用于心電信號采集系統(tǒng)的模擬前端電路研究.pdf

1、隨著低功耗集成電路，無線通信以及生理傳感器技術的高速發(fā)展，新一代無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)被廣泛應用于交通流量監(jiān)控，基礎設施建設以及人體健康監(jiān)護等領域，無線人體局域網(wǎng)(WBAN)是由人體表面或者體內的各種生物傳感器以及節(jié)點芯片所組成的一種無線傳感器網(wǎng)絡，并且可以連接移動互聯(lián)網(wǎng)實時更新存儲在云端或者大型服務器中人體的各項生命體征數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對人體健康的長期持續(xù)性監(jiān)測，尤其能夠降低心血管疾病，癲癇病等突發(fā)性疾病的死亡率。便攜式或者植入式節(jié)點芯片

2、是無線人體局域網(wǎng)的核心，由于人體生理環(huán)境非常復雜，要求芯片必須具備體積小，功耗低，復雜度低，使用配置簡單等特點，其中用于信號采集系統(tǒng)的模擬前端電路(AFE)對系統(tǒng)噪聲，電源線干擾等非常敏感，一直是制約芯片功耗以及處理精度的關鍵因素。本文重點研究并設計用于心電信號(ECG)采集系統(tǒng)的模擬前端電路。
　　本文首先闡述了生物醫(yī)電信號的特點，生物電極的數(shù)學模型，電源線干擾以及系統(tǒng)噪聲源，并在此基礎上推導出用于心電信號采集系統(tǒng)的模擬前端電路

3、指標要求。基于對系統(tǒng)功耗，面積以及設計復雜度的對比分析，本文提出了一種由帶通(BPF)低噪聲運算放大器(LNA)，Sinc型抗混疊濾波器，低功耗過采樣逐次逼近型模數(shù)轉換器(SAR ADC)組成的模擬前端系統(tǒng)架構。在低噪聲運算放大器中采用對稱偽電阻設計來實現(xiàn)高線性度高阻值的特性，并通過斬波技術，源極退化電阻技術，電流分割技術，晶體管偏置狀態(tài)以及晶體管尺寸優(yōu)化設計等五個方面實現(xiàn)運算放大器低失調，低噪聲以及低功耗的設計要求。本文通過采用過采樣

4、設計，降低了抗混疊濾波器的指標要求，基于開環(huán)Gm-C積分器以及周期性電荷采樣，在采樣頻率及其整數(shù)倍處形成幅度衰減凹槽(notch)，實現(xiàn)抗混疊濾波，其中運算跨導放大器采用深度負反饋環(huán)路提高線性度，增大信號輸入范圍。最后，本文通過采用電容拆分(CS)Vcm-based開關時序，動態(tài)比較器以及動態(tài)控制邏輯等實現(xiàn)SAR ADC的低功耗設計。
　　本設計采用SMIC0.18μm1P6M1.8V標準CMOS工藝進行流片，測試結果顯示：所設計