用于生物电信号检测的低噪声模拟前端设计

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轻量级、便携式可穿戴传感器设备的发展得益于半导体技术的持续发展。与传统的医疗设备相比,其体积和重量更小、功耗更低、能够为患者提供远程监测。因此,适用于生物电信号监测的系统,其发展前景和应用市场非常广阔。生物电信号采集系统的前端电路(AFE)是该监测系统中一个至关重要的模块,因为它决定了所采集到的信号质量,直接对系统性能造成影响。因此,需要设计性能良好的模拟前端电路。通过对生物电信号的幅频特性以及主要干扰特点的分析,设计了一款带宽增益可调、低噪声、高共模抑制比、适用于多种生物电信号获取的模拟前端电路。采集到的生物电信号需要进行放大和滤波,因此本文设计的模拟前端系统主要由低噪声前置放大器、可编程增益放大器(PGA)和低通滤波器(LPF)级联而成。低噪声前置放大器对生物电信号进行预防大,采用电容耦合负反馈结构,利用伪电阻与电容产生较低的高通截止频率来滤除电极的直流失调。对称性OTA在功耗、噪声和输出摆幅之间有很好的折中。可编程增益放大器使模拟前端电路增益可配置。电容输入式结构可以减小电阻带来的热噪声和MOS开关引入的非线性。低通滤波器滤除信号带外干扰,电流舵模块的引入使得低通滤波器不需要使用大电阻和大电容即可实现较低的截止频率,节省了芯片面积。采用标准130nm CMOS工艺,在1.2V单电源电压下,对所提出的生物电信号模拟前端系统进行设计与仿真。仿真结果显示:模拟前端电路增益两档可调,分别为34dB和48dB;带宽三档可调,分别为434.3mHz-1.057KHz、434.3mHz-124.2Hz、461.3mHz-57.97Hz,可用于肌电信号、心电信号和脑电信号的提取。模拟前端电路共模抑制比高达148dB,输入阻抗在0.5Hz处高达28.9GΩ,在50Hz处,输入阻抗为289.6 MΩ,高于设计要求。模拟前端电路的静态功耗为42μW,在0.5-100Hz频带内积分,等效输入噪声为4.4μVrms,版图面积约为0.18mm2,满足设计要求。
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