用于便携式健康护理系统的生物电势读取电路研究与设计

论文摘要

便携式健康护理系统已经成为当今集成电路设计领域的一个研究热点,而生物电势信号在医学诊断中占有举足轻重的地位。本论文的主要工作是对便携式健康护理系统中的生物电势读取电路进行研究与设计,为今后实现完整的便携式健康护理系统打下基础。论文对生物电势读取电路中最主要的两个电路模块：模拟前端和模数转换器的设计分别进行了研究,低噪声、低功耗设计是整篇论文始终强调的主题。在模拟前端部分,本论文采用交流耦合方式,既有效消除了来自电极的直流失调电压,又不增加额外的噪声和功耗开销。对于模拟前端中至为关键的MOS-Bipolar伪电阻,本文对其工作原理进行了详尽分析。在模数转换器部分,本设计采用了适合于低速、低功耗应用的逐次逼近型结构。并对其三个主要模块：DAC、比较器和SAR逻辑的电路设计分别进行了深入的研究,详细分析了DAC电容失配和寄生对模数转换器精度带来的影响。本文还提出了一种改进的低失调、低回踢噪声的CMOS钟控比较器,大大缓解了前置预放大器的负担,从而大幅降低了功耗。整个电路在0.18μm 1P6M CMOS工艺条件下设计,模拟前端和模数转换器在两个不同的芯片中实现。模拟前端尚处流片阶段,仿真结果显示,其呈现出带通频响特性,上下截止频率分别为0.35Hz和155Hz,中频增益为46.5dB。其工作在1.8V电源电压下,功耗为1μW,等效输入噪声为2μVrms,噪声效率系数（NEF）为2.6。ADC部分已经完成了流片和测试,测试结果表明,12位ADC的INL和DNL分别为-1/1.5LSB和-2.5/2.5LSB, SFDR为78.7dB, SNDR为61.8dB,对应于10位的有效位数。整个ADC采用1.8V的模拟电源和1V的数字电源,功耗为455nW,对应的FOM值为每次转换消耗220fJ。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 论文的研究背景
• 1.1.1 便携式健康护理系统
• 1.1.2 无线人体传感器网络
• 1.1.3 生物电势及其读取
• 1.2 研究现状与发展趋势
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 发展趋势
• 1.3 本论文的主要工作
• 1.4 论文的组织与安排
• 1.5 本章参考文献
• 第二章 模拟前端设计
• 2.1 生物电势电极介绍
• 2.1.1 生物电势电极及其等效模型
• 2.1.2 耦合方式
• 2.2 噪声与干扰
• 2.2.1 电磁干扰
• 2.2.2 静电干扰
• 2.2.3 电极噪声
• 2.2.4 电路噪声
• 2.3 电路设计
• 2.3.1 电路整体结构
• 2.3.2 频率特性
• 2.3.3 MOS-Bipolar伪电阻
• 2.3.4 OTA设计
• 2.4 版图设计
• 2.4.1 晶体管间的匹配
• 2.4.2 关键信号的保护
• 2.4.3 芯片版图
• 2.5 仿真结果
• 2.6 性能总结与比较
• 2.7 本章小结
• 2.8 本章参考文献
• 第三章 模数转换器设计
• 3.1 模数转换基本思想:采样与量化
• 3.1.1 采样与混迭
• 3.1.2 量化
• 3.2 ADC的主要性能参数
• 3.2.1 ADC的静态性能参数
• 3.2.2 ADC的动态性能参数
• 3.3 各种类型的模数转换器性能比较
• 3.4 SAR ADC设计
• 3.4.1 SAR ADC工作原理
• 3.4.2 SAR ADC系统结构与时序安排
• 3.4.3 SAR ADC电路设计
• 3.5 模数转换器版图设计
• 3.5.1 模块的布局
• 3.5.2 DAC的电容匹配
• 3.5.3 敏感信号的隔离与保护
• 3.5.4 芯片照片
• 3.6 芯片测试
• 3.6.1 测试方案
• 3.6.2 PCB设计
• 3.6.3 静态特性测试
• 3.6.4 动态特性测试
• 3.6.5 性能总结
• 3.7 本章小结
• 3.8 本章参考文献
• 第四章 总结与展望
• 4.1 论文工作总结
• 4.2 未来工作展望
• 致谢