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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告 題目:生命探測(cè)微功率超寬帶雷達(dá)電路設(shè)計(jì) 院(系) 電子信息工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 生物醫(yī)學(xué)工程 班 級(jí) 100420 姓 名 侯 博 學(xué) 號(hào) 100420104 導(dǎo) 師 倪 原 2014年 3月 3 日1 研究背景和意義本課題所研究的微功率超寬帶雷達(dá)主要就用于探測(cè)生命信號(hào),而生命探測(cè)技術(shù)在上世紀(jì)80年代就已經(jīng)是新興技術(shù)了,它利用電磁波穿透性強(qiáng)的特點(diǎn),在不接觸生命體的情況下,對(duì)穿過(guò)墻壁、廢墟等有形介質(zhì)后,遇到人體胸腔震動(dòng)而發(fā)生微小變化,再?gòu)幕夭ㄐ盘?hào)中提取微弱的生命信號(hào),從而達(dá)到探測(cè)人體生命信息的目的。目前常用的生命探測(cè)雷達(dá)可分為窄帶系統(tǒng)連續(xù)波(Continuous Wave,
2、CW)雷達(dá)和超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)系統(tǒng)微功率沖擊雷達(dá)(Micropower Impulse Radar,MIR)。CW雷達(dá)是向目標(biāo)體發(fā)射連續(xù)的電磁波,利用多譜勒效應(yīng)原理,被人體生命活動(dòng)引起的體表微動(dòng)所調(diào)制,使得回波信號(hào)的某些參數(shù)(如頻率、相位)發(fā)生改變,選擇合適的信號(hào)預(yù)處理電路和信號(hào)處理技術(shù)就能從這些變化中提取出相關(guān)人體生命參數(shù)信號(hào)。而超寬帶雷達(dá)檢測(cè)人體的生命參數(shù)是向目標(biāo)體發(fā)射脈沖形式的電磁波,穿過(guò)有形介質(zhì)后,被人體反射后的回波信號(hào)脈沖序列重復(fù)周期發(fā)生變化,這種變化與人體生命的活動(dòng)速度和頻率有關(guān)。通過(guò)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、積分、放大濾波,再經(jīng)過(guò)微控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析
3、得到人體生命信號(hào)。生命探測(cè)微功率沖擊雷達(dá)的研究開(kāi)展于20世紀(jì)90年代,其融合雷達(dá)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)于一體,借助外來(lái)能量,在一定距離,隔著一定介質(zhì),不接觸人體的情況下探測(cè)人體生命信息,比起傳統(tǒng)的連續(xù)波生命探測(cè)雷達(dá)具有不需要載波、較好的穿透力、受環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn),該系統(tǒng)在災(zāi)害醫(yī)學(xué)(地震、塌方傷員的搜救)、軍事醫(yī)學(xué)(傷員探尋)、城市反恐(解救人質(zhì))等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。目前全世界多個(gè)國(guó)家和國(guó)防研究機(jī)構(gòu)都在大力開(kāi)展這一方面的研究,因此對(duì)這一技術(shù)的研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 微功率沖擊雷達(dá)起源于20世紀(jì)90年代中期,它是伴隨著傳統(tǒng)沖擊雷達(dá)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種高科技新型雷達(dá),其應(yīng)用
4、相當(dāng)廣泛。它起初是由國(guó)外發(fā)展過(guò)來(lái),國(guó)外對(duì)此技術(shù)的研究要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于國(guó)內(nèi),目前該技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)開(kāi)始推廣研究,本文主要是將微功率沖擊雷達(dá)應(yīng)用于生命探測(cè)方面的研究。2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)生命探測(cè)雷達(dá)技術(shù)研究起步比較早,在20世紀(jì)80年代開(kāi)始美國(guó)就已經(jīng)采用L頻段的調(diào)制連續(xù)波信號(hào)對(duì)埋藏在雪地里的生命體進(jìn)行了探測(cè)研究。美國(guó)密歇根州立大學(xué)研究小組采用了L和S波段的不同頻率的雷達(dá)連續(xù)天線(xiàn)對(duì)模擬震災(zāi)后的生命信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè),都成功的檢測(cè)出人體呼吸和心跳等生命信號(hào),取得的一定的成就。隨后由美國(guó)佐治亞技術(shù)研究所研究出的手電筒式雷達(dá)“Radar Flashlight”,該雷達(dá)可對(duì)隱蔽在墻壁、鋼門(mén)、樹(shù)木后靜止和運(yùn)動(dòng)的人
5、進(jìn)行探測(cè),它采用多普勒技術(shù)和高速信號(hào)處理技術(shù),對(duì)接收回來(lái)的生命信號(hào)則采用快速傅里葉變換(FFT)和頻率響應(yīng)曲線(xiàn)陡的技術(shù)進(jìn)行濾波,從而得到我們所需要的人體生命信號(hào),該系統(tǒng)采用的天線(xiàn)是市場(chǎng)上可以買(mǎi)到的一種天線(xiàn),它將發(fā)射端輸出的波束控制在20度以?xún)?nèi)的扇形區(qū)域內(nèi)。美國(guó)研究的同時(shí),其它西方國(guó)家也對(duì)CW的研究有所成就,如俄羅斯Remote Sensing Lab研究設(shè)計(jì)了一種“RASCAN”的生命探測(cè)雷達(dá),此雷達(dá)系統(tǒng)可以探測(cè)10cm厚混凝土墻壁后的人體生命信號(hào),它采用的工作頻率為1-10GHz,其波長(zhǎng)也就達(dá)到了3-30cm。還有由日本研究的連續(xù)波探測(cè)性雷達(dá)是針對(duì)近距離(小于50cm)的探測(cè),它主要是透過(guò)各
6、種衣物、被褥等對(duì)股動(dòng)脈、指尖脈搏、頸動(dòng)脈及心率的探測(cè),但由于其探測(cè)距離的有限性造成了其實(shí)際應(yīng)用的局限性。超寬帶系統(tǒng)的微功率沖擊雷達(dá)技術(shù)的研究是從近十幾年才新興的一種雷達(dá)技術(shù),而在生命探測(cè)上的應(yīng)用的研究開(kāi)始于美國(guó)斯坦福尼亞大學(xué),此大學(xué)在1994年開(kāi)始將超寬帶雷達(dá)應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)上研究,并獲得了一項(xiàng)專(zhuān)利。1995年美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)始著手雷達(dá)聽(tīng)診器的研究。1996年美國(guó)斯坦福尼亞大學(xué)研制出一種特殊的超寬帶微功率沖擊雷達(dá),此雷達(dá)高增益天線(xiàn)采用可以探測(cè)到人體呼吸及心跳的生命信號(hào),并對(duì)距離內(nèi)技術(shù)提取生命信號(hào),最大限度的抑制了外界噪聲的干擾。同年,由美國(guó)McEwon先生研制的人體檢測(cè)、成像系統(tǒng),可以檢測(cè)人體
7、的心跳、呼吸、聲帶等信號(hào)并轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào),從而在人體生理參數(shù)的監(jiān)護(hù)儀上的應(yīng)用達(dá)到了不可逾越的突破,并獲得了美國(guó)的一項(xiàng)專(zhuān)利。McEwon先生在超寬帶雷達(dá)上面的研究無(wú)疑是我們學(xué)習(xí)的典范,至今為止他研制的MIR已經(jīng)在美國(guó)獲得了56項(xiàng)專(zhuān)利,同時(shí)在全世界也達(dá)到了214項(xiàng)專(zhuān)利或應(yīng)用專(zhuān)利。1999年后,針對(duì)微功率沖擊雷達(dá)的體積小、功率小、壽命長(zhǎng)、成本低及分辨率高等特點(diǎn),將其廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如在心臟監(jiān)護(hù)、嬰兒監(jiān)護(hù)、障礙性睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù)、腦出血監(jiān)護(hù)等等的研究。2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)允許此雷達(dá)技術(shù)可以商用化,從而推動(dòng)了很多公司開(kāi)始投資研究此雷達(dá)的應(yīng)用,美國(guó)Time Domain公司利用該雷達(dá)技術(shù)研
8、制出雷達(dá)視力2000(Radar Domain)雷達(dá)供執(zhí)法部門(mén)使用和士兵視力(Soldier Vision)雷達(dá)供軍事部門(mén)使用。 另外還有美國(guó)休斯先進(jìn)電磁技術(shù)研究中心(Hughes Advanced Electromagnetic Technology Center,HAETC)研制的“2-D Concrete Penetration Radar”具有強(qiáng)的穿透能力。目前西方如美國(guó)、加拿大、英國(guó)和俄羅斯等多個(gè)國(guó)家已經(jīng)投資大量人力和物力開(kāi)始發(fā)展研究沖擊雷達(dá)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。2004年美國(guó)航空航天局艾姆斯研究中心的MIR成員利用便攜式MIR移動(dòng)探測(cè)器進(jìn)行試驗(yàn),完成了搜救5位“受傷人員”的救助?!?/p>
9、9.11”事件后,該便攜式MIR移動(dòng)探測(cè)器在厚度數(shù)米的石磚下進(jìn)行呼吸探測(cè),實(shí)現(xiàn)搜救工作,為災(zāi)難營(yíng)救上提供了很大幫助。國(guó)外用于生命探測(cè)儀的天線(xiàn)是美國(guó)航空航天局(NASA)指定的火星探測(cè)器兩種候選雷達(dá)天線(xiàn)之一,是世界上相對(duì)最先進(jìn)的探地雷達(dá)天線(xiàn),能夠非常敏銳地捕捉到微弱的生命信號(hào),且已獲得美國(guó)專(zhuān)利。2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)微功率沖擊雷達(dá)的研究相對(duì)還是比較晚的,對(duì)其研究的應(yīng)用領(lǐng)域也主要是用作運(yùn)動(dòng)傳感器、報(bào)警器及定位器,對(duì)于應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也是近幾年才開(kāi)始的。1995年,空軍導(dǎo)彈學(xué)院率先在國(guó)內(nèi)提出了MIR技術(shù),從理論上深入分析了MIR核心技術(shù),從實(shí)踐上對(duì)該技術(shù)做了大量實(shí)驗(yàn),最終在國(guó)內(nèi)首度提出了完整的
10、MIR的設(shè)計(jì)方案,成功研制出沖擊雷達(dá)信號(hào)發(fā)射源、取樣脈沖源,分析MIR的電磁波信號(hào)抗干擾能力及外界電磁干擾的抵抗能力,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,從而達(dá)到MIR動(dòng)態(tài)目標(biāo)的檢測(cè)系統(tǒng)。第四軍醫(yī)大學(xué)從1998年起開(kāi)始研究生命探測(cè)雷達(dá),采用發(fā)射微波電磁信號(hào),接收檢測(cè)由人體活動(dòng)而引起發(fā)射波的微小變化,通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)提取到人體的呼吸和心跳信號(hào)。已經(jīng)成功研制出不同波段的連續(xù)波雷達(dá)探測(cè)樣機(jī),可以探測(cè)穿墻20cm,距離達(dá)到5m的人體生命信號(hào)。2003年該大學(xué)生物醫(yī)學(xué)小組研制了S2000-I型探測(cè)樣機(jī)6,隨后該校與西安必肯科技合作研制了SJ-3000搜救樣機(jī),目前西安必肯科技有限公司已經(jīng)研制了SJ-6000搜救雷達(dá)樣機(jī),對(duì)
11、我國(guó)在雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展有很大意義。此外,國(guó)內(nèi)其他高校對(duì)生命探測(cè)技術(shù)也有很大成果,如國(guó)防科技大學(xué)采用發(fā)射超寬帶脈沖7,穿過(guò)非金屬的有形介質(zhì),探測(cè)其有形介質(zhì)后3-5m的人體生命信號(hào);南京理工大學(xué)分析穿墻生命探測(cè)雷達(dá)的特點(diǎn),研制了通過(guò)正弦調(diào)制,擴(kuò)頻連續(xù)波體制的探測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)8,并做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。2001年9月,國(guó)家在“十五”863計(jì)劃通信技術(shù)研究項(xiàng)目中,將UWB無(wú)線(xiàn)通信關(guān)鍵技術(shù)作為通信技術(shù)的研究的主要內(nèi)容,鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)該技術(shù)的研究工作,這將很大程度上提升我國(guó)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)對(duì)用于生命探測(cè)儀上的超寬帶雷達(dá)天線(xiàn)并未做專(zhuān)門(mén)研究,這在一定程度上是微功率沖擊雷達(dá)發(fā)展史上的一個(gè)遺憾,但對(duì)探地雷達(dá)方面已有一些成就
12、,從而極速推動(dòng)了微功率沖擊雷達(dá)的發(fā)展。3 研究的主要內(nèi)容和方案3.1研究的主要內(nèi)容 根據(jù)所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)并研制一套完整的微功率超寬帶雷達(dá),硬件部分包括發(fā)射、接受電路和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì),單片機(jī)采用C8051F020。所設(shè)計(jì)的雷達(dá)具有很大的相對(duì)帶寬(信號(hào)的帶寬和中心頻率之比),一般大于25,所發(fā)射的脈沖極窄(p秒級(jí))、峰值功率很高、平均功率極底、頻譜分布廣泛,具有很高的分辨率。 本課題只要設(shè)計(jì)包括兩部分,一是微功率沖擊雷達(dá)硬件電路設(shè)計(jì),二是微功率沖擊雷達(dá)天線(xiàn)部分的設(shè)計(jì)。微功率沖擊雷達(dá)通過(guò)發(fā)射極窄UWB脈沖,通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)輻射電磁波,碰到人體胸腔的運(yùn)動(dòng)后而發(fā)生微小變化,接收天線(xiàn)接收反射電磁波,采用取樣門(mén)提取
13、生命信號(hào),最后送到微處理單元進(jìn)行數(shù)字處理得到生命信號(hào)。微功率沖擊雷達(dá)硬件電路包括:窄脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路;取樣積分電路;帶通濾波電路及放大電路。對(duì)電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì),并采用Multisim軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。微功率沖擊雷達(dá)天線(xiàn)則是通過(guò)分析雷達(dá)對(duì)天線(xiàn)的要求,比較各種超寬帶雷達(dá)天線(xiàn),采用HFSS11仿真分析天線(xiàn)。3.2研究的方案3.2.1 了解超寬帶雷達(dá)工作原理 主要有:電磁波傳播的基本規(guī)律與介質(zhì)的電性質(zhì)、超寬帶沖激雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、超寬帶收發(fā)天線(xiàn)的簡(jiǎn)化模型與雷達(dá)的性能指標(biāo)。電磁波穿透墻壁時(shí)會(huì)發(fā)生反射和透射,其特性不僅受介質(zhì)的影響,還與波的極化方式有關(guān)??梢杂镁€(xiàn)性模型來(lái)表示,即近似表示為: (2.6)其中為天
14、線(xiàn)接收回波;為發(fā)射波遇到目標(biāo)物后的反射波;為收發(fā)天線(xiàn)之間的耦合波;為發(fā)射波遇到墻壁后的反射波;為環(huán)境雜波。 超寬帶雷達(dá)使用超寬帶脈沖信號(hào)作為探測(cè)信號(hào),利用電磁波穿透性穿過(guò)墻壁等介質(zhì),碰到人體后而反射,根據(jù)目標(biāo)檢測(cè)原理,實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生命信號(hào)的定位和識(shí)別。 圖3.1微功率沖擊雷達(dá)原理框圖3.2.2 了解天線(xiàn)部分的工作原理 微功率沖擊雷達(dá)的極窄脈沖的發(fā)射與接收都是通過(guò)天線(xiàn)完成的,因此天線(xiàn)性能的好壞直接決定系統(tǒng)的性能。在設(shè)計(jì)天線(xiàn)時(shí)要盡可能的考慮天線(xiàn)的空間特性和時(shí)間特性。對(duì)雷達(dá)發(fā)射天線(xiàn)希望其達(dá)到將發(fā)射信號(hào)無(wú)畸變的輻射出去,而接收天線(xiàn)則要求其靈敏度高,從而更好的接收回波信號(hào)。其實(shí)發(fā)射天線(xiàn)就是將超寬帶脈沖信號(hào)
15、輻射出去,而接收天線(xiàn)則是將人體反射的回波接收回來(lái),我們可以將發(fā)射、接收天線(xiàn)看作濾波,其濾波效果直接影響系統(tǒng)的探測(cè)結(jié)果。 由此可看出天線(xiàn)在微功率沖擊雷達(dá)中起著很大的作用,其直接影響雷達(dá)在應(yīng)用過(guò)程中的探測(cè)效果,從而對(duì)天線(xiàn)的研究成為微功率沖擊雷達(dá)研究的重點(diǎn)之一。3.2.3 研究硬件電路的發(fā)射部分 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)超寬帶雷達(dá)技術(shù)的研究顯示,超寬帶脈沖產(chǎn)生的方法大致有兩種:一是采用數(shù)字電路的邏輯器件產(chǎn)生極窄脈沖;二是采用高速元器件,利用儲(chǔ)能元件的充放電特性,結(jié)合脈沖整形電路產(chǎn)生系統(tǒng)所需脈沖。由于方法一產(chǎn)生的極窄脈沖脈寬太寬,且幅值較低,難以滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求,故通常都采用第二種方法,目前可采用的高速元器件有階躍
16、二極管、隧道二極管及雪崩三極管等,不同元器件產(chǎn)生脈沖的指標(biāo)也各有差異。其中常用的是階躍二極管和雪崩三極管,采用階躍二極管可以產(chǎn)生產(chǎn) ps極的窄脈沖,其產(chǎn)生的窄脈沖幅值太小,一般只有毫伏級(jí),且產(chǎn)生的脈沖中有較多的低頻分量及脈沖拖尾現(xiàn)象,故結(jié)合本系統(tǒng)的要求,本課題選擇采用雪崩三極管設(shè)計(jì)產(chǎn)生超寬帶脈沖。圖3.2雪崩三極管基本形成電路由圖3.2電路可以得出,三極管集-射電壓增大到臨界狀態(tài)時(shí),負(fù)載電阻上的電流可表示為: 其中為集-射擊穿電壓。雪崩三極管產(chǎn)生高幅度脈沖的要求是:三極管擊穿后,電容放電的時(shí)間必須大于觸發(fā)脈沖的相鄰兩脈沖之間的時(shí)間間隔。故電流可允許的最高重復(fù)頻率表示為: 一般情況下有遠(yuǎn)小于,故
17、對(duì)于對(duì)電容充電時(shí)間的影響這里不做考慮。由于對(duì)于雪崩三極管的二次擊穿目前還沒(méi)有一個(gè)定向的嚴(yán)格分析,所以無(wú)法估計(jì)脈沖的前沿時(shí)間,只能說(shuō),雪崩效應(yīng)越強(qiáng),其前沿時(shí)間越短,而后沿時(shí)間則由來(lái)決定。3.2.4 研究硬件電路的接收部分 本課題主要研究的是運(yùn)用微功率沖擊雷達(dá)來(lái)探測(cè)墻壁后面的人體生命信號(hào),但由于人體生命信號(hào)是極其微弱的信號(hào),所以檢測(cè)接收的回波信號(hào)必須要提高信噪比。目前,對(duì)提高信噪比的方法有很多,集中起來(lái)主要運(yùn)用了電子學(xué)、計(jì)算機(jī)理論、信息論、物理學(xué)理論及生物醫(yī)學(xué)技術(shù)等理論知識(shí)。與一般的檢測(cè)技術(shù)相比,微弱信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)主要關(guān)注的是抑制噪聲和提高信噪比的方法,而不是傳感器物理模型和傳感器原理、相應(yīng)的信號(hào)
18、轉(zhuǎn)換電路和儀表的實(shí)現(xiàn)方法,故這就要求我們要靈活運(yùn)用上述的理論知識(shí)提高信噪比,從而檢測(cè)出良好的微弱信號(hào)。接收回波信號(hào)的方法有很多種,而人體的生命信號(hào)一般可看為是正弦信號(hào)。通過(guò)查閱資料可知,鎖定放大器可以檢測(cè)淹沒(méi)在噪聲中的正弦信號(hào),但發(fā)射波為超寬帶脈沖波形,而脈沖波形的前沿和后沿都含有非常豐富的高次諧波,當(dāng)反射回來(lái)含有人體生命信號(hào)的脈沖波形通過(guò)鎖定放大器輸出后,其后端的低通濾波器在濾掉高頻分量的同時(shí)會(huì)濾掉脈沖邊沿的高頻分量,從而使接收的回波信號(hào)發(fā)生畸變,故鎖定放大器不可取。取樣積分適合復(fù)雜的寬帶周期信號(hào)波形的檢測(cè)。本課題將采用取樣積分對(duì)接收回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),此方法又稱(chēng)為門(mén)控相關(guān)檢測(cè),此方法是針對(duì)
19、噪聲的隨機(jī)性,對(duì)接收回來(lái)的回波信號(hào)進(jìn)行積分平均從而提高其信噪比,達(dá)到提取微弱信號(hào)的目的。 圖3.3微功率雷達(dá)接收電路原理框圖3.2.5 進(jìn)行電路仿真及調(diào)試完成微功率沖擊雷達(dá)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅只是設(shè)計(jì)硬件電路及制作電路板,更重要的是對(duì)電路板的調(diào)試。通過(guò)對(duì)電路板的調(diào)試可以確定電路的可行性,也會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題并進(jìn)行改正,實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),從而可以使電路更好的應(yīng)用到實(shí)際生活中。4 設(shè)計(jì)的基本要求及進(jìn)度安排 第1-2周:認(rèn)真審題,搜集與題目有關(guān)的資料,理解相關(guān)背景知識(shí)。 第3-6周:熟悉相關(guān)電路原理,制定初步方案。 第7-10周:進(jìn)行電路設(shè)計(jì),通過(guò)軟件仿真,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。 第11-16
20、周:完成PCB制作,進(jìn)行調(diào)試。 第17-19周:總結(jié)經(jīng)驗(yàn),完成論文,準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。參考文獻(xiàn)1 Droitcour A D,Lubecke V M and Lin J,et al.A Microwave Radio for Doppler Radar Sensing of Vital SignsC.2001 IEEE MIT-S International Microwave Symposium. Phoenix:2001,1:175-178.2 Droitcour A D,Boric-Lubecke O and Libecke V M,et a1.0.25um CMOS and BiCMOS
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