基于ECG信号采集模块的高性能模拟前端电路的研究与设计
发布时间：2021-01-13 06:02
近年来,集成电路产业的发展到了瓶颈期,这就要求人们继续探索新的发展方向,近期的生物医疗与集成电路的结合成为了比较热门的研究课题。随着生物技术、心脑血管学和微电子技术的相互结合以及快速发展,ECG信号的采集、记录等技术在心脑血管疾病的预防和治疗中发挥着愈来愈重要的作用。其中构成ECG信号采集模块的模拟前端电路受到了越来越多的关注。心电信号一般在几十μV到数mV之间,频率分布在300Hz以内,极易受外界干扰。本课题针对这一问题选取了合适的电路结构,设计出了一款应用于ECG信号采集模块的模拟前端电路芯片。整个模拟前端电路主要包括仪表放大器和Sigma-Delta调制器组成。本课题根据应用于生物医学中前端电路的要求,主要的研究工作包括以下几个方面:仪表放大器的高共模抑制比、低噪声、高输入阻抗设计和Sigma-Delta调制器的高精度设计以及整体电路的低功耗研究与设计。首先对引起电路的噪声因素进行理论分析和手工计算,然后由计算出来的结果确定了仪表放大器和Sigma-Delta调制器的设计指标,并选择合适的整个电路的架构。本设计采用SMIC 0.18μm CMOS工艺,整个电路设计流程利用gm/I...
【文章来源】：福州大学福建省 211工程院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１传统三运放结构的ＩＡ??
因为其输出不仅包含差模信号，而且包含共模信号，当运放Ａ１和Ａ２工作在高增益??模式下，电源电压越低共模输入范围就越低［１５］。三运放结构的一个优点是可以通过调??节图２－１中电阻Ｒ４实现ＣＭＲＲ的最大值。双运放结构的ＩＡ电路如图２－２所示。与??三运放结构相比，双运放结构的ＩＡ显著优点就是只需要两个运算放大器，节省了芯??片面积和功耗。图２－２电路的输出电压可以表示为公式（２－２）。??Ｒ４?Ｒ３?Ｒ１?Ｒ２???Ｗ?Ｍ?ＡＶ－???ＭＸ??Ａ１?＞—Ｊ?Ａ２?＞￣Ｌ－〇??ｊｔ—ｒ—??０Ｖｉｎ＋?Ｚ＾?Ｖｉｎ－吖??图２－２传统双运放结构的ＩＡ??１＋￡ａ??ｖｏｕｔ＝?ａ?＋?＾）?（Ｖ＾－＾Ｖ＾）?公式（２－２）??由公式（２－２）可知，只有在ｆ?＝?时，双运放ＩＡ才能作为标准的差分运放，这种??尺４?尺２??对电阻的依赖性也限制了双运放ＩＡ的应用。??电容耦合结构的ＩＡ通常和斩波调制技术相结合。简单电容耦合ＩＡ如图２－３所??示，电路主要由运算跨导放大器（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ－Ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ?Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，?ＯＴＡ）和稱合电??容组成。该电路的增益可表示为公式（２－３）。??Ｃｆ?ＣＨ３??——＾??Ｖｃ〇ｍ????ｃｍ?４?＾?ｒｒｉｈ??°￣ＩＩ￣Ｏ?￣Ｋ７ｎ?￣°??Ｖｉｎ?Ｙ?ＯＴＡ１?Ｙ?ＯＴＡ２?Ｖｏｕｔ??〇?１｜￣１／－Ｊ?＋?ｔ?ｉ?－Ｏ??Ｃｉｎ?ＣＨ１：：Ｒ?ＣＨ２??＜？?Ｖｃｍ?Ｃｍｌ??图２－３电容耦合结构的ＩＡ??Ａｙ＝Ｃ－ｆ?公式（２－３）??７??
因为其输出不仅包含差模信号，而且包含共模信号，当运放Ａ１和Ａ２工作在高增益??模式下，电源电压越低共模输入范围就越低［１５］。三运放结构的一个优点是可以通过调??节图２－１中电阻Ｒ４实现ＣＭＲＲ的最大值。双运放结构的ＩＡ电路如图２－２所示。与??三运放结构相比，双运放结构的ＩＡ显著优点就是只需要两个运算放大器，节省了芯??片面积和功耗。图２－２电路的输出电压可以表示为公式（２－２）。??Ｒ４?Ｒ３?Ｒ１?Ｒ２???Ｗ?Ｍ?ＡＶ－???ＭＸ??Ａ１?＞—Ｊ?Ａ２?＞￣Ｌ－〇??ｊｔ—ｒ—??０Ｖｉｎ＋?Ｚ＾?Ｖｉｎ－吖??图２－２传统双运放结构的ＩＡ??１＋￡ａ??ｖｏｕｔ＝?ａ?＋?＾）?（Ｖ＾－＾Ｖ＾）?公式（２－２）??由公式（２－２）可知，只有在ｆ?＝?时，双运放ＩＡ才能作为标准的差分运放，这种??尺４?尺２??对电阻的依赖性也限制了双运放ＩＡ的应用。??电容耦合结构的ＩＡ通常和斩波调制技术相结合。简单电容耦合ＩＡ如图２－３所??示，电路主要由运算跨导放大器（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ－Ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ?Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，?ＯＴＡ）和稱合电??容组成。该电路的增益可表示为公式（２－３）。??Ｃｆ?ＣＨ３??——＾??Ｖｃ〇ｍ????ｃｍ?４?＾?ｒｒｉｈ??°￣ＩＩ￣Ｏ?￣Ｋ７ｎ?￣°??Ｖｉｎ?Ｙ?ＯＴＡ１?Ｙ?ＯＴＡ２?Ｖｏｕｔ??〇?１｜￣１／－Ｊ?＋?ｔ?ｉ?－Ｏ??Ｃｉｎ?ＣＨ１：：Ｒ?ＣＨ２??＜？?Ｖｃｍ?Ｃｍｌ??图２－３电容耦合结构的ＩＡ??Ａｙ＝Ｃ－ｆ?公式（２－３）??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国半导体的崛起要靠坚持不懈的自身努力[J]. 莫大康. 集成电路应用. 2017(03)
[2]一种适用于心电信号检测的斩波前置放大器[J]. 段吉海,郝强宇,徐卫林,韦保林. 微电子学. 2016(01)
[3]应用FFT计算△Σ调制器信噪比的分析[J]. 欧书琴,陈军. 安徽科技学院学报. 2015(02)
[4]0.18μm CMOS工艺下全摆幅恒跨导放大器设计[J]. 李晓潮,周志新,叶隽,郭东辉. 华中科技大学学报(自然科学版). 2014(04)
[5]采用最大电流选择的恒定跨导Rail-to-RailCMOS运放输入级[J]. 陈斯,恽廷华. 电路与系统学报. 2006(06)
[6]LVS版图验证方法的研究[J]. 石春琦,吴金,常昌远,魏同立. 电子器件. 2002(02)
博士论文
[1]高精度Sigma-Delta调制器研究及ASIC实现[D]. 曹桂平.中国科学技术大学 2012
[2]高性能sigma-delta ADC的设计与研究[D]. 李迪.西安电子科技大学 2010
硕士论文
[1]用于音频编码的sigma-delta调制器研究与CMOS设计[D]. 彭何.西南科技大学 2017
[2]4阶全差分sigma-delta调制器设计与研究[D]. 屠卫洁.苏州大学 2015
[3]用于植入式生物医疗系统的高性能仪表放大器的研究与设计[D]. 孙鹏.浙江大学 2013
[4]高精度∑△ADC设计[D]. 宋璧若.西安电子科技大学 2013
[5]用于植入式神经信号记录的低噪声低功耗高精度仪表放大器的研究与设计[D]. 范锐.浙江大学 2012
[6]轨到轨CMOS运算放大器研究与设计[D]. 齐步坤.天津大学 2009
[7]一种16位音频Sigma-Delta模数转换器的研究与设计[D]. 王其超.西安电子科技大学 2009
本文编号：2974356
【文章来源】：福州大学福建省 211工程院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１传统三运放结构的ＩＡ??
因为其输出不仅包含差模信号，而且包含共模信号，当运放Ａ１和Ａ２工作在高增益??模式下，电源电压越低共模输入范围就越低［１５］。三运放结构的一个优点是可以通过调??节图２－１中电阻Ｒ４实现ＣＭＲＲ的最大值。双运放结构的ＩＡ电路如图２－２所示。与??三运放结构相比，双运放结构的ＩＡ显著优点就是只需要两个运算放大器，节省了芯??片面积和功耗。图２－２电路的输出电压可以表示为公式（２－２）。??Ｒ４?Ｒ３?Ｒ１?Ｒ２???Ｗ?Ｍ?ＡＶ－???ＭＸ??Ａ１?＞—Ｊ?Ａ２?＞￣Ｌ－〇??ｊｔ—ｒ—??０Ｖｉｎ＋?Ｚ＾?Ｖｉｎ－吖??图２－２传统双运放结构的ＩＡ??１＋￡ａ??ｖｏｕｔ＝?ａ?＋?＾）?（Ｖ＾－＾Ｖ＾）?公式（２－２）??由公式（２－２）可知，只有在ｆ?＝?时，双运放ＩＡ才能作为标准的差分运放，这种??尺４?尺２??对电阻的依赖性也限制了双运放ＩＡ的应用。??电容耦合结构的ＩＡ通常和斩波调制技术相结合。简单电容耦合ＩＡ如图２－３所??示，电路主要由运算跨导放大器（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ－Ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ?Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，?ＯＴＡ）和稱合电??容组成。该电路的增益可表示为公式（２－３）。??Ｃｆ?ＣＨ３??——＾??Ｖｃ〇ｍ????ｃｍ?４?＾?ｒｒｉｈ??°￣ＩＩ￣Ｏ?￣Ｋ７ｎ?￣°??Ｖｉｎ?Ｙ?ＯＴＡ１?Ｙ?ＯＴＡ２?Ｖｏｕｔ??〇?１｜￣１／－Ｊ?＋?ｔ?ｉ?－Ｏ??Ｃｉｎ?ＣＨ１：：Ｒ?ＣＨ２??＜？?Ｖｃｍ?Ｃｍｌ??图２－３电容耦合结构的ＩＡ??Ａｙ＝Ｃ－ｆ?公式（２－３）??７??
因为其输出不仅包含差模信号，而且包含共模信号，当运放Ａ１和Ａ２工作在高增益??模式下，电源电压越低共模输入范围就越低［１５］。三运放结构的一个优点是可以通过调??节图２－１中电阻Ｒ４实现ＣＭＲＲ的最大值。双运放结构的ＩＡ电路如图２－２所示。与??三运放结构相比，双运放结构的ＩＡ显著优点就是只需要两个运算放大器，节省了芯??片面积和功耗。图２－２电路的输出电压可以表示为公式（２－２）。??Ｒ４?Ｒ３?Ｒ１?Ｒ２???Ｗ?Ｍ?ＡＶ－???ＭＸ??Ａ１?＞—Ｊ?Ａ２?＞￣Ｌ－〇??ｊｔ—ｒ—??０Ｖｉｎ＋?Ｚ＾?Ｖｉｎ－吖??图２－２传统双运放结构的ＩＡ??１＋￡ａ??ｖｏｕｔ＝?ａ?＋?＾）?（Ｖ＾－＾Ｖ＾）?公式（２－２）??由公式（２－２）可知，只有在ｆ?＝?时，双运放ＩＡ才能作为标准的差分运放，这种??尺４?尺２??对电阻的依赖性也限制了双运放ＩＡ的应用。??电容耦合结构的ＩＡ通常和斩波调制技术相结合。简单电容耦合ＩＡ如图２－３所??示，电路主要由运算跨导放大器（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ－Ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ?Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，?ＯＴＡ）和稱合电??容组成。该电路的增益可表示为公式（２－３）。??Ｃｆ?ＣＨ３??——＾??Ｖｃ〇ｍ????ｃｍ?４?＾?ｒｒｉｈ??°￣ＩＩ￣Ｏ?￣Ｋ７ｎ?￣°??Ｖｉｎ?Ｙ?ＯＴＡ１?Ｙ?ＯＴＡ２?Ｖｏｕｔ??〇?１｜￣１／－Ｊ?＋?ｔ?ｉ?－Ｏ??Ｃｉｎ?ＣＨ１：：Ｒ?ＣＨ２??＜？?Ｖｃｍ?Ｃｍｌ??图２－３电容耦合结构的ＩＡ??Ａｙ＝Ｃ－ｆ?公式（２－３）??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国半导体的崛起要靠坚持不懈的自身努力[J]. 莫大康. 集成电路应用. 2017(03)
[2]一种适用于心电信号检测的斩波前置放大器[J]. 段吉海,郝强宇,徐卫林,韦保林. 微电子学. 2016(01)
[3]应用FFT计算△Σ调制器信噪比的分析[J]. 欧书琴,陈军. 安徽科技学院学报. 2015(02)
[4]0.18μm CMOS工艺下全摆幅恒跨导放大器设计[J]. 李晓潮,周志新,叶隽,郭东辉. 华中科技大学学报(自然科学版). 2014(04)
[5]采用最大电流选择的恒定跨导Rail-to-RailCMOS运放输入级[J]. 陈斯,恽廷华. 电路与系统学报. 2006(06)
[6]LVS版图验证方法的研究[J]. 石春琦,吴金,常昌远,魏同立. 电子器件. 2002(02)
博士论文
[1]高精度Sigma-Delta调制器研究及ASIC实现[D]. 曹桂平.中国科学技术大学 2012
[2]高性能sigma-delta ADC的设计与研究[D]. 李迪.西安电子科技大学 2010
硕士论文
[1]用于音频编码的sigma-delta调制器研究与CMOS设计[D]. 彭何.西南科技大学 2017
[2]4阶全差分sigma-delta调制器设计与研究[D]. 屠卫洁.苏州大学 2015
[3]用于植入式生物医疗系统的高性能仪表放大器的研究与设计[D]. 孙鹏.浙江大学 2013
[4]高精度∑△ADC设计[D]. 宋璧若.西安电子科技大学 2013
[5]用于植入式神经信号记录的低噪声低功耗高精度仪表放大器的研究与设计[D]. 范锐.浙江大学 2012
[6]轨到轨CMOS运算放大器研究与设计[D]. 齐步坤.天津大学 2009
[7]一种16位音频Sigma-Delta模数转换器的研究与设计[D]. 王其超.西安电子科技大学 2009
本文编号：2974356
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