应用于生物阻抗测量的24位三阶四比特单环前馈增量式Σ-Δ ADC

作     者：孙傲然 陈长欢 陈阳 孙权 张杰 王晓飞 张鸿 

作者机构：西安交通大学微电子学院 西安航天民芯科技有限公司 

出 版 物：《集成电路与嵌入式系统》 (Integrated Circuits and Embedded Systems)

年 卷 期：2025年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 

基　　金：江苏省科技计划揭榜挂帅项目(BE2023005-5) 国家重点研发计划项目(2022YFC2404902) 

主　　题：生物阻抗测量 高阶增量式Σ-ΔADC 多比特量化 DWA算法 高精度测量 系统级斩波 

摘      要：生物阻抗测量技术是各种新兴医疗仪器进行医学诊断、健康监测的重要手段，而高精度的读出电路是实现精确诊断的关键。传统生物阻抗测量系统的读出电路常采用逐次逼近模数转换器（SAR ADC）实现，在不采用校准算法时，其精度通常不超过12位，无法满足日益提高的生物阻抗读出精度要求。针对该问题，本文设计了一款面向生物阻抗信号测量的24位增量式Σ-Δ ADC，采用三阶四比特单环前馈结构，在降低量化噪声的同时加快转换速度。在设计中使用数据加权平均（DWA）技术，降低了多比特反馈数模转换器（DAC）失配引起的非线性，显著提升ADC精度；采用系统级斩波消除ADC前端系统失调。另外，本文采用了可配置的数字滤波器设计，通过配置不同的过采样率（OSR），可实现测量时间与输出精度的灵活折衷。采用180 nm工艺对该ADC进行了流片验证，测试结果表明，在128个时钟周期的测量时长条件下（等效为128倍过采样率），ADC的有效位数达到17.8位，信噪比为108.89dB，总谐波失真为-113.29 dB，等效输入RMS噪声为2.95 μVRMS，工作时整体功耗为930 μW。