低功耗仪表放大器关键技术研究

发布时间：2023-03-04 17:06

　　对于慢性疾病来说,可穿戴式医疗设备的监控十分有效和及时,所以得到了越来越多的关注,而影响可穿戴式医疗设备的关键模块便是模拟前端的仪表放大器的性能。所以模拟前端应该被认真地设计以满足生物电信号的信号特征,它的输入阻抗和共模抑制比应该比较高,功耗应当比较低。目前大部分设计的输入阻抗都比较有限,对于共模抑制比和抑制电极失配的效果都较为一般。由于交流耦合型仪表放大器没有使用斩波器,不会引入电流噪声,而且功耗也较低,满足本论文的设计需求,因此本论文采用交流耦合型仪表放大器来实现功能。但是交流耦合型仪表放大器存在着高阻抗的负反馈电阻带来的低频闪烁噪声问题和输入阻抗很低的问题,为了提高输入阻抗以提高电路的共模抑制比和增强电路从电极获取生物信号的能力,所以本论文针对仪表放大器的输入阻抗而提出了一种采用片上自校准技术的交流耦合型仪表放大器。在完成了对片上自校准算法的建模与设计中的传输函数分析,输入阻抗的构成分析和仪表放大器中的难点分析之后,在0.18μm工艺下设计并完成了采用片上自校准技术的交流耦合仪表放大器(AC-Coupled Instrumentation Amplifier,IA),它的供电电源...

【文章页数】：85 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 研究现状
    1.3 论文结构与安排
第二章 生物电信号采集系统概述
    2.1 人体生物电信号
        2.1.1 脑电信号(EEG,EcoG和 LFP)
        2.1.2 心电图(ECG)
        2.1.3 肌电图(EMG)
        2.1.4 眼电图(EOG)
        2.1.5 皮肤电活动(EDA)
    2.2 生物医疗电极概述
        2.2.1 湿电极
        2.2.2 干电极
        2.2.3 容性电极
        2.2.4 非接触式电极
    2.3 仪表放大器概述
        2.3.1 仪表放大器的性能指标
            2.3.1.1 输入阻抗
            2.3.1.2 输入失调电压
            2.3.1.3 输入噪声
            2.3.1.4 共模抑制比
            2.3.1.5 带宽
            2.3.1.6 功率
            2.3.1.7 噪声效率因子
        2.3.2 仪表放大器的常见结构
            2.3.2.1 三运放结构
            2.3.2.2 开关电容结构
            2.3.2.3 电容耦合斩波型结构
            2.3.2.4 电流反馈结构
            2.3.2.5 电流模式结构
            2.3.2.6 交流耦合结构
        2.3.3 仪表放大器中的非理想因素
            2.3.3.1 失调电压
            2.3.3.2 闪烁噪声
            2.3.3.3 漂移
            2.3.3.4 运动伪迹
            2.3.3.5 有限的输入阻抗
            2.3.3.6 有限的共模抑制比
            2.3.3.7 电流噪声
        2.3.4 抑制失调的技术
            2.3.4.1 微调技术
            2.3.4.2 斩波技术
            2.3.4.3 自调零技术
    2.4 模数转换器概述
    2.5 本章总结
第三章 模拟前端电路的设计
    3.1 典型的交流耦合型结构
    3.2 交流耦合结构中跨导放大器的实现
        3.2.1 采用折叠式共源共栅结构的原因
        3.2.2 折叠式共源共栅跨导放大器的设计
            3.2.2.1 跨导放大器的低频增益与增益带宽积
            3.2.2.2 共模负反馈的实现
            3.2.2.3 噪声分析
    3.3 伪电阻的实现
    3.4 输入阻抗的提升
        3.4.1 正反馈环路
        3.4.2 正反馈环路中的问题
    3.5 本章总结
第四章 采用自校准技术的仪表放大器实现
    4.1 高输入阻抗的实现
        4.1.1 应用于片外电容的补偿的有源屏蔽
        4.1.2 应用于片上电容的自校准补偿技术
            4.1.2.1 交流耦合结构中的正反馈通路
            4.1.2.2 片上自校准的引入
    4.2 片上自校准技术的实现
        4.2.1 校准操作模式的分析
            4.2.1.1 校准操作中仪表放大器的传输函数
            4.2.1.2 校准操作模式输出信号与正反馈电容的关系
            4.2.1.3 校准信号的实现
            4.2.1.4 自校准算法的实现
        4.2.2 校准后放大模式的分析
            4.2.2.1 校准后放大模式中传输函数的分析
            4.2.2.2 输入阻抗的分析
    4.3 仿真结果
        4.3.1 折叠式共源共栅跨导放大器的仿真
            4.3.1.1 直流工作点仿真
            4.3.1.2 交流仿真
        4.3.2 仪表放大器的校准模式的仿真
            4.3.2.1 校准操作的输出信号的瞬态仿真
            4.3.2.2 正反馈电容阵列控制信号与标志位的瞬态仿真
        4.3.3 仪表放大器的校准后放大模式的仿真
            4.3.3.1 交流仿真
            4.3.3.2 噪声仿真
            4.3.3.3 输入阻抗仿真
            4.3.3.4 共模抑制比仿真
        4.3.4 性能总结
    4.4 本章总结
第五章 总结与展望
    5.1 工作总结
    5.2 展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果



本文编号：3754660