低电压生物信号传感器专用集成电路设计

摘要

生物信号可以反映人类身体内部信息，通过对生物信号的检测分析可以帮助医生诊断病人的健康状况。脑电信号具有良好的时间和空间分辨率，适于长时间监控及连续信息采集，而传统的医疗大型设备无法长时间监控。所以小型化、便携式生物传感器的研究和应用逐渐成为热点。
　　本文利用集成电路技术设计了一款应用于脑电信号检测的生物传感器。主要设计模块有低功耗前置放大器和12bit SAR ADC。前置放大器采用斩波稳定技术降低了1/f噪声的影响，对于脑电信号振幅的不同主放大器部分采用可编程增益放大器。为了降低芯片面积和开关切换引起的功耗损失，SAR ADC的DAC部分采用分段式电荷再分配结构，同时加入自动校准电路用以消除寄生电容和电容误差造成的精度损失。
　　所设计电路采用CMOS0.13μm工艺，电源电压为1.2V。前置放大器利用斩波稳定技术有效的消除了1/f噪声，其增益为40dB～100dB，相位裕度54.7°，-3dB带宽为542kHz，功耗为93.6μW。12 bit SAR ADC功耗为26μW，处理速度为15KS/s。加入校准后，DAC的INL值从6LSB下降到了0.25LSB以下。核心部分的芯片面积0.52×0.4mm2，整体电路的设计能够满足电池供电的便携式设备应用。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 生物传感器的国内外研究现状

1．3 本文的主要内容结构

第二章 生物传感器概述

2．1 生物电信号的特点

2．2 生物传感器的结构组成

2．3 本章小结

第三章 前置放大器的设计

3．1 消除低频闪烁噪声的方法

3．1．1 自稳零放大器结构

3．1．2 斩波稳定放大器结构

3．2 斩波稳定技术的原理

3．3 前置放大器电路设计

3．4 主运算放大器的设计

3．4．1 第一级放大器的设计

3．4．2 可编程增益放大器

3．5 混频器

3．6 本章小结

第四章 逐次逼近寄存器型模数转换器的设计

4．1 逐次逼近ADC的典型结构

4．1．1 电压定标型逐次逼近ADC

4．1．2 电流定标型逐次逼近ADC

4．1．3 电荷再分配型ADC

4．2 分段式DAC的设计

4．3 精度校准电路的设计

4．3．1 电容误差

4．3．2 电容的失配与寄生

4．3．3 DAC的误差分析

4．3．4 校准电路的位置

4．3．5 校准电容的计算

4．3．6 校准电路的设计

4．4 比较器的设计

4．4．1 比较器设计参数

4．4．2 消除失调电压

4．4．3 比较器的整体设计

4．4．4 放大器的设计

4．4．5 正反馈锁存器的设计

4．5 数字控制部分的设计

4．6 本章小结

第五章 仿真分析

5．1 斩波放大器的电路仿真

5．1．1 混频器

5．1．2 第一级放大器仿真

5．1．3 可编程增益放大器的仿真

5．1．4 斩波放大器的整体仿真

5．2 SAR ADC电路仿真

5．2．1 DAC的电路与仿真

5．2．2 比较器的仿真

5．2．3 数字逻辑控制部分仿真

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢