用于生物医疗设备的超低功耗模拟前端电路关键技术研究
发布时间：2021-01-04 00:44
可穿戴医疗电子设备的迅猛发展促进了远程医疗、智慧医院等新型医疗模式的快速成长,推进了我国先进医疗和健康产业的发展。无线体域网（WBAN）、低功耗集成电路、柔性传感器等技术发展与应用为可穿戴医疗设备提供了小型化、低功耗的解决方案。生理电信号采集模拟前端电路是可穿戴医疗设备的重要组成部分,其性能决定了信号获取的质量、处理精度、干扰抑制能力等,低功耗、小体积、高性能的模拟前端电路已经成为未来先进电子领域的重要发展方向。生理电信号的频率低、幅值小,对模拟前端电路的噪声性能、芯片面积等提出了严苛的要求。此外,生物电极、人体运动、工频电源线等引入的各种干扰会严重影响采集信号的质量,对高性能信号采集处理电路的实现带来了较大挑战。本文研究了生理电信号采集处理的关键技术,重点阐述了模拟前端电路低功耗、低噪声技术以及干扰消除技术,突破了高性能、小体积、长续航可穿戴模拟前端集成电路的关键技术瓶颈,实现了生理电信号采集模拟前端电路整体性能的有效提升。本文首先给出了生理电信号特征与生物电极类型,阐述了生理电信号的电路采集方案与关键技术问题,并推导出了模拟前端电路指标要求。研究了电路系统与晶体管级的噪声优化方法,...
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图4.21时序功耗对比的Matlab仿真结果
利用对称、插指等结构减小电容之间的失配。SARADC 电容阵列中单端电容为 6.22pF，整体电容阵列中的电容为 12.44pF。图4.22 开关时序的蒙特卡洛仿真结果samplesample ~sampleC1C2VDDM1M2M3M5M6M8M9M10M11M12VinVoutMS~sampleM4M7M13M14C3图4.23 两倍栅压自举采样保持电路为了提升 SARADC 的采样保持电路在低电源供电时的线性度，同时降低采保开关的导通电阻，本文提出了一种两倍栅压自举采样保持电路[83]。该电路可保持开关MOS 管的导通栅-源电压为两倍的电源电压。图 4.23 给出了两倍栅压自举采样保持电路。在时钟低电平时，C1和 C2将 M13管的栅极电压提高到两倍电源电压，同时在时钟高电平 C2将信号提升一个电源电压，并经过 M4输入到 C3电容下极板，C3将输出
残余的失调主要由斩波开关的电荷注入引入，同时测试所使用的低通滤波器不能完全消除斩波频率处的噪声，对等效失调测试结果造成影响。图4.28 斩波放大器等效输入失调电压1/f corner=2HzNoise density 130nV/rtHzIntegrated noise = 4.3μVrms(0.5-1kHz)图4.29 斩波仪表放大器的噪声噪声功率谱密度仪表放大器的噪声是电路主要的噪声源，图 4.29 给出了斩波仪表放大器的测试噪声功率谱密度。由图可知，斩波调制技术有效消除了仪表放大器的 1/f 噪声，1/f噪声的转角频率降低至 2Hz 附近，残余的 1/f 噪声主要是由于放大器的直流增益衰减导致，同时斩波放大器输出级也对的 1/f 噪声有一定贡献。在 50Hz 频点处电路噪声密度为 130nV/rtHz，在信号带内（0.5Hz-1kHz）积分噪声为 4.3μVrms。根据前端仪
【参考文献】：
期刊论文
[1]A multi-channel analog IC for in vitro neural recording[J]. 袁丰,王志功,吕晓迎. Journal of Semiconductors. 2016(02)
[2]An energy-efficient and highly linear switching capacitor procedure for SAR ADCs[J]. 马瑞,白文彬,朱樟明. Journal of Semiconductors. 2015(05)
本文编号：2955806
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图4.21时序功耗对比的Matlab仿真结果
利用对称、插指等结构减小电容之间的失配。SARADC 电容阵列中单端电容为 6.22pF，整体电容阵列中的电容为 12.44pF。图4.22 开关时序的蒙特卡洛仿真结果samplesample ~sampleC1C2VDDM1M2M3M5M6M8M9M10M11M12VinVoutMS~sampleM4M7M13M14C3图4.23 两倍栅压自举采样保持电路为了提升 SARADC 的采样保持电路在低电源供电时的线性度，同时降低采保开关的导通电阻，本文提出了一种两倍栅压自举采样保持电路[83]。该电路可保持开关MOS 管的导通栅-源电压为两倍的电源电压。图 4.23 给出了两倍栅压自举采样保持电路。在时钟低电平时，C1和 C2将 M13管的栅极电压提高到两倍电源电压，同时在时钟高电平 C2将信号提升一个电源电压，并经过 M4输入到 C3电容下极板，C3将输出
残余的失调主要由斩波开关的电荷注入引入，同时测试所使用的低通滤波器不能完全消除斩波频率处的噪声，对等效失调测试结果造成影响。图4.28 斩波放大器等效输入失调电压1/f corner=2HzNoise density 130nV/rtHzIntegrated noise = 4.3μVrms(0.5-1kHz)图4.29 斩波仪表放大器的噪声噪声功率谱密度仪表放大器的噪声是电路主要的噪声源，图 4.29 给出了斩波仪表放大器的测试噪声功率谱密度。由图可知，斩波调制技术有效消除了仪表放大器的 1/f 噪声，1/f噪声的转角频率降低至 2Hz 附近，残余的 1/f 噪声主要是由于放大器的直流增益衰减导致，同时斩波放大器输出级也对的 1/f 噪声有一定贡献。在 50Hz 频点处电路噪声密度为 130nV/rtHz，在信号带内（0.5Hz-1kHz）积分噪声为 4.3μVrms。根据前端仪
【参考文献】：
期刊论文
[1]A multi-channel analog IC for in vitro neural recording[J]. 袁丰,王志功,吕晓迎. Journal of Semiconductors. 2016(02)
[2]An energy-efficient and highly linear switching capacitor procedure for SAR ADCs[J]. 马瑞,白文彬,朱樟明. Journal of Semiconductors. 2015(05)
本文编号：2955806
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