心电信号采集芯片的模拟前端设计

发布时间：2017-08-20 05:15

  本文关键词：心电信号采集芯片的模拟前端设计

  更多相关文章： 可穿戴 心电信号 模拟前端 低噪声 高输入阻抗

【摘要】：近年来,医学的发展要求医疗设备能对突发疾病进行提早诊断和及时治疗,并且实时监控患者的健康状况。为了满足这一迫切需求,可穿戴式医疗设备的研究变得越来越受人们关注,因为这种设备允许患者能够随时随地监测自己的身体状态。半导体技术和生物医学的结合使得生物医学芯片应运而生,它不仅为病患和医护人员之间提供桥梁,而且很大程度上改善了医学设备的便携性和精确性,为可穿戴式医疗设备提供优良的解决方案。本文通过对心电信号特点及采集环境的分析,探讨了心电信号模拟前端电路的整体要求,研究了优化设计方案后提出了一款低噪声、低功耗、高输入阻抗、可调增益的心电信号采集芯片模拟前端电路。该电路由前置放大器、可调增益级、第二代电流传输结构低通滤波器、右腿驱动电路、导联脱落检测电路等核心模块构成,采用SMIC0.18μm工艺进行设计,电源电压1.2V,设计基于电容耦合-交流反馈结构的前置放大器,得到了较好的共模抑制效果,同时采用了全差分反相器输入运算放大器结构,在保证低噪声和低功耗的前提下较好的实现了心电信号的采集和放大,前置放大器消耗电流仅为400nA,仿真结果显示频率范围内输入参考噪声仅为2.42μV,在此基础上,本文还在前置放大器环路中加入了电容正反馈,极大地改善了输入阻抗,对比未加入正反馈前提高了约100倍,达到了2.4 GΩ,提升了采集信号的强度,根据心电信号的频率范围,设计带宽范围为0.5-150Hz,可有效抑制带外噪声,同时电路增益被设计为可调节的,用以满足芯片对不同采集环境的适应能力,右腿驱动电路有效地抑制人体的共模噪声,提高了共模抑制比,导联脱落检测电路用来实时监测导联的连接状态是否正常,整个芯片功耗电流为70μA,芯片面积仅为0.35mm2,较传统芯片减少了约30%,各项参数基本满足心电信号的采集要求。
【关键词】：可穿戴 心电信号 模拟前端 低噪声 高输入阻抗
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R197.39
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 符号对照表10-11
• 缩略语对照表11-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 论文的研究背景及意义14-16
• 1.2 生物医学芯片的研究现状16-19
• 1.3 论文的主要工作以及结构安排19-22
• 1.3.1 论文的主要工作19-21
• 1.3.2 论文的结构安排21-22
• 第二章 模拟前端电路设计需求分析22-28
• 2.1 心电信号分析22-23
• 2.2 采样生物电极及电路模型23-25
• 2.3 模拟前端电路设计考虑25-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第三章 电路的优化分析28-34
• 3.1 系统整体结构分析28-29
• 3.2 模拟前端电路核心子模块设计分析29-32
• 3.2.1 前置放大器设计分析29-30
• 3.2.2 增益级设计分析30-31
• 3.2.3 滤波器设计分析31-32
• 3.3 芯片系统其他优化方案考虑32
• 3.4 本章小结32-34
• 第四章 模拟前端核心电路的设计34-56
• 4.1 模拟前端电路的系统架构及设计指标分析34-35
• 4.2 前置放大模块的设计35-40
• 4.2.1 环路结构设计35-37
• 4.2.2 放大器结构设计37-40
• 4.3 可调增益级的设计40-41
• 4.4 滤波器的设计41-45
• 4.4.1 OTA结构设计42-43
• 4.4.2 滤波器结构43-45
• 4.5 电压基准的设计45-49
• 4.5.1 带隙基准源的理论分析46
• 4.5.2 电压基准电路的主要参数指标46-47
• 4.5.3 带隙基准的结构设计47-49
• 4.6 其它模块的原理及设计49-51
• 4.6.1 右腿驱动电路49-50
• 4.6.2 导联脱落检测电路50-51
• 4.7 整体系统的仿真分析51-55
• 4.8 本章小结55-56
• 第五章 芯片版图设计56-64
• 5.1 版图设计工具56
• 5.2 模拟前端电路版图设计56-62
• 5.2.1 版图设计中的效应分析57-59
• 5.2.2 版图设计中的匹配技巧59-62
• 5.3 本章小结62-64
• 第六章 总结与展望64-66
• 参考文献66-70
• 致谢70-72
• 作者简介72-73

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本文编号：704782