用于植入式生物医疗系统的高性能仪表放大器的研究与设计

摘要

随着生物技术、神经医学和微电子技术的发展，神经信号记录、头皮下脑电图采集等植入式生物医疗技术在神经性疾病和瘫痪病人的诊断治疗中发挥了越来越重要的作用。对构成植入式生物医疗系统的核心器件——片上集成系统(SOC)以及其用于采集放大微弱生物信号的关键模块——高性能仪表放大器的研究也受到了高度关注。
　　 论文针对该类高性能仪表放大器的需求，重点开展了三个方面的研究工作:放大器的低噪声、低功耗设计技术研究，放大器的高输入阻抗设计技术研究和植入式电极直流失调抑制技术。
　　 在分析已有斩波型低噪声放大器设计方法基础上，论文提出了一种新型的高频纹波抑制策略，并设计出相应的放大器;基于对电容耦合技术、正反馈输入阻抗提高技术的研究，论文提出一种同时采用斩波、自调零技术的低功耗高输入阻抗电容耦合放大器的设计方案并予以实现。上述芯片都在SMIC0.18μm CMOS工艺下通过了仿真验证。在前述工作基础上，又重点研究了电极失调电压抑制技术，并提出一种新颖的开关电容共模反馈技术，提高放大器性能，降低功耗，论文最后还论述了一种新型的寄生电容负效应。
　　 所设计的的验证芯片采用SMIC0.18μm CMOS工艺设计完成。在供电电压为1V，供电电流3.7μA的情况下，噪声功率谱密度仅为42nV/√Hz。放大器的输入阻抗在50MΩ以上，闭环增益为40dB，带宽可以设置为0.06Hz-lkHz或者0.06Hz-10kHz，以适应EEG或者神经信号记录的应用场合。THD在1％以下时的最大输入电压为16mVpp。