用于移动健康监测系统的模拟前端电路设计

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随着社会中无线智能设备和可穿戴技术的日益普及,移动健康(mHealth)应用在过去几年中一直稳步增长。即将推出的第五代移动通信(5G)技术,大大提高了无线网络的速度和响应能力,也为移动健康产业的发展带来了新的机遇。目前的mHealth应用通常利用具有可穿戴传感器的移动设备远程收集、监测健康数据和生理信号,例如心电图(ECG)和脑电图(EEG)等。作为电生理信号采集系统最核心的部分,前端信号读出电路(也称作模拟前端)一直是集成电路设计领域研究的热点之一。设计这类生物医学领域集成电路面临的最大挑战是低频、低噪声以及低功耗,即需要在噪声、功耗、面积以及带宽之间进行折中。本论文的主要工作是对应用于移动健康监测系统的电生理信号采集前端电路进行研究与设计。论文首先研究了电生理信号和生物电极的基本特征,在此基础上介绍了采集过程中存在的噪声和干扰源以及几种典型的前端采集电路,并系统地研究了低噪声和低功耗电路设计技术,包括对自动调零技术以及斩波调制技术等低噪声电路设计技术的对比分析,对工作在亚阈值区域的MOSFET的特点介绍;最后对系统的应用需求、电生理信号采集电路架构以及各核心电路模块的设计进行了细致的研究,解决了低噪声、低功耗和高输入阻抗等关键的技术难点,并由此确定了本文前端电路的整体架构。本文设计的前端电路以电容耦合斩波调制仪表放大器(CCIA)为基础,为了降低功耗,将电源电压降低至0.8V,同时所有的模拟电路均工作在亚阈值区域,采用斩波调制技术减小1/f噪声水平,并在CCIA中增加直流伺服回路抑制电极直流漂移。整个设计采用40nm CMOS工艺,芯片总面积为0.2mm2。仿真结果表明,在0.8V电源电压下,具有33.96dB的增益,实现了0.2800Hz的带宽,输入参考噪声为1.97μVrms,输入阻抗为500MΩ@10Hz。前端电路的CMRR为90.6dB,功耗仅为560nW,噪声效率因子(NEF)为2.24。
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