应用于脑电采集的低功耗低噪声斩波放大器芯片设计

发布时间：2020-03-21 00:32

【摘要】：近年来,随着微电子技术在生物医学领域的应用不断发展,这一交叉领域在学术界得到了越来越多的关注。在诸如生物电信号采集、脑机接口等重要应用中,对信号采集设备的体积、功耗、噪声等性能提出了非常高的要求。作为生物电信号采集系统中关键模块的模拟前端放大器,对系统整体性能有着决定性的影响,从而引起了研究人员的极大关注。目前,低功耗、低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比、高电源电压抑制比以及面积小是模拟前端放大器的主要关注点。本文主要针对植入式多通道脑电信号采集的应用,对相应的前端放大器电路模块进行了研究、分析与设计。主要工作包括:(1)针对植入式多通道脑电信号采集的应用场景进行了分析,从系统的角度出发,探讨了模拟前端放大电路的整体性能需求。基于闭环电容反馈结构设计了采用斩波稳定技术的多通道放大器系统,该放大器由两级放大电路、斩波开关构成。(2)针对植入式设备对于低噪声、低功耗的需求,在现有的用于优化NEF的电流复用结构的基础上,提出了一种新型的反相器堆叠电流复用结构。基于四级反相器堆叠,实现了一种具有低复杂度、低噪声效率因子等特点的四通道脑电信号采集的前端放大器芯片。使用UMC 0.18μm CMOS工艺对所提出的新型反相器堆叠电流复用结构前端放大器芯片进行设计,仿真结果表明所设计的放大器芯片在1.8V电源电压下,小号的总电流为198nA,-3dB带宽为5.41kHz,输入噪声功率谱密度为76.6nV/√Hz,增益为25.6dB,噪声效率因子和功耗效率因子分别为0.888和1.419。此外,与传统的正交电流复用结构相比,该反相器堆叠结构还具有无需电流重组电路,通道间串扰低,输出支路数目随堆叠层数线性增长的优势。这些优点使得反相器堆叠结构具有更低的复杂度、更好的性能以及实现更高阶的电流复用的可能性,令其成为一种更适合实现超低噪声效率因子的新一代多通道脑电信号放大器结构。
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第二章 系统级设计 MOS 管噪声分析拟信号会受到器件电子噪声和环境噪声两种类型的干扰，器件电子噪声来，环境噪声则来源于电源、地线、衬底的随机干扰。在模拟集成电路设计件电子噪声作为主要考虑的因素。OS 管中的噪声主要分为热噪声和闪烁噪声两种。热噪声的来源是导体中动，在 100THz 的频率以内其功率谱密度都是平坦的，，因此通常可将其视。热噪声可以用一个串联在电阻上的电压源或者一个并联在电阻上的电流于 MOS 器件来说，由于沟道电阻的存在，可以用一个并联于沟道电阻的 MOS 器件热噪声，如图 2-1(a)所示。

图 3-8 两种基准电路结构的仿真结果比较流源通过电流镜为放大电路提供偏置电流。为了抑制沟道长度共源共栅电流源作为放大电路的尾电流源，其电路结构如图 3中的 Vbiasp，可以为图 3-7(c)中的 PMOS 管提供栅极电压，将 流镜中。本文针对尾电流源对 VDD 的灵敏度进行了直流仿真。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN722;TN911.7;TN402;R318

【参考文献】

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1 柳渊;孙伟;严汉民;;高频振荡的采集和分析方法的研究[J];中国医学装备;2013年11期

本文编号：2592445