隨著半導(dǎo)體技術(shù)開始應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,“生物醫(yī)學(xué)微電子技術(shù)”這門新的交叉學(xué)科也在迅速發(fā)展。而生物電信號采集系統(tǒng)就是利用該學(xué)科的相關(guān)技術(shù)將微電子學(xué)與現(xiàn)代醫(yī)療相結(jié)合,實現(xiàn)在家中對患者的實時監(jiān)護,既緩解了醫(yī)療資源匱乏的現(xiàn)狀,又大大提高了病人的生活質(zhì)量。而模擬前端電路作為處理生物電信號的第一級,在生物電信號采集系統(tǒng)中具有重要作用。本文從生物電信號微弱,低頻的特點切入,研究了一款用于采集生物電信號的多路復(fù)用模擬前端電路。本文首先介紹了模擬前端的研究背景與現(xiàn)狀,接著詳細的介紹了生物電信號與生物電極的概念,在此基礎(chǔ)上分析了采集過程中會遇到的噪聲與干擾。然后對電路的所有模塊進行了詳細的設(shè)計。其中,前置放大器的結(jié)構(gòu)選用綜合性能更好的電流反饋儀表放大器(CBIA),利用以負反饋形式連接的低通濾波器來消除低頻噪聲,并引入共模反饋(CMFB)電路來穩(wěn)定共模輸出。出于節(jié)省芯片面積的目的,增益級的設(shè)計由固定增益放大器與可變增益放大器組成,運放結(jié)構(gòu)采用對稱式OTA結(jié)構(gòu),通過改變可變增益級中開關(guān)電容的數(shù)量,可以獲得不同的增益與帶寬。復(fù)用器模塊采用四選一數(shù)據(jù)選擇器來完成選擇性輸出的功能。帶隙基準源電路為模擬前端提供穩(wěn)定的基準電壓與電流。輔助模塊設(shè)計中右腿驅(qū)動電路用來消除人體工頻干擾,提高共模抑制比。導(dǎo)聯(lián)監(jiān)測電路可以實時監(jiān)測電極的連接情況。最后我們對電路的輸入阻抗進行了優(yōu)化設(shè)計,提高了信號的精度。電路采用SMIC 0.18μm CMOS工藝,電源電壓1.8V,在Cadence下進行了仿真驗證。其中,前置放大器增益20dB,高通截止頻率0.5Hz�？删幊淘鲆娣糯笃饔�5種增益可選,分別為20dB,50.8dB,54.7dB,56.5dB和58.6dB。帶寬分別為1360Hz,348Hz,231Hz,189Hz和152Hz。復(fù)用器的仿真結(jié)果表明電路根據(jù)不同的控制信號可以正確選擇輸出。帶隙基準源電路的仿真結(jié)果顯示基準電壓和電流的溫度漂移系數(shù)分別為9.87ppm/°C與12ppm/°C,在0-100Hz內(nèi)的卷積噪聲值為32nV,噪聲性能優(yōu)秀。在100Hz以內(nèi),基準源電路的PSRR為-88dB。最后對模擬前端進行了整體仿真,結(jié)果顯示其增益40.5dB,75.8dB,77.7dB,78.7dB可調(diào),帶寬171Hz,234Hz,347Hz,1210Hz可調(diào),高通截止頻率0.5Hz,輸入?yún)⒖荚肼?.75μV,蒙特卡洛模擬仿真顯示模擬前端的CMRR為91dB。輸入阻抗在使用電容正反饋結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化后,提高到了2.6GΩ,有效的提高了信號精度。綜上,本文設(shè)計的用于生物電信號采集的模擬前端電路滿足了設(shè)計要求。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN722
【部分圖文】：

過自身的無線體域網(wǎng)和其余通信網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)上的任意終端進行數(shù)據(jù)通信。如圖 1.1 所示，該系統(tǒng)可以分為三層：無線體域網(wǎng)層，個體終端層和遠程診療服務(wù)層。圖1.1 無線體域網(wǎng)傳輸無線體域網(wǎng)層是便攜式健康監(jiān)測設(shè)備的基礎(chǔ)，是最重要的一層，是所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的來源，它由許多的智能生理傳感器組成，比如心電傳感器，腦電傳感器，肌電傳感器，血壓傳感器等[8]。這些生理傳感器將采集到的生物電信號經(jīng)過濾波，放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過本身的無線體域網(wǎng)進行處理，分析并傳輸?shù)絺�人的手機，電腦等移動終端上。個人的移動終端層比如手機，電腦等，它的工作是將反映人體健康的生理數(shù)據(jù)進行保存，處理，也可以讓被監(jiān)測者實時的了解自身生理狀況，進行簡單的健康分析，還可以通過測量人體體溫、心率等一些生理信息

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文得聯(lián)系，第一時間進行救治，這不僅大大節(jié)省了患者等待救援的現(xiàn)患者生理變化情況，變救治為預(yù)防，減少發(fā)病幾率�，F(xiàn)狀生物電信號是反映人體生理活動的重要參數(shù)之一，通過這些生物員了解和診斷患者的病情。而讀取這些生物電信號的裝置就叫做Analog Front End），屬于整個生物監(jiān)測設(shè)備的第一級，結(jié)構(gòu)如圖

total代表的是電路中的總電流，BW 為帶寬。圖1.3 近 15 年模擬前端發(fā)展趨勢從圖 1.3 列出了近 15 年以來 NEF 參數(shù)的值在多通道（Multi-Channel）與單通道（Singel-channel）模擬前端上的發(fā)展趨勢[13]。由上圖可以發(fā)現(xiàn)隨著 IC 技術(shù)的提高和全集成的實現(xiàn)，NEF 的值日益降低，并且多通道的生物信號讀取電路也已經(jīng)成為主流趨勢，這意味這多重生物電信號的監(jiān)測成為可能。在 2014 年，Shang-Lin Wu 等人在 IEEE 上發(fā)表了一款 16 通道，而且 NEF 低至 2.78，等效輸入噪聲為 0.826μVrms的模擬前端生物芯片[14]。而低功耗在模擬前端中也是極其重要的設(shè)計考量。比如應(yīng)用于腦機接口中單通道腦電信號（EEG，ECG）采集系統(tǒng)的模擬前端電路[15]
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前7條

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本文編號：2881092