论文部分内容阅读
心脏是人体最重要的器官,它的跳动规律能够反应人体状态是否正常。心脏的跳动会产生心电信号,将信号提取出来就可作为观测心脏状态的依据。所以心电信号读出电路一直是研究热点。近年来便携式心脏监护系统受到人们的高度关注,因此研究和设计高性能的心电信号读出电路具有重要的意义。本论文主要完成了用于心电监护系统的心电信号读出电路的研究与设计,该电路包含五个方面的模块,分别是系统主放大器、电荷泵电路、导联脱落检测电路、快速恢复电路及轨到轨运算放大器。系统的设计工作分为两个阶段进行:第一阶段是完成主放大器的设计和流片测试;第二阶段的工作包括对第一阶段电路的改进,并设计电荷泵电路、导联脱落检测电路、快速恢复电路和轨到轨运算放大器。本文针对传统心电信号读出电路共模抑制比不够高、输入共模范围受限、片外元件较多及信号干扰较多等问题,作了如下措施:采用电流反馈型仪表放大器并加入失调抑制电路作为系统主放大器。并通过采用电荷泵来提高输入共模范围;考虑到监护系统导联线会有脱落的情况发生,本文设计了导联脱落检测模块;由于系统建立时间过长,本文设计了快速恢复电路,有效降低了建立时间;同时,系统集成了三个相同的轨到轨运算放大器A1、A2、A3,其中A1用于提供低通滤波和额外的增益,A2用于抑制电力线干扰,A3用于提供基准电压。电路基于GLOBALFOUNDRIES 0.18μm CMOS工艺进行设计,并对第一阶段电路实现了流片,芯片面积为346μm×346μm,测试结果表明:在电源电压为2V时,电路3dB带宽为2kHz,总谐波失真为-64dB,共模抑制比为120dB,在0.1Hz～100Hz的范围内,总输入参考噪声为0.78μVrms,功耗为121.6μW,可以消除±140mV的失调电压。第二阶段仿真结果表明:在电源电压2V时,系统主放大器3dB带宽为2kHz,总谐波失真为-75.4dB,共模抑制比为118dB,在2kHz带宽下总输入参考噪声为0.85μVrms,电荷泵输出电压为3.9V,轨到轨运算放大器A1、A2、A3的带宽为448kHz,直流增益为126dB。本文有如下创新结果和结论:(1)本文利用积分反馈作为主放大器的失调抑制,有效降低了失调电压的影响。(2)本文采用电荷泵升压电路,将系统主放大器输入级的电源电压升高两倍,使得输入共模范围高于系统供电电压。(3)本文设计的电路具有导联检测功能,丰富了电路功能。上述的设计和研究结果表明,本文所设计的心电信号读出电路符合设计需求,具有较好的性能,功能较为完善,具有良好的实际意义。