论文部分内容阅读
生物医学芯片是构成生物信号采集系统的核心部分，其应用非常广泛，从一般的医学检测、医疗监护普及到人工假体应用，如人工视网膜、人工耳蜗等。植入式生物信号采集因信号提取精度高、抗干扰能力强等优点成为医疗及生物电子领域的研究热点。模拟前端直接与传感电极相连接，其设计对生物信号的提取精度及抗干扰能力有较大的影响，是植入式生物医学芯片的关键组成模块。针对植入式生物医学信号采集系统的应用，本文研究设计了一款植入式低噪声模拟前端芯片，包括前置放大器、开关电容滤波器、可变增益放大器及基准电流源等模块，可以实现对生物电信号的有效提取和放大。针对生物电信号幅值小、频率低、容易受电路产生的噪声，尤其是低频噪声的影响，本文设计的前置放大器采用了斩波调制技术，将放大器的低频噪声搬移到高频处，再通过低通滤波器滤除，从而有效抑制了低频噪声。针对使用了斩波调制技术后放大器的输出端会由于直流失调的存在而产生输出纹波的问题，本文提出了一种改进的带电流数模转换器(DAC)的纹波消除环路结构。这种纹波消除环路结构除了能有效地抑制输出纹波之外，还克服了原电流DAC纹波消除环路电路静态工作点会偏离正常值的问题。为了尽可能提高所设计模拟前端芯片的性能，本文对开关电容滤波器、可变增益放大器及基准电流源等另外三个模块也进行了仔细的选择及设计。最后，本文采用Global Foundry180nm CMOS工艺对所提出的带斩波调制技术及新型纹波抑制环路的模拟前端芯片进行了电路及版图的设计。版图后仿真结果表明本文设计的模拟前端芯片在1.8V工作电压以及60μA的偏置电流下，0.1Hz-10KHz频带内的等效输入噪声可低至2.6μV，实现了46dB、52dB、60dB、66dB四种可调增益，共模抑制比和电源抑制比可达146dB及108dB，很好地满足了植入式生物信号采集的要求。