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

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.