随着微电子技术、通信技术和信号处理技术的快速发展,可穿戴生理信号采集系统成为可能,并逐渐成为研究热点。一方面,如心电（electrocardiograph,ECG）、脑电（electroencephalograph,EEG）、肌电（electromyography,EMG）等生理信号的实时采集,实现了对心血管疾病、癫痫等患者的长期监护,达到了及时治疗和预防的目的,缩短了医患交互的时间和空间,降低了医疗成本,释放了紧张的医疗资源。另一方面,可穿戴生理信号采集被广泛应用于游戏娱乐、健康教育等交叉新兴产业。例如,脑机接口建立了人脑与其它设备之间的交流与控制通道,从而衍生出无限的可能:与虚拟现实（virtual reality,VR）、EMG采集等技术的结合,促进了沉浸式娱乐产业的发展;与机械电子、外骨骼机器等技术的结合,减轻了人类负重,提升了人类体能极限,甚至使得科幻电影中的超级人类成为可能。本文主要研究了非侵入条件下的生理电信号采集前端电路设计。其存在的主要困难是在强环境干扰下的小信号读取。强干扰包括来自环境的电磁干扰,例如电力线导致的50/60 Hz干扰,以及各种伪影干扰。由于目标信号非常微弱,因此要求电路具有系统层次的强的抗干扰能力,这要求电路具有高共模抑制比、高输入阻抗和低噪声。同时还要求低功耗的电路设计以增加设备续航时间。本文首先给出了论文的研究背景与意义,介绍了生物电信号采集基础,主要包括生物电信号的产生机理、分类和信号特征、生物电极的工作原理和分类,以及生物电信号采集过程中的非理想因素。接着分析研究了生物电信号采集前端的主要电路结构和技术,并且针对性的介绍了关于功耗优化、阻抗提升、共模抑制比（common-mode rejection ratio,CMRR）、伪电阻设计、电极失调电压抑制、输出纹波抑制和输入共模范围提升等方面的技术。由于相对简单的结构和较低的功耗,电容耦合仪表放大器（capacitively-coupled instrumentation amplifiers,CCIA）目前被广泛应用于生理电信号采集前端电路。然而,该结构的缺点是抗干扰能力较弱,CMRR通常只有60-90 dB。在该结构的基础上,本文提出了以下技术用于提高CCIA的共模抑制能力:1)包含伪电阻的虚地点斩波结构:通过将用于共模偏置和确定高通角频率的伪电阻置于斩波回路中,缓解了虚地点斩波放大器由于伪电阻失配引入的低频CMRR降低的问题。2)基于逐次逼近的电容失配校正回路:在提出的新虚地点斩波放大器结构的基础上,提出了基于逐次逼近的电容失配校正回路。回路进一步降低了电容器的失配,将CCIA的CMRR从传统的60-90dB提升到了110 dB左右。3)共模复制技术:在深入分析了影响CMRR性能的因素后,提出了共模复制技术。通过将输入共模复制到CCIA的输出端,极大抑制了信号支路中的共模电流流动,从而显著提升了CMRR。测试结果显示,采用该技术的CCIA具有在50 Hz大于130 dB的CMRR,比目前学术界采用该结构放大器的最高指标提升了20 dB。4)自调节偏置:通过共模复制和自调节偏置,差分支路上晶体管的所有节点都跟随输入共模变化。这保证了晶体管的所有端电压之差保持稳定,从而增加了放大器的输入共模范围。测试结果显示,在900 mV的共模输入范围内,放大器能提供大于110 dB的共模抑制能力。5)共模电流中和技术:通过使用共模复制技术,芯片的共模输入阻抗只受限于输入管脚的寄生,尤其是静电保护器件的寄生。本论文提出了共模电流中和技术,等效出一个与输入管脚共模寄生电容容值相仿的负电容,从而抵消了输入管脚的共模寄生。测试结果显示,芯片具有50 GΩ的共模输入阻抗,从而实现了在1 MΩ|10 nF电极阻抗失配条件下大于102 dB的整体CMRR。其中,第1、2点是博士期间第一个流片项目的主要创新点,第3、4点是博士期间第二个流片项目的主要创新点,分别将在第四、五章详述。通过与其它相似设计的比较,本论文的两个仪表放大器的性能指标均达到领先水平。