用于微弱生物信号检测的低功耗CMOS模拟前端设计

摘要

近年来，随着医疗设备的不断更新和集成电路技术的不断进步，二者的交叉学科——生物医学芯片成为了集成电路领域研究的热点。CMOS模拟前端电路作为生物信号检测系统的重要组成部分，主要作用是完成微弱生物信号的放大，调整和转换。其性能的优劣直接决定能否准确的提取目标信号，所以，对其深入研究对生物医学芯片领域具有重要的意义和价值。本文针对用于微弱生物信号检测的低功耗 CMOS模拟前端电路的系统架构设计和关键技术进行研究，旨在完成可检测微弱心电、脑电信号的低功耗CMOS模拟前端集成电路的设计。
　　目前国内对生物信号检测前端电路的研究还比较少，本文基于对心电、脑电信号特征的分析提出了一款用于微弱生物信号检测的低功耗 CMOS模拟前端集成电路。整个模拟前端集成电路系统包含低噪声运算放大器、开关电容型增益可调放大器和逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）等模块。低噪声放大器采用全差分Rail-to-Rail运放作为主体结构，代替了传统仪表放大器，实现了轨对轨的共模输入范围，提高了电源的利用率，并通过斩波调制技术实现了低噪声的特性。这种低噪声运放具有对工艺要求低，结构简单，功耗低等优点。增益可调运算放大器采用全差分折叠式共源共栅运放和开关电容网络实现4种可调增益，并应用亚阈值偏置技术实现了低功耗特性。另外，与传统前端电路相比，本文的设计中增加了片上SAR ADC模块，改善了现有前端电路多采用模拟输出的不足。SAR ADC采用12bit全差分结构，DAC采用电容式结构，比较器采用带有预放大电路的动态比较器结构，预放大电路中应用了正反馈负载结构以及亚阈值技术实现了低功耗特性。SAR ADC中还增加了休眠控制信号Sleep，控制ADC转换完成后进入休眠状态，降低电路的静态功耗。该电路的特色为适用于多种生物医学信号的采集，具有结构简单、功耗低以及数字输出的特性。
　　本文设计的模拟前端集成电路基于GSMC0.18μm标准CMOS工艺，电源电压1.8V，采用Cadence Spectre工具完成仿真。仿真结果表明，模拟前端微弱信号放大部分电路功耗为73.2μW，具有Rail-to-Rail的共模输入范围，SAR ADC有效位数达到11.31位，功耗为42.4μW。前端电路整体功耗为115.6μW，能够实现准确的数字输出。本文的理论研究对于生物信号检测前端芯片的研究具有重要的意义，设计实现的用于微弱生物信号检测的低功耗CMOS模拟前端电路具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景与意义

1.2 国内外发展现状

1.3 论文的主要内容与结构安排

第2章 生物医学信号检测前端设计分析

2.1 生物医学信号概述

2.2 电路设计要求

2.3 本章小结

第3章 整体架构设计与噪声功耗分析

3.1 系统整体架构设计

3.2 噪声类型及抑制方法

3.3模拟电路低功耗设计技术

3.4 本章小结

第4章 微弱信号放大电路设计与仿真

4.1 低噪声运算放大器的设计

4.2 低噪声运算放大器的仿真

4.3 PGA电路的设计

4.4 PGA电路的仿真

4.5 信号放大电路的整体仿真

4.6 本章小结

第5章 SAR ADC的设计与电路整体仿真

5.1 SAR ADC概述

5.2 SAR ADC工作原理

5.3 SAR ADC电路设计

5.4 SAR ADC仿真结果

5.5 前端电路整体仿真结果

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢