technique de transfert de puissance sans-fil soit utilisée pour recharger la batterie ou alimenter l’implant a travers les tissus humains. Dans ce projet, nous avons conçu, implémenté et testé un récepteur RF à faible puissance et haut-débit de données opérant entre 902 et 928 MHz qui est la bande industrielle-scientifiquemédicale (Industrial, Scientific and Medical) d’Amérique du Nord. Ce récepteur fait partie d’un système de communication bidirectionnel dédié à l’interface sans-fil des dispositifs électroniques implantables et bénéficie d’une nouvelle technique de conversion de modulation par déplacement de fréquence (FSK) en Modulation par déplacement d’amplitude (ASK). Toutes les phases de conception et d’implémentation de la topologie adoptée pour les récepteurs RF sont survolées et discutées dans cette thèse. Les différents étages de circuits sont conçus selon une étude analytique fondée de la modulation FSK et ASK utilisées, ce qui permettra une amélioration des performances notamment le débit de transmission des données et la consommation de puissance. Tous les circuits sont réalisés de façon à ce que la consommation totale et la surface de silicium à réserver soient le minimum possible. Un oscillateur avec verrouillage par injection (Injection-Looked Oscillator - ILO) de faible puissance est réalisé pour assurer la conversion des signaux ASK en FSK. Une combinaison des avantages des deux architectures de modulation d’amplitude et de fréquence, pour les circuits d’émetteurrécepteur sans fil, a été réalisé avec le système proposé. Un module incluant un récepteur de réveil (Wake up) est ajouté afin d’optimiser la consommation totale du circuit en mettant tous les blocs à l’arrêt. Nous avons réalisé un récepteur de réveil RF compact et à faible coût, permettant de très faible niveaux de consommation d’énergie, une bonne sensibilité et une meilleure tolérance aux interférences. Le design est basé sur une topologie homodyne à détection d’enveloppe permettant une transposition directe du signal RF modulé en amplitude en un signal en bande de base. Cette architecture nécessite une architecture peu encombrante à intégrer qui élimine le problème des fréquences image pour la même topologie avec une modulation de fréquence.---------- ABSTRACT ISM band transceiver using a wake-up bloc for wireless body area networks (WBANs) wearable and implantable medical devices is proposed. The system achieves exceptionally low-power consumption and allows a high-data rate by combining the advantages of Frequency-Shift-Keying (FSK) and Amplitude-Shift- Keying (ASK) modulation techniques. The transceiver employs FSK modulation at a data rate of 8 Mbit/s to establish RF link among the medical device and a control unit. Transmitter (Tx) includes a new efficient FSK modulation scheme which offer up to 20 Mb/s of data-rate and dissipates around 0.084 nJ/b. The design of the proposed oscillator achieves variable frequency from 300 kHz to 8 MHz by adjusting the transistors geometry, the on-chip control signal and the tuning capacitors. In the transmitter path, the high-quality LOs Inand Quadrature-phase (I and Q) outputs are produced using a very low-power fully integrated integer-N frequency synthesizer. The architecture of the receiver is inspired from the super-regenerative receiver (SRR) topology which can be used to design a transceiver that is suitable for ASK modulation. In fact, this architecture is based mainly on envelope detection scheme which remove the need to process the carrier phase to reduce the complexity of integrated design. It has been shown too, that the envelope detection scheme is more robust to phase noise than the coherent scheme. The integrated receiver uses on a new FSK-to-ASK conversion technique. The conversion feature that we adopt in the main receiver design is based on the fact that the incident frequency of converter could be differentiated by the amplitude of output signal, which conducts to the frequency-to-amplitude conversion. Thanks to the injection locking oscillator (ILO). the new design of converter is located between the LNA as first part and the envelope detector as second part to benefit from the injection-locking isolation. On-Off-keying (OOK) fully passive wake-up circuit (WuRx) with energy harvesting from Radio Frequency (RF) link is used to optimize the power issipation of the RF transceiver in order to meet the low power requirement. The WuRx operates at the ISM 902–928 MHz. A high efficiency differential rectifier behaves as voltage multiplier. It generates the envelope of the input signal and provides the supply voltage for the rest of blocks including a low-power comparator and reference generators

Low-Power High Data-Rate Wireless Transmitter For Medical Implantable Devices

RÉSUMÉ Les émetteurs-récepteurs radiofréquences (RF) sont les circuits de communication les plus communs pour établir des interfaces home-machine dédiées aux dispositifs médicaux implantables. Par exemple, la surveillance continue de paramètres de santé des patients souffrant d'épilepsie nécessite un étage de communication sans-fil capable de garantir un transfert de données rapide, en temps réel, à faible puissance tout en étant implémenté dans un faible volume. La consommation de puissance des dispositifs implantables implique une durée de vie limitée de la batterie qui nécessite alors une chirurgie pour son remplacement, a moins qu’une technique de transfert de puissance sans-fil soit utilisée pour recharger la batterie ou alimenter l’implant a travers les tissus humains. Dans ce projet, nous avons conçu, implémenté et testé un émetteur RF à faible puissance et haut-débit de données opérant à 902-928 MHz de la bande fréquentielle industrielle-scientifique-médicale (ISM) d’Amérique du Nord. Cet émetteur fait partie d'un système de communication bidirectionnel dédié à l’interface sans-fil des dispositifs électroniques implantables et mettables et bénéficie d’une nouvelle approche de modulation par déplacement de fréquence (FSK). Les différentes étapes de conception et d’implémentation de l'architecture proposée pour l'émetteur sont discutées et analysées dans cette thèse. Les blocs de circuits sont réalisés suivant les équations dérivées de la modulation FSK proposée et qui mènera à l'amélioration du débit de données et de la consommation d'énergie. Chaque bloc est implémenté de manière à ce que la consommation d'énergie et la surface de silicium nécessaires soient réduites. L’étage de modulation et le circuit mélangeur ne nécessitent aucun courant continu grâce à leur structure passive.Parmi les circuits originaux, un oscillateur en quadrature contrôlé-en-tension (QVCO) de faible puissance est réalisé pour générer des signaux différentiels en quadrature, rail-à-rail avec deux gammes de fréquences principales de 0.3 à 11.5 MHz et de 3 à 40 MHz. L'étage de sortie énergivore est également amélioré et optimisé pour atteindre une efficacité de puissance de ~ 37%. L'émetteur proposé a été implémenté et fabriqué à la suite de simulations post-layout approfondies.----------ABSTRACT Wireless radio frequency (RF) transceivers are the most common communication front-ends used to realize the human-machine interfaces of medical devices. Continuous monitoring of body behaviour of patients suffering from Epilepsy, for example, requires a wireless communication front-end capable of maintaining a fast, real-time and low-power data communication while implemented in small size. Power budget limitation of the implantable and wearable medical devices obliges engineers to replace or recharge the battery cell through frequent medial surgeries or other power transfer techniques. In this project, a low-power and high data-rate RF transmitter (Tx) operating at North-American Industrial-Scientific-Medical (ISM) frequency band (902-928 MHz) is designed, implemented and tested. This transmitter is a part of a bi-directional transceiver dedicated to the wireless interface of implantable and wearable medical devices and benefits from a new efficient Frequency-Shift Keying (FSK) modulation scheme. Different design and implementation stages of the proposed transmitter architecture are discussed and analyzed in this thesis. The building blocks are realized according to the equations derived from the proposed FSK modulation, which results in improvement in data-rate and power consumption. Each block is implemented such that the power consumption and needed chip area are lowered while the modulation block and the mixer circuit require no DC current due to their passive structure. Among the original blocks, a low-power quadrature voltage-controlled oscillator (QVCO) is achieved to provide differential quadrature rail-to-rail signals with two main frequency ranges of 0.3-11.5 MHz and 3-40 MHz. The power-hungry output stage is also improved and optimized to achieve power efficiency of ~37%. The proposed transmitter was implemented and fabricated following deep characterisation by post-layout simulation. Both simulation and measurement results are discussed and compared with state-of-the-art transmitters showing the contribution of this work in this very popular research field. The Figure-Of-Merit (FOM) was improved, meaning mainly increasing the data-rate and lowering the power consumption of the circuit. The transmitter is implemented using 130 nm CMOS technology with 1.2 V supply voltage. A data-rate of 8 Mb/s was measured while consuming 1.4 mA and resulting in energy consumption of 0.21 nJ/b. The fabricated transmitter has small active silicon area of less than 0.25 mm2

Bidirectional Wireless Telemetry for High Channel Count Optogenetic Microsystems

In the past few decades, there has been a significant progress in the development of wireless data transmission systems, from high data rate to ultra-low power applications, and from G-b per second to RFID systems. One specific area, in particular, is in wireless data transmission for implantable bio-medical applications. To understand how brain functions, neural scientists are in pursuit of high-channel count, high-density recordings for freely moving animals; yet wire tethering issue has put the mission on pause. Wireless data transmission can address this tethering problem, but there are still many challenges to be conquered. In this work, an ultra-low power ultra-wide band (UWB) transmitter with feedforward pulse generation scheme is proposed to resolve the long-existing problem in UWB transmitter. It provides a high-data rate capability to enable 1000 channels in broadband neural recording, assuming 10-bit resolution with a sampling rate of 20 kHz to accommodate both action potential (AP) and local field potential (LFP) recording, while remaining in ultra- low power consumption at 4.32 pJ/b. For the bi-directional communication between the wireless and recording/ stimulating module, a bit-wise time-division (B-TDD) duplex transceiver without cancellation scheme is presented. The receiver works at U-NII band (5.2GHz) and shares the same antenna with UWB transmitter. This significantly reduces the area consumption as well as power consumption for implantable systems. The system can support uplink at 200 Mbps for 1000 recording channels and downlink at 10 Mbps for 36 stimulation channels. With a 3.7 Volt 25mAh rechargeable battery, the system should be able to operate more than 1.5 hours straight for both recording and stimulation, assuming 1 LED channel with 100 µA, 10% duty-cycled stimulating current. The B-TDD transceiver is integrated with a dedicated recording/ stimulation optogenetic IC chip to demonstrate as a complete wireless system for implantable broadband optogenetic neural modulation and recording. The fully integrated system is less than 5 gram, which is suitable for rodent experiments.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/155242/1/yujulin_1.pd

Synthétiseur de fréquences RF destiné aux dispositifs médicaux implantables

RÉSUMÉ Les microsystèmes biomédicaux implantables présentent un énorme potentiel pour la recherche médicale. Les dispositifs médicaux intelligents implantables, qui combinent des capteurs et/ou des actuateurs avec des circuits intégrés, ouvrent la voie à des applications fascinantes. Aujourd’hui, la possibilité d’utiliser la technologie CMOS pour intégrer des circuits RF, numériques, et même certains types de capteurs sur une même puce, suscite un vif intérêt dans un domaine nouveau : celui des réseaux de capteurs implantables, ou BSN (Body-Sensor Networks) et leurs applications en recherche biomédicale. L’implantation dans le corps de tels réseaux de capteurs sans-fils permettrait de surveiller, détecter ou même combattre différentes maladies, et ce de manière in situ. Avec des dimensions minimales inférieures à 100 nm, la technologie CMOS représente un choix viable pour l’implémentation des blocs de bases des circuits intégrés radio-fréquences (Radio- Frequency Integrated Circuits - RFIC) à faible consommation de puissance. Toutefois, la réduction de la tension d’alimentation permise dans les procédés CMOS nanométriques, l’impédance de sortie limitée des transistors disponibles, ainsi que les variations de procédés ont pour conséquence que plusieurs architectures de circuits analogiques n’offrent plus les performances requises ou ne sont tout simplement plus applicables. Des méthodes de conception innovatrices doivent être utilisées et des compromis judicieux doivent être faits afin de maintenir les performances requises. Dans un système de communication sans-fil, l’oscillateur local (Local Oscillator - LO) est l’un des modules les plus importants puisqu’il sert à générer la porteuse du lien RF qui sera par la suite modulée pour transmettre les données. Dans un contexte où la consommation de puissance doit être strictement minimisée, la génération d’une fréquence porteuse RF stable dans un procédé CMOS nanométrique présente des défis énormes. Dans cette optique, cette thèse se concentre sur la conception, l’analyse, ainsi que sur l’implémentation de circuits analogiques et RF à basse tension faisant partie d’un synthétiseur de fréquences à consommation ultra faible utilisant un procédé CMOS nanométrique. Tout d’abord, une nouvelle architecture de miroir de courant présentant une impédance de sortie très élevée destiné aux applications à faible tension d’alimentation est présentée. Ce miroir de courant de faible complexité présente une résistance de sortie très élevée et ce pour des tensions de sortie s’approchant des alimentations. Ensuite, une nouvelle architecture de pompe de charges CMOS destinée aux boucles à verrouillage de phase à faible tension et faible puissance est proposée afin de contourner les difficultés causées par la basse tension d’alimentation et la faible impédance de sortie des transistors nanométriques.----------ABSTRACT Implantable biomedical microsystems present a huge potential for medical research. The recent possibility to use CMOS technology to integrate radio-frequency (RF) circuits, baseband signal processing, and even sensors on a same chip has led to a tremendous growth of interest in wireless sensors and their applications. Such microsystems typically include a microprocessor and memory, an energy source, one or more sensors, an analog-to-digital converter (ADC), and a RF transceiver to communicate with a remote base-station or processing unit. In the biomedical field, it is expected that implanting such wireless sensing microsystems could greatly help the medical research community in learning about the progression of some diseases and assess degree of response to treatment. With a minimum feature size that has reduced under 100 nm, CMOS technology has become a viable choice for the implementation of low-power radio-frequency integrated circuits (RFIC) building blocks. However, the reduction of the supply voltage combined with the low output impedance of nanometer transistors have caused many analog and RF circuit solutions to be unsuitable, or even unusable due to voltage headroom constraints. Therefore, new circuit techniques and innovative design approaches are needed in order to meet the required performance level while maintaining low power consumption. In a wireless communications system, the local oscillator (LO) is one of the most important building blocks since it generates the RF carrier signal upon which data is modulated for transmission. In a context where power consumption must be strictly minimized, the generation of a stable RF carrier using a nanometer CMOS process presents huge challenges. In this regard, this thesis focuses on the design, the analysis and the implementation of low-voltage analog and RF circuits used to build an ultra-low power integer-N frequency synthesizer. First, a new current mirror architecture dedicated to low-voltage, low-power applications is presented. The proposed current mirror offers a very high output resistance and an enhanced output voltage range in comparison with other current mirrors similar in architecture. Then, a novel charge pump dedicated to low-power low-voltage PLLs is proposed. The design of this circuit was motivated by the need of a nano-CMOS charge pump that would offer constant current magnitude and minimum current mismatch over a wide range of output voltage, while maintaining power consumption and complexity level as low as possible. A LC resonator-based voltage-controlled oscillator (LC-VCO) that implements a new technique to reduce the impact of process variation on phase noise and power consumption is presented

Millimeter-Scale and Energy-Efficient RF Wireless System

This dissertation focuses on energy-efficient RF wireless system with millimeter-scale dimension, expanding the potential use cases of millimeter-scale computing devices. It is challenging to develop RF wireless system in such constrained space. First, millimeter-sized antennae are electrically-small, resulting in low antenna efficiency. Second, their energy source is very limited due to the small battery and/or energy harvester. Third, it is required to eliminate most or all off-chip devices to further reduce system dimension. In this dissertation, these challenges are explored and analyzed, and new methods are proposed to solve them. Three prototype RF systems were implemented for demonstration and verification. The first prototype is a 10 cubic-mm inductive-coupled radio system that can be implanted through a syringe, aimed at healthcare applications with constrained space. The second prototype is a 3x3x3 mm far-field 915MHz radio system with 20-meter NLOS range in indoor environment. The third prototype is a low-power BLE transmitter using 3.5x3.5 mm planar loop antenna, enabling millimeter-scale sensors to connect with ubiquitous IoT BLE-compliant devices. The work presented in this dissertation improves use cases of millimeter-scale computers by presenting new methods for improving energy efficiency of wireless radio system with extremely small dimensions. The impact is significant in the age of IoT when everything will be connected in daily life.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/147686/1/yaoshi_1.pd

LOW-POWER FREQUENCY SYNTHESIS BASED ON INJECTION LOCKING

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