本文關鍵詞：心電信號采集芯片的模擬前端設計

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【摘要】：近年來,醫(yī)學的發(fā)展要求醫(yī)療設備能對突發(fā)疾病進行提早診斷和及時治療,并且實時監(jiān)控患者的健康狀況。為了滿足這一迫切需求,可穿戴式醫(yī)療設備的研究變得越來越受人們關注,因為這種設備允許患者能夠隨時隨地監(jiān)測自己的身體狀態(tài)。半導體技術和生物醫(yī)學的結合使得生物醫(yī)學芯片應運而生,它不僅為病患和醫(yī)護人員之間提供橋梁,而且很大程度上改善了醫(yī)學設備的便攜性和精確性,為可穿戴式醫(yī)療設備提供優(yōu)良的解決方案。本文通過對心電信號特點及采集環(huán)境的分析,探討了心電信號模擬前端電路的整體要求,研究了優(yōu)化設計方案后提出了一款低噪聲、低功耗、高輸入阻抗、可調增益的心電信號采集芯片模擬前端電路。該電路由前置放大器、可調增益級、第二代電流傳輸結構低通濾波器、右腿驅動電路、導聯(lián)脫落檢測電路等核心模塊構成,采用SMIC0.18μm工藝進行設計,電源電壓1.2V,設計基于電容耦合-交流反饋結構的前置放大器,得到了較好的共模抑制效果,同時采用了全差分反相器輸入運算放大器結構,在保證低噪聲和低功耗的前提下較好的實現(xiàn)了心電信號的采集和放大,前置放大器消耗電流僅為400nA,仿真結果顯示頻率范圍內輸入?yún)⒖荚肼晝H為2.42μV,在此基礎上,本文還在前置放大器環(huán)路中加入了電容正反饋,極大地改善了輸入阻抗,對比未加入正反饋前提高了約100倍,達到了2.4 GΩ,提升了采集信號的強度,根據(jù)心電信號的頻率范圍,設計帶寬范圍為0.5-150Hz,可有效抑制帶外噪聲,同時電路增益被設計為可調節(jié)的,用以滿足芯片對不同采集環(huán)境的適應能力,右腿驅動電路有效地抑制人體的共模噪聲,提高了共模抑制比,導聯(lián)脫落檢測電路用來實時監(jiān)測導聯(lián)的連接狀態(tài)是否正常,整個芯片功耗電流為70μA,芯片面積僅為0.35mm2,較傳統(tǒng)芯片減少了約30%,各項參數(shù)基本滿足心電信號的采集要求。
【關鍵詞】：可穿戴 心電信號 模擬前端 低噪聲 高輸入阻抗
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R197.39
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 符號對照表10-11
• 縮略語對照表11-14
• 第一章 緒論14-22
• 1.1 論文的研究背景及意義14-16
• 1.2 生物醫(yī)學芯片的研究現(xiàn)狀16-19
• 1.3 論文的主要工作以及結構安排19-22
• 1.3.1 論文的主要工作19-21
• 1.3.2 論文的結構安排21-22
• 第二章 模擬前端電路設計需求分析22-28
• 2.1 心電信號分析22-23
• 2.2 采樣生物電極及電路模型23-25
• 2.3 模擬前端電路設計考慮25-26
• 2.4 本章小結26-28
• 第三章 電路的優(yōu)化分析28-34
• 3.1 系統(tǒng)整體結構分析28-29
• 3.2 模擬前端電路核心子模塊設計分析29-32
• 3.2.1 前置放大器設計分析29-30
• 3.2.2 增益級設計分析30-31
• 3.2.3 濾波器設計分析31-32
• 3.3 芯片系統(tǒng)其他優(yōu)化方案考慮32
• 3.4 本章小結32-34
• 第四章 模擬前端核心電路的設計34-56
• 4.1 模擬前端電路的系統(tǒng)架構及設計指標分析34-35
• 4.2 前置放大模塊的設計35-40
• 4.2.1 環(huán)路結構設計35-37
• 4.2.2 放大器結構設計37-40
• 4.3 可調增益級的設計40-41
• 4.4 濾波器的設計41-45
• 4.4.1 OTA結構設計42-43
• 4.4.2 濾波器結構43-45
• 4.5 電壓基準的設計45-49
• 4.5.1 帶隙基準源的理論分析46
• 4.5.2 電壓基準電路的主要參數(shù)指標46-47
• 4.5.3 帶隙基準的結構設計47-49
• 4.6 其它模塊的原理及設計49-51
• 4.6.1 右腿驅動電路49-50
• 4.6.2 導聯(lián)脫落檢測電路50-51
• 4.7 整體系統(tǒng)的仿真分析51-55
• 4.8 本章小結55-56
• 第五章 芯片版圖設計56-64
• 5.1 版圖設計工具56
• 5.2 模擬前端電路版圖設計56-62
• 5.2.1 版圖設計中的效應分析57-59
• 5.2.2 版圖設計中的匹配技巧59-62
• 5.3 本章小結62-64
• 第六章 總結與展望64-66
• 參考文獻66-70
• 致謝70-72
• 作者簡介72-73

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本文編號：704782