基于AFE应用的多路复用前置放大器关键技术研究
发布时间：2020-11-12 18:38
随着半导体技术开始应用在生物医学领域,“生物医学微电子技术”这门新的交叉学科也在迅速发展。而生物电信号采集系统就是利用该学科的相关技术将微电子学与现代医疗相结合,实现在家中对患者的实时监护,既缓解了医疗资源匮乏的现状,又大大提高了病人的生活质量。而模拟前端电路作为处理生物电信号的第一级,在生物电信号采集系统中具有重要作用。本文从生物电信号微弱,低频的特点切入,研究了一款用于采集生物电信号的多路复用模拟前端电路。本文首先介绍了模拟前端的研究背景与现状,接着详细的介绍了生物电信号与生物电极的概念,在此基础上分析了采集过程中会遇到的噪声与干扰。然后对电路的所有模块进行了详细的设计。其中,前置放大器的结构选用综合性能更好的电流反馈仪表放大器(CBIA),利用以负反馈形式连接的低通滤波器来消除低频噪声,并引入共模反馈(CMFB)电路来稳定共模输出。出于节省芯片面积的目的,增益级的设计由固定增益放大器与可变增益放大器组成,运放结构采用对称式OTA结构,通过改变可变增益级中开关电容的数量,可以获得不同的增益与带宽。复用器模块采用四选一数据选择器来完成选择性输出的功能。带隙基准源电路为模拟前端提供稳定的基准电压与电流。辅助模块设计中右腿驱动电路用来消除人体工频干扰,提高共模抑制比。导联监测电路可以实时监测电极的连接情况。最后我们对电路的输入阻抗进行了优化设计,提高了信号的精度。电路采用SMIC 0.18μm CMOS工艺,电源电压1.8V,在Cadence下进行了仿真验证。其中,前置放大器增益20dB,高通截止频率0.5Hz。可编程增益放大器有5种增益可选,分别为20dB,50.8dB,54.7dB,56.5dB和58.6dB。带宽分别为1360Hz,348Hz,231Hz,189Hz和152Hz。复用器的仿真结果表明电路根据不同的控制信号可以正确选择输出。带隙基准源电路的仿真结果显示基准电压和电流的温度漂移系数分别为9.87ppm/°C与12ppm/°C,在0-100Hz内的卷积噪声值为32nV,噪声性能优秀。在100Hz以内,基准源电路的PSRR为-88dB。最后对模拟前端进行了整体仿真,结果显示其增益40.5dB,75.8dB,77.7dB,78.7dB可调,带宽171Hz,234Hz,347Hz,1210Hz可调,高通截止频率0.5Hz,输入参考噪声1.75μV,蒙特卡洛模拟仿真显示模拟前端的CMRR为91dB。输入阻抗在使用电容正反馈结构进行优化后,提高到了2.6GΩ,有效的提高了信号精度。综上,本文设计的用于生物电信号采集的模拟前端电路满足了设计要求。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN722
【部分图文】：
过自身的无线体域网和其余通信网络与网络上的任意终端进行数据通信。如图 1.1 所示，该系统可以分为三层：无线体域网层，个体终端层和远程诊疗服务层。图1.1 无线体域网传输无线体域网层是便携式健康监测设备的基础，是最重要的一层，是所有传输的数据的来源，它由许多的智能生理传感器组成，比如心电传感器，脑电传感器，肌电传感器，血压传感器等[8]。这些生理传感器将采集到的生物电信号经过滤波，放大，模数转换后，经过本身的无线体域网进行处理，分析并传输到个人的手机，电脑等移动终端上。个人的移动终端层比如手机，电脑等，它的工作是将反映人体健康的生理数据进行保存，处理，也可以让被监测者实时的了解自身生理状况，进行简单的健康分析，还可以通过测量人体体温、心率等一些生理信息
西安电子科技大学硕士学位论文得联系，第一时间进行救治，这不仅大大节省了患者等待救援的现患者生理变化情况，变救治为预防，减少发病几率。现状生物电信号是反映人体生理活动的重要参数之一，通过这些生物员了解和诊断患者的病情。而读取这些生物电信号的装置就叫做Analog Front End），属于整个生物监测设备的第一级，结构如图
total代表的是电路中的总电流，BW 为带宽。图1.3 近 15 年模拟前端发展趋势从图 1.3 列出了近 15 年以来 NEF 参数的值在多通道（Multi-Channel）与单通道（Singel-channel）模拟前端上的发展趋势[13]。由上图可以发现随着 IC 技术的提高和全集成的实现，NEF 的值日益降低，并且多通道的生物信号读取电路也已经成为主流趋势，这意味这多重生物电信号的监测成为可能。在 2014 年，Shang-Lin Wu 等人在 IEEE 上发表了一款 16 通道，而且 NEF 低至 2.78，等效输入噪声为 0.826μVrms的模拟前端生物芯片[14]。而低功耗在模拟前端中也是极其重要的设计考量。比如应用于脑机接口中单通道脑电信号（EEG，ECG）采集系统的模拟前端电路[15]
【参考文献】
本文编号：2881092
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN722
【部分图文】：
过自身的无线体域网和其余通信网络与网络上的任意终端进行数据通信。如图 1.1 所示，该系统可以分为三层：无线体域网层，个体终端层和远程诊疗服务层。图1.1 无线体域网传输无线体域网层是便携式健康监测设备的基础，是最重要的一层，是所有传输的数据的来源，它由许多的智能生理传感器组成，比如心电传感器，脑电传感器，肌电传感器，血压传感器等[8]。这些生理传感器将采集到的生物电信号经过滤波，放大，模数转换后，经过本身的无线体域网进行处理，分析并传输到个人的手机，电脑等移动终端上。个人的移动终端层比如手机，电脑等，它的工作是将反映人体健康的生理数据进行保存，处理，也可以让被监测者实时的了解自身生理状况，进行简单的健康分析，还可以通过测量人体体温、心率等一些生理信息
西安电子科技大学硕士学位论文得联系，第一时间进行救治，这不仅大大节省了患者等待救援的现患者生理变化情况，变救治为预防，减少发病几率。现状生物电信号是反映人体生理活动的重要参数之一，通过这些生物员了解和诊断患者的病情。而读取这些生物电信号的装置就叫做Analog Front End），属于整个生物监测设备的第一级，结构如图
total代表的是电路中的总电流，BW 为带宽。图1.3 近 15 年模拟前端发展趋势从图 1.3 列出了近 15 年以来 NEF 参数的值在多通道（Multi-Channel）与单通道（Singel-channel）模拟前端上的发展趋势[13]。由上图可以发现随着 IC 技术的提高和全集成的实现，NEF 的值日益降低，并且多通道的生物信号读取电路也已经成为主流趋势，这意味这多重生物电信号的监测成为可能。在 2014 年，Shang-Lin Wu 等人在 IEEE 上发表了一款 16 通道，而且 NEF 低至 2.78，等效输入噪声为 0.826μVrms的模拟前端生物芯片[14]。而低功耗在模拟前端中也是极其重要的设计考量。比如应用于脑机接口中单通道脑电信号（EEG，ECG）采集系统的模拟前端电路[15]
【参考文献】
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本文编号：2881092
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