用于生物电信号采集的低噪声斩波稳定模拟前端的设计与实现

来源 :上海交通大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:Tianic
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自从生物电学说建立以来,生物电信号已经成为了医疗监护与诊断的重要手段。而随着人口老龄化日益严重,传统的生物电信号采集设备已无法满足日常实时便携的监测需求,因此便携式采集设备成为了未来医疗监护系统的发展趋势。作为便携式设备中采集电极与后续电路的接口电路,模拟采集前端的性能决定着信号采集的质量。因此,生物电信号采集前端需要解决低噪声、低功耗、高输入阻抗、高共模抑制比等诸多挑战。本课题研究的主要内容是一款用于多种生物电信号的采集芯片的设计。首先,本文对生物电信号模拟采集前端进行了大量的调研,并结合生物电信号的特征,确定了电路的性能指标和电路架构。然后,本文对开环斩波稳定放大器的各个子模块进行了分析与设计,包括斩波调制器、虚拟电阻、跨导放大器以及阻抗提升回路。相较于现有研究,本文主要的创新点有:第一,放大器采用了开环全局斩波调制,有效地抑制了放大器整体的噪声与器件失配;第二,跨导放大器中采用了伪浮栅以实现输出级推挽式工作模式,增加输出级驱动能力;第三,放大器中加入阻抗提升回路以抑制斩波调制对于输入阻抗的影响,提高信号采集质量。本芯片在XFAB 0.35μm CMOS工艺下进行版图设计并流片。经过后仿验证,模拟采集前端在3 V供电下消耗的电流为7.84μA,输入参考噪声为0.67μVrms(0.5-150 Hz),输入阻抗在20 Hz处达到了15.7MΩ,增益实现了46-64 dB可调,高通截止频率小于0.2 Hz,低通截止频率则为60-200 Hz可调,共模抑制比在50 Hz处达到了131 dB,电源抑制比在50 Hz处则达到了104 dB,而电路噪声能效比为8.9,电路在低功耗下达到了良好的性能。
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