近年来,随着生物医学工程与集成电路领域的飞速发展,应用于生物医学信号采集的低噪声、低失调、低功耗、高性能专用集成电路以其广阔的应用前景和迅猛的发展势头,获得了越来越多的关注,并在此基础上逐渐形成了新的交叉学科——生物医学芯片设计。模拟前端集成电路作为生物医学采集系统中最为关键的模块,主要用来实现信号的预处理及放大。本文基于生物医学信号特征及其采集环境的分析,探讨了微弱信号采集电路在设计上面临的挑战以及实现方式,通过对采集电路的基本功能及电路设计的关键问题的研究,提出并设计了一款基于生理信号采集的多通道模拟前端集成电路。整个模拟前端集成电路系统包含低噪声、低失调前置运算放大器、高灵敏度电流-电压转换器、可调增益电流模仪表运算放大器、基准源等模块。该电路的特色为适用于多种生物医学信号采集,具有可调增益、低失调电压、较低的等效输入噪声以及高的共模抑制比(CMRR)性能,同时提供轨对轨的输出信号摆幅,具有大的电路驱动能力。噪声、失调电压作为生物医学信号采集系统的一个关键问题,本文从理论与电路实现上对低噪声及低失调设计进行了详细的分析与讨论,提出采用连续时间共模反馈(CMFB)原理来实现低失调放大器设计,仿真结果显示设计的低噪声、低失调前置放大器失调电压小于80μV,1Hz频率点的等效输入噪声为2.1μV,功耗为31.8μW。设计了采用误差反馈机制的电流-电压转换器,其转换因子为32 mV/nA,可满足微弱电流信号的采集。摒弃了传统的基于电阻匹配的仪表运算放大器,设计了基于电流模结构的高性能仪表运算放大器,其增益为可编程控制以适用于多种生物医学信号,且AB类的输出级设计以减小信号失真并增加电路的驱动能力。最后为了给系统提供高精度的偏置,设计了高电源电压抑制比及低温度漂移的电压基准以及电流基准。芯片采用SMIC混合信号0.18-μm CMOS 1P6M工艺制作,核心电路的芯片面积约为1 mm2。芯片测试结果显示:在1.8 V单电源供电电压下,输入失调电压小于97μV,共模抑制比大于100 dB,可调增益值为0 dB,30 dB,50 dB和70 dB,功耗约为387μW。最后通过对人体进行ECG信号实时检测实验,验证了该多通道模拟前端集成电路芯片能够基本满足生物医学信号采集要求。
