【摘 要】
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随着物联网(Internet of Things,IoT)技术的快速发展,时代新趋势正在逐渐浮现,以心电图(Electrocardiogram,ECG)信号采集为的代表的物联网医疗设备可以被广泛用于儿童和老年人的护理,以及慢性病管理和个人健康管理等。这些便携设备可以对人们的各种日常活动进行实时监控,并与不断更新的数据库进行对比分析,通过检测异常健康状况以实现预防性医疗保健。因此,便携式生物医疗监测
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随着物联网(Internet of Things,IoT)技术的快速发展,时代新趋势正在逐渐浮现,以心电图(Electrocardiogram,ECG)信号采集为的代表的物联网医疗设备可以被广泛用于儿童和老年人的护理,以及慢性病管理和个人健康管理等。这些便携设备可以对人们的各种日常活动进行实时监控,并与不断更新的数据库进行对比分析,通过检测异常健康状况以实现预防性医疗保健。因此,便携式生物医疗监测设备将在不久的将来广泛普及。对于以ECG信号监测设备来说,提供高质量的信号检测模块至关重要,信号质量越高,健康信息的可靠性就越高。因此起着采集放大作用的仪表放大器(Instrumentation Amplifier,IA)无疑是最关键的模块。为了更好的采集ECG信号,设计的IA应提供足够的增益较高的共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR),同时消除不需要的失调(Offset)和1/f噪声。因此,本文针对IA设计所面临的主要挑战,以精确采集目标信号为前提,首先基于TSMC 0.18μm CMOS工艺设计了一种高共模抑制比的电流反馈仪表放大器(Current Feedback Instrumentation Amplifier,CFIA),电路的输入级采用折叠共源共栅结构,有效提高了共模抑制比。电路中采用基于电流分流(Current Division,CD)技术设计的小(Small)Gm-C高通滤波器设置高通滤波极点,以达到隔离人体低频噪声和抑制直流失调的目的。后仿真结果表明该电路在1.8V电源电压下功耗为98μW,在0.2Hz~200Hz带宽内增益为35.55dB。共模抑制比为117.4dB,输入参考噪声为222.3nV/Hz(202Hz),带内等效输入积分噪声为6.3μV。为了实现更好的噪声性能及进一步降低功耗,设计了一种低噪声斩波仪表放大器,该电路采用带有米勒补偿的折叠共源共栅电流反馈结构来实现高共模抑制比,采用两级斩波结构显著减少1/f噪声和直流失调,采用二阶Sallen-Key低通滤波器消除了由于斩波开关引入的输出纹波(Ripple)。该电路采用SMIC 0.13μm CMOS工艺进行设计,在1.2V电源电压下消耗电流为44μA,后仿真结果表明该电路输入参考噪声功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)为63.89nV/Hz,CMRR为93dB,噪声能效因子(Noise Efficiency Factor,NEF)为8.1。
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