【摘 要】
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随着电子信息产业的迅速发展,可穿戴医疗保健设备逐渐融入到人们的日常生活当中。为了给人们带来更好的使用体验,可穿戴医疗保健设备正在朝着小尺寸、低功耗和高准确度等多个方向发展,但同时也为其中的生物电信号采集系统的设计带来了巨大挑战。仪表放大器和模数转换器是生物电信号采集系统中的重要部分,其性能的好坏将对系统性能产生直接影响。本论文主要针对低功耗高性能仪表放大器和模数转换器进行研究,分别介绍了仪表放大器
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随着电子信息产业的迅速发展,可穿戴医疗保健设备逐渐融入到人们的日常生活当中。为了给人们带来更好的使用体验,可穿戴医疗保健设备正在朝着小尺寸、低功耗和高准确度等多个方向发展,但同时也为其中的生物电信号采集系统的设计带来了巨大挑战。仪表放大器和模数转换器是生物电信号采集系统中的重要部分,其性能的好坏将对系统性能产生直接影响。本论文主要针对低功耗高性能仪表放大器和模数转换器进行研究,分别介绍了仪表放大器和模数转换器的具体设计方案和仿真结果。在仪表放大器的设计中,考虑到仪表放大器处于系统的最前端,容易受到外界的干扰,因此本设计采用了共模复制技术,显著地提升了共模输入阻抗和共模抑制比。通过这种方式,使仪表放大器具备了较强的抗干扰能力。为了达到更高的共模复制精度,采用浮动偏置电路实现了对运放输入管的共模寄生电容屏蔽。第二级放大器采用了斩波技术,进一步提升了仪表放大器的共模抑制比。整体电路在标准CMOS 180 nm工艺下实现,具备46～64 d B的可调增益,8～200 Hz频带内共模抑制比高于140 d B,1 Hz～7.6 k Hz频带内输入均方根噪声电压为4.44μV。在1.8 V的电源电压下,消耗电流1.86μA,功耗为3.35μW。在模数转换器的设计中,考虑到功耗开销,采用了逐次逼近寄存器结构的模数转换器。电容阵列基于分裂电容翻转方式设计,并加入了电平移位功能,能够将差模信号从高共模电平转移到低共模电平上,在低电源电压下完成输入信号的量化工作,从而节省了大量功耗。通过恰当调整时序,实现了一种适用于检测生物电信号的电容阵列复位方式,有效地降低了模数转换器对驱动电流的需求。比较器采用了三级结构设计,进一步降低了比较器噪声。整体电路在标准CMOS 180 nm工艺下实现,采样频率为10 k Hz,电源电压为0.6 V,功耗为79.4 n W,有效位数为10.02bits。
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