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脉搏和血氧饱和度传感器芯片的研究

脉搏和血氧饱和度传感器芯片的研究

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作者：胡雄伟天津工业大学

学位级别：硕士

随着半导体技术和现代传感技术的迅速发展及广泛应用,医疗检测设备也越来越微型化、集成化及智能化。因此利用半导体技术来研究一种脉搏和血氧饱和度的测量电路极为重要。本文把测量系统电路集成到芯片上,能够降低测量系统的噪声、功耗... 详细信息

随着半导体技术和现代传感技术的迅速发展及广泛应用,医疗检测设备也越来越微型化、集成化及智能化。因此利用半导体技术来研究一种脉搏和血氧饱和度的测量电路极为重要。本文把测量系统电路集成到芯片上,能够降低测量系统的噪声、功耗和体积,满足便携式医疗设备的要求。采用UMC 0.18μm的CMOS标准工艺设计一种脉搏和血氧饱和度传感器芯片,芯片内部电路包括两个模块:脉搏血氧测量电路和流水线模数转换器(Pipelined Analog to digital converter,Pipelined ADC)。本文首先了介绍朗伯-比尔定律(Lambert-Beer),重点分析了反射式血氧饱和度的测量原理,得到了设计芯片电路的理论模型。然后设计脉搏和血氧饱和度传感器芯片电路。脉搏血氧测量电路主要包括前置放大电路、抑制基漂电路、带通滤波电路和二级放大电路,并依次对各个子电路的性能指标进行仿真。12位Pipelined ADC的关键电路的设计,主要包括采样开关电路,高速比较器,电压基准源,乘法模数转换器(Multiplicative analog to digital converter,MDAC)单元和数字校准电路。最后分别对两个模块电路进行仿真,并且设计芯片版图。在1.8V的工作电压下,测量电路在带宽(6.5Hz～8.5kHz)范围内的系统增益为63dB,等效输入积分噪声为22.326μV,功耗为42.7mW。这样可有效减小测量系统的噪声,降低和抑制带外噪声,且能减小测量系统整体面积,适合对微弱幅度的生物医学信号的处理。Pipelined ADC的分辨率为12位,采样速率为1MHz,在 9.303kHz 的输入正弦信号下,SNR 为 68.2016dB、SNDR 为 61.7818dB、SFDR为 64.2785dB,ENOB=10.9bit。

关键词：测量电路低噪声脉搏生理信号血氧饱和度

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