用于生物醫(yī)療設(shè)備的超低功耗模擬前端電路關(guān)鍵技術(shù)研究
發(fā)布時(shí)間：2021-01-04 00:44
可穿戴醫(yī)療電子設(shè)備的迅猛發(fā)展促進(jìn)了遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧醫(yī)院等新型醫(yī)療模式的快速成長,推進(jìn)了我國先進(jìn)醫(yī)療和健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。無線體域網(wǎng)（WBAN）、低功耗集成電路、柔性傳感器等技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用為可穿戴醫(yī)療設(shè)備提供了小型化、低功耗的解決方案。生理電信號(hào)采集模擬前端電路是可穿戴醫(yī)療設(shè)備的重要組成部分,其性能決定了信號(hào)獲取的質(zhì)量、處理精度、干擾抑制能力等,低功耗、小體積、高性能的模擬前端電路已經(jīng)成為未來先進(jìn)電子領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。生理電信號(hào)的頻率低、幅值小,對(duì)模擬前端電路的噪聲性能、芯片面積等提出了嚴(yán)苛的要求。此外,生物電極、人體運(yùn)動(dòng)、工頻電源線等引入的各種干擾會(huì)嚴(yán)重影響采集信號(hào)的質(zhì)量,對(duì)高性能信號(hào)采集處理電路的實(shí)現(xiàn)帶來了較大挑戰(zhàn)。本文研究了生理電信號(hào)采集處理的關(guān)鍵技術(shù),重點(diǎn)闡述了模擬前端電路低功耗、低噪聲技術(shù)以及干擾消除技術(shù),突破了高性能、小體積、長續(xù)航可穿戴模擬前端集成電路的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)了生理電信號(hào)采集模擬前端電路整體性能的有效提升。本文首先給出了生理電信號(hào)特征與生物電極類型,闡述了生理電信號(hào)的電路采集方案與關(guān)鍵技術(shù)問題,并推導(dǎo)出了模擬前端電路指標(biāo)要求。研究了電路系統(tǒng)與晶體管級(jí)的噪聲優(yōu)化方法,...
【文章來源】：西安電子科技大學(xué)陜西省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：128 頁
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
圖4.21時(shí)序功耗對(duì)比的Matlab仿真結(jié)果
利用對(duì)稱、插指等結(jié)構(gòu)減小電容之間的失配。SARADC 電容陣列中單端電容為 6.22pF，整體電容陣列中的電容為 12.44pF。圖4.22 開關(guān)時(shí)序的蒙特卡洛仿真結(jié)果samplesample ~sampleC1C2VDDM1M2M3M5M6M8M9M10M11M12VinVoutMS~sampleM4M7M13M14C3圖4.23 兩倍柵壓自舉采樣保持電路為了提升 SARADC 的采樣保持電路在低電源供電時(shí)的線性度，同時(shí)降低采保開關(guān)的導(dǎo)通電阻，本文提出了一種兩倍柵壓自舉采樣保持電路[83]。該電路可保持開關(guān)MOS 管的導(dǎo)通柵-源電壓為兩倍的電源電壓。圖 4.23 給出了兩倍柵壓自舉采樣保持電路。在時(shí)鐘低電平時(shí)，C1和 C2將 M13管的柵極電壓提高到兩倍電源電壓，同時(shí)在時(shí)鐘高電平 C2將信號(hào)提升一個(gè)電源電壓，并經(jīng)過 M4輸入到 C3電容下極板，C3將輸出
殘余的失調(diào)主要由斬波開關(guān)的電荷注入引入，同時(shí)測試所使用的低通濾波器不能完全消除斬波頻率處的噪聲，對(duì)等效失調(diào)測試結(jié)果造成影響。圖4.28 斬波放大器等效輸入失調(diào)電壓1/f corner=2HzNoise density 130nV/rtHzIntegrated noise = 4.3μVrms(0.5-1kHz)圖4.29 斬波儀表放大器的噪聲噪聲功率譜密度儀表放大器的噪聲是電路主要的噪聲源，圖 4.29 給出了斬波儀表放大器的測試噪聲功率譜密度。由圖可知，斬波調(diào)制技術(shù)有效消除了儀表放大器的 1/f 噪聲，1/f噪聲的轉(zhuǎn)角頻率降低至 2Hz 附近，殘余的 1/f 噪聲主要是由于放大器的直流增益衰減導(dǎo)致，同時(shí)斬波放大器輸出級(jí)也對(duì)的 1/f 噪聲有一定貢獻(xiàn)。在 50Hz 頻點(diǎn)處電路噪聲密度為 130nV/rtHz，在信號(hào)帶內(nèi)（0.5Hz-1kHz）積分噪聲為 4.3μVrms。根據(jù)前端儀
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]A multi-channel analog IC for in vitro neural recording[J]. 袁豐,王志功,呂曉迎. Journal of Semiconductors. 2016(02)
[2]An energy-efficient and highly linear switching capacitor procedure for SAR ADCs[J]. 馬瑞,白文彬,朱樟明. Journal of Semiconductors. 2015(05)
本文編號(hào)：2955806
【文章來源】：西安電子科技大學(xué)陜西省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：128 頁
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
圖4.21時(shí)序功耗對(duì)比的Matlab仿真結(jié)果
利用對(duì)稱、插指等結(jié)構(gòu)減小電容之間的失配。SARADC 電容陣列中單端電容為 6.22pF，整體電容陣列中的電容為 12.44pF。圖4.22 開關(guān)時(shí)序的蒙特卡洛仿真結(jié)果samplesample ~sampleC1C2VDDM1M2M3M5M6M8M9M10M11M12VinVoutMS~sampleM4M7M13M14C3圖4.23 兩倍柵壓自舉采樣保持電路為了提升 SARADC 的采樣保持電路在低電源供電時(shí)的線性度，同時(shí)降低采保開關(guān)的導(dǎo)通電阻，本文提出了一種兩倍柵壓自舉采樣保持電路[83]。該電路可保持開關(guān)MOS 管的導(dǎo)通柵-源電壓為兩倍的電源電壓。圖 4.23 給出了兩倍柵壓自舉采樣保持電路。在時(shí)鐘低電平時(shí)，C1和 C2將 M13管的柵極電壓提高到兩倍電源電壓，同時(shí)在時(shí)鐘高電平 C2將信號(hào)提升一個(gè)電源電壓，并經(jīng)過 M4輸入到 C3電容下極板，C3將輸出
殘余的失調(diào)主要由斬波開關(guān)的電荷注入引入，同時(shí)測試所使用的低通濾波器不能完全消除斬波頻率處的噪聲，對(duì)等效失調(diào)測試結(jié)果造成影響。圖4.28 斬波放大器等效輸入失調(diào)電壓1/f corner=2HzNoise density 130nV/rtHzIntegrated noise = 4.3μVrms(0.5-1kHz)圖4.29 斬波儀表放大器的噪聲噪聲功率譜密度儀表放大器的噪聲是電路主要的噪聲源，圖 4.29 給出了斬波儀表放大器的測試噪聲功率譜密度。由圖可知，斬波調(diào)制技術(shù)有效消除了儀表放大器的 1/f 噪聲，1/f噪聲的轉(zhuǎn)角頻率降低至 2Hz 附近，殘余的 1/f 噪聲主要是由于放大器的直流增益衰減導(dǎo)致，同時(shí)斬波放大器輸出級(jí)也對(duì)的 1/f 噪聲有一定貢獻(xiàn)。在 50Hz 頻點(diǎn)處電路噪聲密度為 130nV/rtHz，在信號(hào)帶內(nèi)（0.5Hz-1kHz）積分噪聲為 4.3μVrms。根據(jù)前端儀
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]A multi-channel analog IC for in vitro neural recording[J]. 袁豐,王志功,呂曉迎. Journal of Semiconductors. 2016(02)
[2]An energy-efficient and highly linear switching capacitor procedure for SAR ADCs[J]. 馬瑞,白文彬,朱樟明. Journal of Semiconductors. 2015(05)
本文編號(hào)：2955806
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2955806.html
最近更新
教材專著
