专利名称：：基于d类和幅移键控的感应功率和数据传输系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及信号处理，具体地说，涉及向植入式系统提供数据功率信号。
背景技术：
：向诸如假体激励器的植入式电子系统提供功率和数据的一种方法是经由感应链路来发送RF信号。感应链路基本上具有两个谐振电路外部谐振电路和植入患者用户身体中的内部谐振电路。这两个谐振电路的电感被实现为例如具有2030mm之间的典型外径的两个螺旋形线圈。当彼此面对时，线圈形成允许RF能量传输的变压器。已针对优化功率传输效率和耦合对准公差而研究了感应链路。例如，参见1987年4月的GalbraithDC,SomaM，以及WhiteRL,"AWide-BandEfficientInductiveTransdermalPowerAndDataLinkWithCouplingInsensitiveGain"，IEEETrans.Biomed.Eng.BME-34,第265-275页；禾口1990年7月的ZierhoferCM禾卩HochmairES,"High-EfficiencyCoupling-InsensitivePowerAndDataTransmissionViaAnInductiveLink",IEEE-Trans.Biomed.Eng.BME-37,第716-723页；通过引用而将其并入本文。在许多应用中，使用并联调谐的接收机，原因在于可以通过整流和平滑而容易地将谐振电路两端的RF电压转换为直流(dc)电压。然后，使用该直流电压作为用于植入式系统内的电子电路的电源电压。例如，图1示出了线圈101和电容器102的并联调谐的接收机谐振电路，其中信号U2(t)是感生的RF电压。整流二极管103和104连同滤波电容器105和106—起将交流(ac)电压U2(t)转换为类直流电压Vde。如果滤波电容器105和106足够大，则可以忽略Vde的任何交流分量。电压Vde被连接到后面的电子电路107的电压提供端口Vcc和Vss，该后面的电子电路107实现例如植入式假体激励器的植入式系统的功能。信号U2(t)不仅被用作用于功率的电源电压生成，而且还包含数字信息数据。例如，对于耳蜗植入，信号U2(t)提供定义用于听觉神经的电刺激的短双相脉冲的信息。通常，位解码级108是植入式系统的将RF信号U2(t)转换为用于进一步处理的基带位序列的部分。对于数字数据传输，定义了U2(t)的至少两种不同的可区别状态。例如，这两种不同状态可以是U2(t)的在谐振频率&附近的两个不同工作频率。通常将此类方案称为频移键控(FSK)。例如，在上文的Galbraith中描述了实际示例，其中f2=20MHz且两个工作频率是19MHz和21MHz。将信号U2(t)中的数字信号解码的另一种方法是利用幅移键控(ASK)。在ASK方案中，可以通过"存在RF振幅"和"不存在RF振幅"来定性地描述U2(t)的两种可区别状态。可以借助于包络检测来容易地检测这两种(理想)状态。例如，在图1中，解码级108将包括包络检波器。在图2中，示出了感应链路系统的等效电路。并联调谐的接收机电路包括接收机线圈201、电容器202、以及电阻器208，其中电阻器208表示由于线圈201的寄生电阻而引起的欧姆损失。谐振频率f2和无载品质因数Q2，Unloaded定义为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>和Q2'unloadedL，(1)(2)图1中的级107的功率消耗由欧姆负载207来表示。整流二极管103和104由简化等效电路203和204来表示，简化等效电路203和204本身由理想开关2031和2041及欧姆电阻器2032和2042组成。开关的状态分别取决于电压u2(t)以及电容器205和206两端的电压VA和VB。假设如果U2(t)〉VA，则开关2031闭合，并且对于U2(t)SVA，处于其高阻抗状态。类似地，如果U2(t)〈-VB，则开关2041闭合，且对于U2(t)^-VB，其断开。接收机线圈201电感地耦合到发送机线圈209，并且用耦合系数k来描述耦合强度。发送机线圈209连同电容器210和电阻器211—起形成串联调谐的发送机谐振电路，其中电阻器211表示线圈209的寄生电阻。谐振频率ft和无载品质因数Qum。aded定义为f=和Q1,unloadedR,(3)(4)发送机电路的输入由产生输入电压u"t)的电压源212来驱动。对于ASK，通常使用两种工作模式，即状态RF-ON(RF开启)和RF-OFF(RF关闭)。如图3所描绘的，在状态RF-ON下，u"t)在接地电势与电源电压VDD之间周期性地切换。周期T表示RF周期。在状态RF-OFF期间，u"t)被连接到接地电势。7图4示出用于使用自同步(selfclocking)位格式的位序列的电压u,(t)的示例。这里，将逻辑"0"编码为RF-ON之后是RF-OFF的序列，反之亦然，将逻辑"l"编码为RF-OFF之后是RF-ON的序列。
发明内容本发明的实施例意在使用幅移键控(ASK)来传输射频(rf)数据脉冲的rf信号传输链路。该链路包括用于使各状态转变时间(times)最小化的装置。例如，用于最小化的装置可以包括下述装置，该装置用于改变谐振电路品质因数，这在用于接收射频数据脉冲的并联调谐的接收机电路中或用于发送射频数据脉冲的串联调谐的谐振发送电路中将是有用的。例如，串联调谐的谐振发送电路包括D类放大器驱动器。在更具体的实施例中，可以将D类放大器集成到单个微芯片上。串联调谐的谐振发送电路可以包括在射频关闭时间期间与发送机电路电感串联的阻尼电阻器RD。例如，阻尼电阻器RD可以是具有无穷大电阻的开路，或者其可以具有使各状态转变时间最小化的最理想电阻。在某些实施例中，阻尼电阻器RD可以使谐振接收电路表现为使得射频波形衰减与耦合因数无关。实施例还包括用于植入式电子系统的接收机电路。植入式接收机电路接收来自于外部发送机的幅移键控(ASK)射频数据脉冲。接收机电路包括用于使各状态转变时间最小化的装置。在某些实施例中，用于最小化的装置可以包括用于改变谐振电路品质因数的装置。实施例还包括用于植入式电子系统的发送机电路。外部发送机电路向植入式接收机发送幅移键控(ASK)射频数据脉冲。发送机电路包括用于使各状态转变时间最小化的装置。用于最小化的装置可以包括用于改变谐振电路品质因数的装置，诸如用于发送射频数据脉冲的串联调谐的谐振发送电路。串联调谐的谐振发送电路可以包括D类放大器驱动器。在更具体的实施例中，可以将D类放大器集成到单个微芯片上。串联调谐的谐振发送电路可以包括在射频关闭时间期间与发送电路电感串联的阻尼电阻器RD。例如，阻尼电阻器Ro可以是具有无穷大电阻的开路，或者其可以具有使接收电路各状态转变时间最小化的最理想电阻。在某些实施例中，阻尼电阻器RD可以使谐振接收电路表现为使得射频波形衰减与耦合因数无关。本发明的实施例还包括使用幅移键控(ASK)来传输射频数据脉冲的rf传输链路。该链路包括用于使系统表现为使得射频波形衰减与耦合因数无关的装置。图1示出了根据现有技术的并联调谐的接收机谐振电路和电源电压生成。图2示出了根据现有技术的具有串联调谐的发送机和并联调谐的接收机谐振电路的感应链路的等效电路。图3示出了用于幅移键控(ASK)的输入电压u!(t)的RF-ON和RF-OFF模式。图4示出了用于使用自同步位格式的位序列的u,(t)的示例。，图5示出了根据本发明一个实施例的具有串联调谐的发送机和并联调谐的接收机谐振电路的感应链路的等效电路。图6A-C示出了用于接收机谐振电路中的各种电路值的状态信号和电压轨迹(trace)。具体实施例方式如图2中所示的用于数据和能量传输的基于ASK的信号传输链路具有潜在的问题。假设电压u!(t)的输入状态RF-ON和RF-OFF的周期性序列，还假设在稳态条件下，负载Rde两端的直流电压V&恒定。在状态RF-ON期间，电压u2(t)达到略高于Vdc/2的峰值振幅。如果u2(t)>Vd(:/2或者如果u2(t)<-Vdc/2，则开关2031或2041分别闭合。只有在非常短的时间段期间，电荷才流入网络CA、CB、Rdc中。然而，这些二极管电流限定了特定的有载(loaded)品质因数q2,^ded，该有载品质因数显著地小于如以上等式(2)中定义的无载品质因数Q2,unl。aded。如果u"t)从状态RF-ON变为RF-OFF,则112(1)的电压振幅不能立即跟随此类变化。而是，RF振幅将花费一些时间朝着基线回降，衰减的速度大大地受到接收机电路的品质因数的影响品质因数越低，衰减越快。不幸的是，这里基本上应用比有载品质因数q2,^ded高得多的无载品质因数Q2，unl。aded，原因在于u2(t)的振幅一下降到低于Vdc/2，那么二极管开关2031和2041就保持断开，并且没有RF能量可以流入网絡Ca、CB、Rdc。在RF-OFF期间，接收机电路内的唯一有效交流负载是R2。化(t)在RF-OFF期间的确切的松弛表现由网络R,、Q、L!、R2、C2、L2和耦合因数k来确定，因此，无载品质因数Q^m。aded和Q2，uil。aded是相关的。然而，这些品质因数对于在RF-ON期间高功率传输效率应尽可能高。因此，在ASK方案中对RF-OFF期间的快速RF松弛和高功率效率的要求互相冲突。解决这一问题的一种方法是降低RF-OFF期间发送机谐振电路中的品质因数，从而每个射频数据脉冲将以脉冲振幅的更快速的下降结束。图5中示出了信号传输链路的一个特定实施例，其为用于射频数据脉冲的幅移键控(ASK)传输的系统。方框501表示感应信号传输链路。方框501包括用于使用ASK来发送射频数据脉冲的外部串联调谐的谐振发送机电路和用于接收射频数据脉冲的植入式并联调谐的接收机模块。输入节点502被连接到由开关对503和504、电阻器505和开关506组成的网络。在状态RF-ON期间，开关506断开(高阻抗)，且节点502借助于开关对503和504而在接地电势与电源电压Vdd之同切換。这引起射频下的矩形电压，并且通常将此类工作模式称为D类切换范式。在状态RF-OFF期间，开关503和504断开，且开关506闭合。现在，RD串联阻尼电阻器505被串联地连接到Ri，这意味着发送机品质因数的显著降低。在每个射频数据脉冲结束时发送机谐振电路的品质因数的这种降低加速了接收机谐振电路中的RF振幅的衰减，以便于使脉冲的后沿快速回降至基线所需的时间最小化。已用如表1中总结的规格执行了对图5中的电路的定量分析。模拟是基于具有0.5ns的计算时间增量的状态空间模型。RF频率是10MHz，结果得到T=100ns。模拟结果在图6A-C中示出，其中上部的轨迹描绘信号状态。对于STATE=HIGH，D类驱动器产生RF信号(状态RF-ON)，且对于STATE=LOW,发送机串联电路的输入被連接到Rd(状态RF-OFF)。这里，采用具有2ps的位持续时间的自同步位格式。请注意，RF-ON的最短可能持续时间是lps，其正好包含10次RF循环。表l:电路规格<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>已在k=0.2的耦合下对RD的不同值计算了进一步的模拟。图6A示出了Rd-O的結果。显然，在时段STATE=0期间，u2(t)的振幅衰减得相当缓慢，且衰减被叠加了典型的拍频效应。能量在具有约为2MHz的拍频的发送机谐振电路与接收机谐振电路之间振荡。虽然可以在视觉上识别该数据结构，但不能容易地借助于电子电路来实现数据检测。如果如图6B所示将阻尼电阻器设置为RD—oo，则拍频效应消失。在这种情况下，接收机谐振电路松弛，如同其未被耦合到发送机一样，原因在于发送机中的电流被迫为零。因此，观察到第二阶(order)系统的行为，即u2(t)的振幅根据无载接收机电路L2、C2、R2的时间常数而指数地衰减。这里，波形u2(t)与图6A相比复杂性较低。请注意，対于Rd—oo的衰减与耦合因数k无关，这将是用于后续数据解码级的重要特征。例如，在耳蜗植入系统中，这是重要标准，原因在于数据解码应对相互的线圈位置不敏感。图6C示出了RD=150Q的情况。电压u2(t)明显地超过图6A和6B，即在每个射频数据脉冲结束时衰减得比较快。因此，u2(t)非常适合于数据解码。诸如图5所示的各实施例的一个本质优点在于可以将外部系统的许多部件集成到单个微芯片上，因此可以使功率消耗和系统尺寸保持为非常小。而且，可以容易地将在RF-ON期间驱动开关503和504的射频发生器(图5未示出)集成到此类微芯片上。开关503和504的性能在以下方面特别重要导通电阻通常不应超过1Q，且栅极电容应小于10pF。然而，可以用例如0.35pmCMOS的现有技术来实现此类特性。在许多信号传输链路应用中，开关503和504在RF-ON期间不同时闭合也会是重要的。否则，非常大的电流可能流过开关，这极大地增加了功率消耗并可能损坏电路部件。虽然已公开了本发明的各种示例性实施例，但对于本领域的技术人员来说应显而易见的是在不脱离本发明的真实范围的情况下可以进行将实现本发明某些优点的各种修改和变更。权利要求1.一种射频(rf)信号传输链路，包括信号传输链路，所述信号传输链路用于使用幅移键控(ASK)来传输rf数据脉冲，所述链路包括用于使各状态转变时间最小化的装置。2.如权利要求l所述的链路，其中用于最小化的所述装置包括用于改变谐振电路品质因数的装置。3.如权利要求l所述的链路，进一步包括并联调谐的接收机电路，用于接收所述rf数据脉冲。4.如权利要求l所述的链路，进一步包括串联调谐的谐振发送电路，用于发送所述rf数据脉冲。5.如权利要求4所述的链路，其中所述串联调谐的谐振发送电路包括D类放大器驱动器。6.如权利要求5所述的链路，其中所述D类放大器被集成到单个微芯片上。7.如权利要求4所述的链路，其中所述串联调谐的谐振发送电路包括在rf关闭时间期间与发送机电路电感串联的阻尼电阻器RD。8.如权利要求7所述的链路，其中所述阻尼电阻器Rd是具有无穷大电阻的开路。9.如权利要求7所述的链路，其中所述阻尼电阻器Rd具有使接收机电路各状态转变时间最小化的最理想电阻。10.如权利要求7所述的链路，其中所述阻尼电阻器RD具有使所述谐振接收电路表现为使得rf波形衰减与耦合因数无关的电阻。11.一种用于植入式电子系统的接收机电路，所述电路包括植入式接收机电路，所述植入式接收机电路用于从外部发送机接收幅移键控(ASK)rf数据脉冲，所述接收机电路包括用于使各状态转变时间最小化的装置。12.如权利要求ll所述的接收机电路，其中用于最小化的所述装置包括用于改变谐振电路品质因数的装置。13.—种用于植入式电子系统的发送机电路，所述电路包括外部发送机电路，所述外部发送机电路用于向植入式接收机发送幅移键控(ASK)rf数据脉冲，所述发送机电路包括用于使各状态转变时间最小化的装置。14.如权利要求13所述的发送机电路，其中用于最小化的所述装置包括用于改变谐振电路品质因数的装置。15.如权利要求13所述的发送机电路，进一步包括串联调谐的谐振发送电路，用于发送所述rf数据脉冲。16.如权利要求15所述的发送机电路，其中所述串联调谐的谐振发送电路包括D类放大器驱动器。17.如权利要求16所述的发送机电路，其中所述D类放大器被集成到单个微芯片上。18.如权利要求15所述的发送机电路，其中所述串联调谐的谐振发送电路包括在rf关闭时间期间与发送机电路电感串联的阻尼电阻器Rd。19.如权利要求18所述的发送机电路，其中所述阻尼电阻器RD是具有无穷大电阻的开路。20.如权利要求18所述的发送机电路，其中所述阻尼电阻器RD具有使接收机电路各状态转变时间最小化的最理想电阻。21.如权利要求18所述的发送机电路，其中所述阻尼电阻器RD具有使所述谐振接收电路表现为使得rf波形衰减与耦合因数无关的电阻。22.—种rf传输链路，包括信号传输链路，所述信号传输链路用于使用幅移键控(ASK)来传输rf数据脉冲，所述链路包括用于使所述系统表现为使得rf波形衰减与耦合因数无关的装置。全文摘要本申请描述了使用幅移键控(ASK)来传输rf(射频)数据脉冲的rf信号传输链路，该链路使每个数据脉冲结束时的状态转变时间最小化。文档编号H04B5/00GK101636927SQ200880004457公开日2010年1月27日申请日期2008年2月15日优先权日2007年2月15日发明者克莱门斯·M·齐尔霍费尔申请人:Med-El电气医疗器械有限公司