用于生物医学信号获取的模拟前端电路设计

来源 :西安电子科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ycs19900105
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近年来,随着生物微电子技术的迅速发展,集成电路科学与生物医学的结合越来越密切。适用于医学诊断方面的生物医学信号获取芯片以其良好的发展前景和巨大的应用价值得到了广泛关注。模拟前端电路作为生物医学信号获取芯片中的主要模块,其性能水平将直接影响整个信号获取芯片的精度,因此,设计一款性能良好的模拟前端电路至关重要。通过分析生物医学信号特征及信号获取电极的特点,本文设计了一款低噪声、低功耗、增益带宽可调节的生物医学信号获取模拟前端电路。  本研究所设计的用于生物医学信号获取的模拟前端集成电路主要由前置放大器、可编程增益放大器、低通滤波器以及偏置电路等几个模块构成。针对生物医学信号幅值小,低频闪烁噪声大的问题,所设计的前置放大器采用了闭环电容耦合斩波调制结构,并针对电路功耗、噪声、失调等方面性能进行了改进:提出使用电流分裂式放大器取代传统折叠共源共栅放大器结构,降低了电路的噪声水平;针对电容反馈方式导致的版图面积过大问题,设计采用了T型反馈电容结构,有效降低了所需电容的容值,减小了芯片面积;针对生物电极引入的失调电压过大问题,设计了一种失调消除环路,使电路具有一定的直流失调电压抑制能力。可编程增益放大器的设计使电路具备获取不同种类生物医学信号的功能。本文将翻转电容结构应用于可编程增益放大器的设计中,使得互补开关的断开电阻不会出现在反馈环路中,从而有效避免了其对前级电路低频特性的影响。此外,为降低可编程增益放大器对电路噪声的贡献,在可编程放大器中使用了低噪声的电流复用结构。低通滤波器用以滤除被调制到高频的前置放大器噪声及失调,并起到抑制带外干扰的作用。所设计的开关电容滤波器截止频率精确可调,使得模拟前端电路带宽可配置。采用SMIC0.18μm2P4M工艺对所提出的生物医学信号获取模拟前端电路进行了电路及版图设计。电路后仿真结果表明:在1.8V电源电压下,本文所设计的模拟前端电路功耗为20.8μW,具备47.8dB、50.8dB、60dB、72.4dB四种可调增益,低频截止频率为0.3-1.1KHz可调节,可抑制52mV的生物电极失调电压,0.5-1KHz范围内等效输入噪声为1.92μVrms,版图面积为0.2mm2,电路各方面性能均可达到设计指标要求。
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