基于红外传感器的心跳探测芯片的设计

论文摘要

本论文完成了一个基于反射型红外线传感器的CMOS模拟专用集成电路的设计,它构成的红外系统具有探测心跳频率的功能。设计根据人体组织的半透明度会随心脏跳动而变化的特点,由传感器探测到这一变化,通过专用集成电路将信号放大并利用,获得心跳频率。本模拟芯片结合数字电路可计算即时心率或统计心跳总数。论文设计了系统中的模拟专用集成电路——信号提取到转换为数字信号的电路。本文首先阐述了心跳探测系统和CMOS工艺的发展和现状。说明了课题的来源和研究意义。提出研究方法及主要设计路线,介绍了论文开展的工作。在了解红外辐射理论的基础上,阐释了红外线传感器原理,对传感器的基本参数进行分析,同时介绍了反射型红外传感器基本结构与原理。文章的核心是芯片电路的设计,首先根据电路功能设计了芯片大体的结构和引脚,详细列出芯片在应用时的外围电路,对设计需要达到的参数标准做了简要介绍。设计中选择了RC振荡电路,并加分频器实现了设计振荡频率1KHz的输出。在稳压源电路设计中,采用了运算放大器负反馈的形式,使参考电压源为2.2V,并在电源大于2.3V时保持稳定,隔离了电源噪声。信号通路中包括信号发生放大电路、滤波电路、整形电路和输出电路。通过信号通路,传感器生成的调幅波信号转变为与脉搏频率相同的方波。先由运算放大器接共集电极电路完成信号放大,通过滤波得到脉搏信号的频率,从而用滤波器电路完成了解调功能。带通滤波电路增益为44dB,3dB点设计在1Hz和7Hz。最后运用自适应迟滞比较器作为整形器,将信号转化为方波。论文对电路进行了详细的分析和仿真。芯片版图的设计中采用了绿华半导体公司的0.6μm, 5V CMOS工艺库,工艺基本特征为多晶硅栅,单层金属布线。利用Cadence完成版图设计。论文最后基于芯片测试理论,针对芯片流片后的部分测试结果,对振荡出现的噪声问题给出了初步分析,并结合投片工艺探讨了工艺原因与产生机理。该设计在前端仿真中满足了设计要求。经过第一次流片后的简单封装,外接辅助电路后,部分芯片实现了预期的功能。基本上达到第一步设计的要求。为进一步完善芯片进入实用化打下了良好基础。

论文目录

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• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外心跳探测系统的现状
• 1.2 CMOS 工艺的发展与课题来源
• 1.3 论文的研究方法及主要设计路线
• 1.4 心跳探测红外系统中模拟芯片的性能参数
• 1.5 论文的研究意义与主要工作
• 第2章 红外线传感器
• 2.1 红外辐射的基本定律
• 2.2 红外传感器原理介绍
• 2.3 红外传感器的基本参数
• 2.4 反射式传感器的内部结构及工作原理
• 第3章 模拟芯片电路的设计
• 3.1 心跳探测芯片的结构设计
• 3.2 心跳探测芯片的引脚设计与性能特点
• 3.3 振荡器设计部分
• 3.3.1 振荡器理论
• 3.3.2 振荡器选择与设计
• 3.4 电压稳定电路与开关控制电路
• 3.4.1 稳压问题的提出
• 3.4.2 与电源无关的偏置
• 3.4.3 芯片稳压源的设计
• 3.5 芯片开关控制电路
• 3.6 传感器辅助电路的设计
• 3.6.1 传感器保护电路（载波发射侦探电路）
• 3.6.2 传感器输出偏置电路的设计
• 3.7 信号放大电路部分
• 3.8 滤波器的设计
• 3.8.1 滤波器设计理论
• 3.8.2 用于解调的滤波器的设计
• 3.9 自适应迟滞比较器的设计
• 3.9.1 迟滞比较器的设计
• 3.9.2 电路结构与元件值的的确定
• 3.9.3 电路仿真和讨论
• 3.10 运放的设计与仿真
• 3.11 输出级设计
• 3.11.1 EMIT 输出级设计
• 3.11.2 电路输出级设计
• 第4章 版图设计
• 4.1 MOS 管的匹配与CMOS 电容
• 4.1.1 MOS 管的匹配
• 4.1.2 CMOS 电容
• 4.2 版图设计
• 4.2.1 输入输出防静电损伤（ESD）设计
• 4.2.2 闩锁效应（LATCH-UP）的预防设计
• 4.2.3 电阻设计
• 4.2.4 匹配器件的对称设计
• 4.2.5 整体版图设计
• 第5章 芯片测试
• 5.1 芯片的验证与测试
• 5.2 验证测试流程及方法
• 5.2.1 建立有效的验证测试流程
• 5.2.2 常用的验证测试分析方法
• 5.3 芯片的失效分析
• 5.3.1 失效分析的常用方法
• 5.3.2 验证测试中失效分析的故障模型
• 5.4 本芯片的测试结果
• 总结
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 简单封装后芯片照片
• 致谢