植入式医疗设备已经成为医生和生命科学研究人员用来诊断和治疗疾病的重要工具。为了降低植入手术的风险和难度,微型化一直是植入式医疗设备的研究趋势,然而,植入式医疗设备的微型化的一个关键技术挑战是如何在超低耦合(耦合系数低至0.01)的感应链路上实现可靠的信息与能量同时传输(信能同传)。本论文旨在研究和设计一种可在超低耦合的感应链路上实现与无线能量传输共存的近场通信系统,其主要创新之处包括以下几个方面。(1)为实现超低耦合下可靠的信能同传,本论文提出了一种基于双载波的、与无线能量传输共用感应链路的近场通信方案,创新地使用与能量载波频率不同的上行载波将上行信号传输至体外,避免了使用传统的负载调制技术,从而使得体外接收机可以在频域滤除能量载波的干扰,进而在超低耦合系数的条件下也可以解调上行信号。(2)为解决微弱的通信信号与高功率的能量信号之间相互干扰的问题,本论文提出了一种基于磁平衡的感应链路,通过增加一个与体外供能线圈交叉重叠的体外通信线圈,并优化线圈的相对位置参数使体外通信线圈与体外供能线圈形成磁场平衡,从而显著地减小近场通信与无线能量传输之间的相互干扰,体外接收的信干比提升了65.72 d B。(3)为保证通信的可靠性并逼近超低耦合下可靠通信和稳定供能的极限,本论文使用链路预算分析,设计了通过逼近接收机灵敏度等物理极限来优化感应链路的电路参数的优化方法。(4)针对体内设备因尺寸限制不能放入晶体振荡器来产生高精度时钟的问题,本论文设计了一种基于全数字锁频环的低功耗无晶体时钟源,通过跟踪能量载波在没有被调制时的稳定频率对数控振荡器的输出时钟进行频率调整,从而避免工艺、电压和温度变化对输出时钟造成频率误差。(5)针对植入式医疗设备解调二进制相移键控(BPSK)信号的低功耗挑战,本论文设计了一种改进的单比特全数字BPSK解调器,该解调器仅使用单比特模数转换器对信号进行采样和直接解调,省去了滤波器、放大器和混频器等复杂的模拟电路,且无需使用锁相环恢复与信号同频同相的载波来进行解调,从而显著地降低了BPSK解调器的复杂度和功耗。基于上述方案、方法和技术,本论文设计并实现了一款针对植入式青光眼诊疗仪需求设计的双载波近场通信系统的验证原型机。在实验中,使用单线圈对感应链路时原型机在耦合系数低至0.008下实现可靠通信,使用磁平衡感应链路的原型机在耦合系数低至0.005下实现可靠通信,本文是首个在耦合系数低于0.01的条件下实现与无线能量传输共存的可靠通信的近场通信系统(检索至2018年3月)。使用TSMC 0.18μm CMOS工艺实现时,体内接收机的BPSK解调器的功耗仅为0.1 m W,是已有相关研究中功耗的最低值(检索至2018年3月)。无晶体的体内时钟生成器的功耗仅为0.51 m W,实现了误差小于±0.025%的高精度时钟输出。体内通信电路总功耗(包括发射机功率)为0.71 m W。实验结果证明,本论文提出的近场通信的方案、方法和技术均适用于未来微小植入式医疗设备,以及其他需要在超低耦合系数条件下实现可靠的信能同传的物联网应用。