高性能生物电信号仪表放大器的研究与设计

摘要

用于生物电信号采集的仪表放大器属生物医学信号检测中的关键元件，在癫痫、脑血管疾病、心脏疾病等各类疾病的诊断以及人工耳蜗、人造视网膜和智能假肢等智能生物电子装置的功能实现领域有广泛用途。
　　考虑到生物电信号极低的幅值，此类放大器必须具有极好的低噪声、低失调特性，论文重点就此开展研究。论文研究了仪表放大器的噪声和失调来源，并对用于噪声和失调消除的自动调零技术及斩波调制技术进行了重点分析。然后比较了用于生物医学信号检测的典型仪表放大器结构，重点探讨了基于斩波技术的电容耦合仪表放大器，研究了运用于输出纹波消除的反馈式环路的设计及实现方法。
　　在此基础上，论文设计了两种斩波型电容耦合仪表放大器。其中一种为电流复用的斩波型电容耦合仪表放大器，在主放大器和纹波消除环路中采用了电流复用技术以减小总功耗，并在反馈式纹波消除环路中采用了Ping-Pong自调零技术，使得仪表放大器输出信号达到稳定时间缩小近一半。另一种为增益带宽可调仪表放大器，主要特点包括:(1)运用了斩波调制技术、电流复用技术，并使用工作在亚阈值区的MOS管，以保证其低噪声、低功耗性能;(2)采用Ping-Pong自调零与隔直电容相结合的技术消除斩波放大器输出纹波;(3)使用了自适应电极失调抑制环路，在能够抑制除50mV以内电极失调电压的同时减小了电极失调抑制环路等效到仪表放大器输入端的噪声;(4)通过添加正反馈环路提升仪表放大器的输入阻抗;(5)设置可变增益放大器和可变电容实现了仪表放大器的增益带宽可变，以适应各种生物电信号的实际需求。
　　最终交付流片验证的芯片采用的工艺为Global Foundry0.18μm BCD1P6M，供电电压1.8V，放大器的静态电流4.2μA，增益在40dB,46dB,52dB,58dB可调，高通截止频率约为0.1Hz，低通截止频率可设置为1kHz与10kHz，在1kHz和10kHz带宽内等效到输入噪声分别为54nV/√Hz和55.4nV/√Hz，噪声功率系数分别为4.25和4.36，共模抑制比为95dB，输入阻抗约为50MQ。

目录

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致谢

摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 高性能生物电信号仪表放大器研究现状与发展趋势

1．3 生物电信号仪表放大器性能要求及研究内容

1．4 研究方案及章节安排

第2章 仪表放大器设计基本理论

2．1 放大器噪声概述

2．1．1 电阻热噪声

2．1．2 MOS管热噪声

2．1．3 闪烁噪声

2．1．4 散粒噪声

2．2 放大器失调概述

2．3 放大器失调和噪声消除技术

2．3．1 自动调零技术

2．3．2 斩波技术

本章小结

第3章 斩波型电容耦合仪表放大器及纹波消除

3．1 三运放结构

3．2 电流反馈结构

3．3 电容耦合放大器

3．4 基于斩波技术的电容耦合放大器

3．5 斩波型电容耦合放大器的反馈式纹波消除环路的设计

3．5．1 纹波来源

3．5．2 反馈式纹波消除环路设计原理

3．5．3 反馈式纹波消除环路电路级仿真

本章小结

第4章 电流复用的斩波型电容耦合仪表放大器的设计

4．1 设计指标

4．2 斩波型电容耦合仪表放大器拓扑设计

4．3 基于Ping-Pong结构的反馈型纹波消除环路的设计

4．4 电流复用技术在主放大器和纹波消除环路中的运用

4．5 改进的开关电容型共模反馈电路的输出级电路

4．6 电极直流失调抑制环路

4．7 输入阻抗提升环路

4．8 电路仿真结果

本章小结

第5章 增益带宽可调的商性能仪表放大器的设计

5．1 设计指标

5．2 增益带宽可调仪表放大器的系统结构

5．3 Ping-Pong自调零结构与隔直电容相结合的输出纹波抑制技术

5．4 自适应电极直流失调电压抑制技术

5．5 电流复用的主放大器设计

5．6 增益带宽可变的实现

5．7 系统版图与仿真

本章小结

第6章 总结和展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果