目前生醫電子感測電路主要分為穿戴式和植入式，生醫電子使用的感測電路大部分須要使用數年之久，故其中的放大晶片需要採用超低功耗設計才能保持整體電路的續航力同時也可大大降低晶片的發熱量。
目前應用於超低功耗無線傳輸接收解調晶片之調變方式有以下三種，從最早期的振幅鍵移調變（Amplitude Shift Keying, ASK）到最近被廣泛使用的頻率鍵移調變（Frequency Shift Keying, FSK）及本篇論文使用的相位偏移調變（Phase Shift Keying, PSK）。ASK將資料放在載波頻率之振幅上，藉由接收到之訊號振幅大小來解調回傳輸端之輸出資料。FSK則是將訊號分為不同頻率，經由接收電路解調還原傳輸端之資料。而PSK是一種利用相位差異的訊號來傳送資料的調變方式。抗雜訊能力是三種調變中最佳的，在傳送過程中即使嚴重失真，在解調時仍可盡量避免錯誤的判斷。
QPSK(Quadrature Phase-shift Keying)相較於PSK系列中最簡單的BPSK(Binary Phase-shift Keying)，QPSK在系統帶寬不變的情況下可以增大一倍數據傳輸速率或者在BPSK數據傳輸速率不變的情況下將所需帶寬減半。本架構是使用四個相位各差90°的訊號表示邏輯”00”、邏輯”01”、邏輯”10”及邏輯”11”的資料。它分別位在平面座標軸的X軸和Y軸上。這種系統在PSK系列中抗雜訊能力（SNR）是最佳的，在傳送過程中即使嚴重失真，在解調時仍可盡量避免錯誤的判斷。
本架構之QPSK發射器主要是由鎖相迴路、除頻器、相位選擇器所組成，鎖相迴路鎖住一穩定頻率，經過除頻器提供四個相位各相差九十度的訊號，等同於平面座標軸的四個相位，X軸和Y軸再分別經過相位選擇器選擇正向或反向訊號，便能產生位於零度、九十度、一百八十度及兩百七十度的訊號發射出去。
本論文的發射電路輸入參考訊號為8MHz、輸出的四個相位皆為64MHz，總功耗為3.66mW。在不同傳輸速率之間皆可正常運作，每bit在最差情況下2 Mb/s時會消耗1.83 nJ，但在16 Mb/s則只會消耗0.21 nJ。

Recently, wearable and implantable biomedical electronic devices are required urgently by biomedical applications. Biomedical information transmission between the devices can be achieved by wireless techniques. For extending life time of the devices, an ultra-low power and reliable wireless transmission interface is required.
In this thesis, an ultra-low power (ULP), multi-rate, human body communication (HBC), quadrature phase-shift keying (QPSK) transmitter applied for wearable or implantable biomedical devices is proposed. Instead of adopting amplitude shift keying (ASK) modulation, QPSK modulation has better immunity against interferers and higher data rate as the same frequency bandwidth is used. But QPSK modulation usually leads to a higher hardware complexity and power consumption. In this thesis, a ultra-low power and low hardware complexity QPSK transmitter is proposed. The transmitter transmits QPSK modulated data at a carrier frequency of 64 MHz.
As applied for wearable or implantable biomedical electronic devices, the transmitter consumes 3.66 mW under a minimum data rate of 2 Mb/s as designing in UMC 0.18 um CMOS process. The maximum energy consumption per transmitted bit is 1.83 nJ/bit. But under a maximum data rate of 16 Mb/s, the minimum energy consumption per transmitted bit is only 0.21 nJ/bit.

目錄
致謝 II
中文摘要 III
英文摘要 IV
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.3 論文架構 3
第二章 超低功耗發射器電路 4
2.1 發射器電路之類別與介紹 4
2.2 相位鍵移調變發射器之類別與介紹 10
第三章 超低功耗電路設計 14
3.1 超低功耗類比電路設計 14
3.2 超低功耗數位邏輯電路設計 17
第四章 電路設計 22
4.1 鎖相迴路 24
4.2 除頻器 34
4.3 相位選擇器 36
4.4 電路模擬結果 37
4.5 電路佈局 43
第五章 晶片量測 44
5.1 量測方式 44
5.2 量測結果 45
第六章 結論與未來展望 51
參考文獻 52
 
圖目錄

圖1.1 人體示意圖 2
圖2.1 OOK高效能收發晶片電路架構 5
圖2.2 OOK發射器電路架構 5
圖2.3 低功耗注入式鎖定接收發射電路架構圖 7
圖2.4 發射器調變電路架構圖 7
圖2.5 發射器電路架構 8
圖2.6 二階相位鍵移調變發射器之架構圖 11
圖2.7 四階相位鍵移調變發射器之架構圖 12
圖3.1 電晶體之I_D-V_GS特性曲線圖 15
圖3.2 以Pseudo-NMOS為主架構之四個輸入的NOR電路 18
圖3.3 數位電路輸出為”1”之概念等效 19
圖3.4 數位電路輸出為”0”之概念等效圖 20
圖4.1 二位元相位偏移調變發射電路架構圖 22
圖4.2 座標軸示意圖 23
圖4.3 鎖相迴路電路架構 24
圖4.4 相位偵測電路特性曲線圖 26
圖4.5 (a)相位偵測電路架構圖；(b) D型正反器電路圖 27
圖4.6 (a)訊號A相位領先B；(b)訊號B相位領先A 28
圖4.7 充電泵電路圖 30
圖4.8 (a)充電泵充電時；(b)充電泵放電時 31
圖4.9 震盪器的線性模型 32
圖4.10 環形震盪器之電路架構圖 33
圖4.11 除八除頻器之電路架構圖 34
圖4.12 數位除二除三電路之電路架構圖 35
圖4.13相位選擇器之電路架構圖 36
圖4.14 數據多工器之電路架構圖 37
圖4.15 鎖相迴路之模擬結果 pre-simulation 37
圖4.16 鎖相迴路Vc之穩定電壓 pre-simulation 38
圖4.17 CP輸出電壓之最大及最小值 pre-simulation 38
圖4.18 壓控環型振盪器之Phase Noise pre-simulation 39
圖4.19 環形震盪器pre-simulation以及post-simulation之頻率差異 39
圖4.20 相位選擇器之相對應輸出圖 pre-simulation 40
圖4.21 整體QPSK架構之模擬圖 post-simulation 41
圖4.22 電路佈局圖 43
圖4.23 電路佈局相對位置圖 43
圖5.1 量測方式示意圖 44
圖5.2 鎖相迴路I & IB之輸出結果 45
圖5.3 鎖相迴路I & Q之輸出結果 45
圖5.4 鎖相迴路Q & QB之輸出結果 46
圖5.5 鎖相迴路之RMS jitter 46
圖5.6 鎖相迴路之消耗電流 47
圖5.7 相位選擇器之消耗電流 47
圖5.8 能源效益與資料傳輸速率統計圖 48
圖5.9 晶片微影圖 48
圖5.10 PCB照相 49
圖5.11 實際量測發射狀況 49
 
表目錄

表2.1 ASK, FSK及PSK文獻比較表 9
表2.2 BPSK及QPSK文獻比較表 13
表4.1 系統參數 25
表4.2 鎖相迴路之參數表 25
表4.3 電路預計規格表 41
表4.4 文獻比較表 42
表5.1 量測結果 50

[1] D. C. Daly and A. P. Chandrakasan, "An Energy-Efficient OOK Transceiver for Wireless Sensor Networks," IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, no. 5, pp. 1003-1011.
[2] J. Bae, L. Yan and H. J. Yoo, "A Low Energy Injection-Locked FSK Transceiver With Frequency-to-Amplitude Conversion for Body Sensor Applications," IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 46, no. 4, pp. 928-937.
[3] X. Liu, T. K. Hin, C. H. Heng, Y. Gao, W. D. Toh, S. J. Cheng and M. Je, "A 103 pJ/bit multi-channel reconfigurable GMSK/PSK/16-QAM transmitter with band-shaping," Solid-State Circuits Conference (A-SSCC), 2014 IEEE Asian, pp. 269-272.
[4] J. F. Neto, J. F. Neto, T. Ferauche, F. S. Correra and W. A. M. Van Noije, "A design of a BPSK transmitter front end for ultra-wideband in 130nm CMOS," Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC), 2015 SBMO/IEEE MTT-S International, pp. 1-5.
[5] A. Shirane, H. Tan, Y. Fang, T. Ibe, H. Ito, N. Ishihara and K. Masu, "13.8 A 5.8GHz RF-powered transceiver with a 113μW 32-QAM transmitter employing the IF-based quadrature backscattering technique," 2015 IEEE International Solid-State Circuits Conference - (ISSCC) Digest of Technical Papers, pp. 1-3.
[6] R. Sarpeshkar, Ultra Low Power Bioelectronics Fundamentals, Biomedical Applications, and Bio-Inspired Systems. U.K.: Cambridge Univ. Press, 2010.
[7] 劉深淵、楊清淵。 鎖相迴路。 Taiwan：滄海書局, 2006。
[8] M. Vidojkovic, X. Huang, X. Wang, C. Zhou, A. Ba, M. Lont, Y. H. Liu, P. Harpe, M. Ding, B. Busze, N. Kiyani, K. Kanda, S. Masui, K. Philips and H. de Groot, "9.7 A 0.33nJ/b IEEE802.15.6/proprietary-MICS/ISM-band transceiver with scalable data-rate from 11kb/s to 4.5Mb/s for medical applications," 2014 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC), pp. 170-171.
[9] Chao-Shiun Wang, Wei-Chang Li, Chorng-Kuang Wang, Horng-Yuan Shih and Tzu-Yi Yang, "A 3–10 GHz full-band single VCO agile switching frequency generator for MB-OFDM UWB," Solid-State Circuits Conference, 2007. ASSCC '07. IEEE Asian, pp. 75-78.
[10] C. B. Chen and H. Y. Shih, "A 400 MHz 0.934ps rms jitter multiplying delay lock loop in 90-nm CMOS process," Electronics, Circuits, and Systems (ICECS), 2010 17th IEEE International Conference on, pp. 53-56.
[11] I. Ibrahim and H. Heuermann, "Indirect VCO Phase Modulation with PLL Divider Control," Microwave Conference (GeMIC), 2008 German, pp. 1-3.
[12] T. C. Yan, H. Y. Shih, T. Y. Yang and C. N. Kuo, "A Q-band direct divide-by-4 injection-locked frequency divider with quadrature outputs," Microwave Conference (EuMC), 2010 European, pp. 77-80.