低功耗宽供电范围CMOS生理信号检测前端研究与设计

发布时间：2017-06-26 11:20

  本文关键词：低功耗宽供电范围CMOS生理信号检测前端研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：生理电信号包含着人体众多的生理信息,对生理电信号的提取、处理和显示对临床医学有重要的指导意义,同时在运动健康方面也可以为人们提供借鉴作用。鉴于生理电信号幅度小、噪声强的特点,与生理电信号传感器直接连接的前端电路需要具备高增益、低噪声的特点。另一方面,针对便携式健康电子产品,其供电一般采用体积较小的纽扣电池,为了延长电池的使用时间,需要低功耗、宽供电范围的前端电路。本论文主要面向便携式腕式脉搏检测及心电监测设备,开展低功耗、宽供电范围CMOS前端电路的研究。论文在实现模拟前端集成电路低功耗、低噪声和宽供电范围等方面的理论、方法与电路结构进行了创新性的探索,包括以下三个方面:1.结合生理电信号的特点,为了获得足够低的高通极点,采用了MOS伪电阻技术,为了克服二极管连接的MOS伪电阻技术由于工艺偏差易形成过长的时间常数,使得放大器的建立时间变慢的缺点,本论文采用栅压可控的MOS伪电阻技术,实现了在获得足够等效电阻的前提下又不影响放大器建立时间的优点;2.为了使跨导最大化,采用了弱反型区偏置技术,在降低功耗的同时提高放大器闭环增益的放大精度,同时有利于降低OTA的等效输入噪声;3.为了实现宽供电范围的性能要求,创新性地提出了与电源电压成比例的偏置方法。整个前端电路包括前置放大器、仪表放大器、低通滤波器和基准电流源。论文采用0.18μm 1P6M N-Well标准CMOS工艺对所研究的前端电路进行了电路设计、电路系统前仿真、版图设计、MPW流片以及芯片测试验证。芯片测试结果为:供电电压范围为1.34V~3.3V,所消耗的电流范围是65μA~116μA,整个前端电路提供45.8d B的增益,带宽是1Hz~5.7KHz,带内等效输入参考噪声电压为6.7μV_rms,共模抑制比以及电源抑制比均大于90d B。整个芯片核心电路的面积约为0.31mm2。芯片测试结果表明该芯片可以有效的对心电信号(ECG)、脑电信号(EEG)、脉搏信号等生理电信号进行放大、滤波处理,供电范围宽、功耗低,可较好地应用于腕式脉搏检测设备以及心电监测设备。
【关键词】：生理电信号 低功耗 宽供电范围 低噪声 CMOS 前端电路
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318;TN911.23
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 研究意义11-12
• 1.3 研究现状12-16
• 1.4 论文研究内容及组织结构16-17
• 1.5 本章小结17-18
• 第二章 生理电信号特征及电路系统设计18-24
• 2.1 生理电信号的特点18-19
• 2.2 电路系统设计19-23
• 2.2.1 前置放大器设计考虑20-21
• 2.2.2 仪表放大器设计考虑21-23
• 2.2.3 低通滤波器设计考虑23
• 2.3 本章小结23-24
• 第三章 模拟前端芯片各模块的设计与仿真24-55
• 3.1 交流耦合-电容反馈式前置放大器的分析与设计24-39
• 3.1.1 前置放大器的主要指标分析24-26
• 3.1.2 基本电路结构26-29
• 3.1.3 MOS伪电阻技术29-30
• 3.1.4 运算跨导放大器设计与弱反型区偏置技术30-35
• 3.1.5 噪声分析与低噪声设计及仿真结果35-39
• 3.2 仪表放大器的分析与设计39-44
• 3.3 低通滤波器的分析与设计44-52
• 3.4 基准电流源的分析与设计52-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第四章 模拟前端芯片的版图设计及芯片测试55-61
• 4.1 前端电路的仿真结果及版图设计55-58
• 4.2 模拟前端芯片的测试结果58-60
• 4.3 本章小结60-61
• 总结与展望61-63
• 总结61-62
• 展望62-63
• 参考文献63-69
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果69-70
• 致谢70-71
• 附件71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 张旭;裴为华;黄北举;陈弘达;;Low power CMOS preamplifier for neural recording applications[J];半导体学报;2010年04期

2 陈进;张旭;陈弘达;;Low-power switched-capacitor delta-sigma modulator for EEG recording applications[J];半导体学报;2010年07期

3 谢翔 ,张春 ,王志华;生物医学电子学的发展[J];电子产品世界;2002年11期

4 HAN JianQiang;ZHANG Xu;PEI WeiHua;GUI Qiang;LIU Ming;CHEN HongDa;;A compact neural recording interface based on silicon microelectrode[J];Science China(Technological Sciences);2013年11期

5 胡鹏飞,邵丙铣;全差分运放中共模反馈电路的一种新接法[J];微电子学与计算机;2003年07期

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1 刘召辉;低噪声专用仪表放大器的设计[D];浙江大学;2008年

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本文编号：485977