低功耗心电信号预处理电路的研究与设计

发布时间：2017-10-31 12:28

  本文关键词：低功耗心电信号预处理电路的研究与设计

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【摘要】：近十年来,随着环境的恶化和物质生活水平的提高,人们越来越关注自身和家人的身体健康状况,集成电路和医学工程的迅猛发展为此提供了良好的解决方案——生物医学芯片。心电信号是生物医学信号里最重要的信号之一,能实时的反应人体的健康状况,所以监测心电信号能有效的将人体的实时状态数字化的体现出来。低功耗的心电信号预处理电路是个人健康信息采集系统的最前端为最关键的模块之一。基于此,本文在对心电信号的特征和其复杂的采集环境的分析的基础上,采用了低功耗低噪声技术,设计了一款用于体域网(Body Area Network,BAN)的低功耗心电信号预处理电路。主要包括以下内容:首先,采用伪电阻技术、T型反馈回路、亚阈值和电流平衡放大技术,设计了交流耦合电容反馈式和高共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR)前置放大器,并采用SMIC 0.18μm CMOS工艺对所设计的前置放大器进行了仿真。仿真结果显示,所设计的低功耗低噪声放大器等效输入噪声在大于0.1Hz时小于1.72μV/Hz,交流耦合电容反馈式放大器在通带内放大倍数为39.8倍,高CMRR前置放大器在低频处的CMRR为117dB。其次,在分析集成滤波器电路设计方法的基础上,分别设计了二阶有源带通滤波器、gmC高阶带通滤波器、有源型50Hz陷波滤波器和gmC型50Hz陷波滤波器,并采用SMIC 0.18μm CMOS工艺对所设计的滤波器进行了仿真。仿真结果显示,有源型带通滤波器的带通频率范围为0.1Hz-158.3Hz,gmC型50Hz陷波滤波器的中心陷波频率为50Hz,衰减幅度为-44dB。最后,本文对带二阶带隙基准的线性稳压器偏置电路和增益可调推挽输出后级放大器等心电信号预处理电路的核心模块进行了设计,并结合本文所设计的低噪声低功耗高CMRR前置放大器以及二阶有源带通和gmC型50Hz陷波滤波器,设计给出了一款低功耗心电信号预处理电路,并采用SMIC 0.18μm CMOS工艺对所设计心电信号预处理电路进行仿真验证。仿真结果表明,采用1.8V单电源供电,平均功耗约为1.46μW。通带频率范围为0.066Hz-154.6Hz,中心陷波频率为50Hz,其衰减幅度为-48.9dB,默认通带放大倍数为45.9dB,输入等效噪声小于40μV/Hz。能实现放大心电信号和滤除其他干扰的作用,基本满足应用于BAN的心电信号采集系统的要求。
【关键词】：心电信号 低功耗 BAN 陷波器 带隙基准 预处理
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN911.7;TN702
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 心电信号预处理电路国内外研究现状11-14
• 1.3 主要工作和结构安排14-15
• 第2章 心电信号预处理电路的性能分析15-32
• 2.1 心电信号及采集电极简介15-19
• 2.1.1 心电信号简介15-16
• 2.1.2 采集电极16-19
• 2.2 心电信号预处理电路的难点19-22
• 2.3.1 心电信号自身特性的影响19
• 2.3.2 失调电压的影响19-20
• 2.3.3 其他干扰的影响20-22
• 2.3.4 低功耗的应用要求22
• 2.3 心电信号预处理电路的性能分析22-31
• 2.3.1 心电信号预处理电路的性能分析22-23
• 2.3.2 噪声源及噪声类型23-26
• 2.3.3 低噪声设计分析26-27
• 2.3.4 低失调电压设计分析27-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 心电信号预处理的前置放大器子电路设计32-48
• 3.1 仪表放大器及“交流耦合电容反馈式”放大器分析32-33
• 3.2“交流耦合电容反馈式”放大器的电路设计33-43
• 3.2.1 高阻值的伪电阻设计34-35
• 3.2.2 低噪声低功耗放大器的设计35-39
• 3.2.3 交流耦合电容反馈式放大器电路设计39-42
• 3.2.4 交流耦合电容反馈式放大器版图设计及仿真验证42-43
• 3.3 高CMRR放大器的设计43-47
• 3.3.1 高CMRR放大器的电路设计43-45
• 3.3.2 高CMRR放大器的版图设计及仿真验证45-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 心电信号预处理的带通及陷波滤波器子电路设计48-58
• 4.1 带通滤波器设计48-53
• 4.1.1 二阶有源带通滤波器设计48-51
• 4.1.2 高阶gmC带通滤波器设计51-53
• 4.2 陷波滤波器设计53-57
• 4.2.1 有源型陷波滤波器设计53-55
• 4.2.2 gmC型陷波滤波器设计55-57
• 4.3 本章小结57-58
• 第5章 心电信号预处理电路总体电路设计58-81
• 5.1 低功耗心电信号预处理电路的整体电路设计58-59
• 5.2 电流偏置及电压偏置59-71
• 5.2.1 电流偏置设计59-60
• 5.2.2 电压偏置设计60-71
• 5.3 后级放大器设计71-76
• 5.3.1 Class-AB型输出放大器设计71-74
• 5.3.2 增益可调后级放大器设计74-76
• 5.4 低功耗心电信号预处理电路的整体版图设计及电路仿真76-80
• 5.5 本章小结80-81
• 第6章 全文工作总结与展望81-83
• 6.1 全文工作总结81-82
• 6.2 工作展望82-83
• 参考文献83-88
• 致谢88-89
• 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果89

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 王娟;陈皇宇;;基于智能健康管理系统新模式的进展与趋势[J];微型电脑应用;2012年01期

2 桂静宜;;二阶有源低通滤波电路的设计与分析[J];电子科技;2010年10期

3 魏彬;贾存良;;脑电信号预处理电路的设计[J];中国组织工程研究与临床康复;2007年22期

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本文编号：1122386