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微电子学与计算机 2018年第8期35卷 31-35页

作者：秦政董阳涛赵梦恋吴晓波浙江大学超大规模集成电路设计研究所浙江杭州310027

设计了一种用于扩增生物电信号的低功耗高精度电容耦合斩波仪表放大器.通过斩波来减少失调和1/f噪声,并且利用带有斩波型Ping-Pong结构自调零拓扑的纹波抑制环路来减小由于调制失调电压和1/f噪声而产生的纹波.利用上述结构,斩波纹波在... 详细信息

设计了一种用于扩增生物电信号的低功耗高精度电容耦合斩波仪表放大器.通过斩波来减少失调和1/f噪声,并且利用带有斩波型Ping-Pong结构自调零拓扑的纹波抑制环路来减小由于调制失调电压和1/f噪声而产生的纹波.利用上述结构,斩波纹波在放大器的输出级可衰减约40dB.采用带有较大时间常数的直流伺服环路可以有效抑制电极失调,同时采用正反馈环路来提高输入阻抗.该仪表放大器采用SMIC 0.18μm CMOS工艺进行设计.针对EEG或ECG等信号的特点,将放大器-3dB带宽设置为1kHz.仿真结果表明,它的等效输入噪声功率谱密度为32nV/,噪声效率因数为2.1,共模抑制比为105dB,并且在1V电压供电下,供电电流达到2.8μA.

关键词：电容耦合斩波仪表放大器纹波抑制环路斩波型Ping-Pong结构自调零拓扑噪声效率因数

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一种有线传输的生物信号获取模拟前端设计

一种有线传输的生物信号获取模拟前端设计

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作者：华天源西安电子科技大学

学位级别：硕士

人们对自身健康的关注越来越多,而现有医疗资源仍存在总量不足与分布不均的问题,能够满足人们实时掌握自身健康状况的各种便携、袖珍、智能的生命体征检测设备受到了广泛的关注。低噪声、低功耗、抗干扰能力强的生物信号获取模拟前端作... 详细信息

人们对自身健康的关注越来越多,而现有医疗资源仍存在总量不足与分布不均的问题,能够满足人们实时掌握自身健康状况的各种便携、袖珍、智能的生命体征检测设备受到了广泛的关注。低噪声、低功耗、抗干扰能力强的生物信号获取模拟前端作为前述设备的关键模块具有非常大的研究价值。相比于无线传输方案,有线传输方案的抗干扰能力更强、成本更低,且不存在续航问题。又介于USB Type-C接口的广泛普及与耳机线接口逐渐被放弃的现状,本文设计了一种基于USB Type-C接口的有线传输生物信号获取模拟前端。该前端主要包括斩波仪表放大器、可编程增益放大器、低通滤波器和SAR ADC等四个电路模块,其中的前三个电路模块组成了低噪声生物信号放大器并进行了流片。斩波仪表放大器由核心电路——电容耦合斩波仪表放大器与预充电电路、右腿驱动电路、数字控制直流伺服环路等辅助环路构成。本文设计的数字控制直流伺服环路与传统的模拟直流伺服环路相比具有更快的校准速度,结合后端包含快速恢复电路的可编程增益放大器,能够实现直流失调的完全消除和整体电路的快速建立与快速恢复。采用该数字控制直流伺服环路的低噪声生物信号放大器能应对输入端高达±511m V的直流失调,并且在拥有如此宽的直流失调校准范围的同时具有相当好的噪声性能,不存在传统模拟直流伺服环路中失调消除范围与噪声性能的折衷。另外,本文设计的可编程增益放大器利用双重偏置伪电阻实现了在增益变换同时频率特性保持不变的功能,能够有效防止可编程增益放大器在增益变换时造成低频生物信号损失。本文在SMIC 0.18μm 1P6M标准CMOS工艺下完成了有线传输生物信号获取模拟前端的电路设计,对其中由斩波仪表放大器、可编程增益放大器与低通滤波器组成的低噪声生物信号放大器进行了版图设计与流片验证,芯片的面积为1404.6μm×1005.6μm,其中核心电路面积为849μm×451μm。对低噪声生物信号放大器的后仿表明,其在1.2V供电电压下的功耗为4.5μW。输入阻抗被预充电电路提升到2GΩ。其输入等效噪声与数字控制直流伺服环路产生的校准电压有关,当校准电压为零时,等效输入噪声最小,为0.67μVrms;当校准电压为最大的300m V时(在实际应用中),等效输入噪声最大,为1.49μVrms。可变增益放大器的高通截止频率在20/14/8/6d B等四种增益下始终保持在0.4Hz左右。SAR ADC的快速傅里叶分析表明其信号噪声失真比为58.35d B,量化有效位数达到了9.4-bit。

关键词：模拟前端电容耦合斩波仪表放大器数字控制直流伺服环路可编程增益放大器

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