便携式心电信号采集电路的研究与设计

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近年来,生物医学芯片成为了集成电路领域的研究热点,而生物电信号采集模拟前端电路作为生物医学信号检测系统的重要组成部分,其性能直接影响着整个系统的精确性和有效性。本文通过分析心电信号的特征及采集电极的特点,设计了一种具有便携式、低功耗和低噪声的心电信号采集模拟前端电路。本文所设计的心电(Electrocardiography,ECG)信号采集模拟前端电路主要包含仪表放大器、运算放大器、右腿驱动放大器和基准电流源等模块。仪表放大器采用间接电流反馈式架构,其核心电路采用差分折叠式共源共栅(cascode)结构,输入对管采用了互补CMOS输入对,可实现轨到轨的共模输入范围,同时提高了电源利用率,并降低了外界噪声干扰。此外,针对因采集环境及采集个体不同而导致的心电幅值的微小变化,设计了一种采用了Sallen-Key拓扑结构的运算放大器,通过改变其中的可调电阻实现了增益以2.5倍的步进均匀可调。为了进一步改善系统的共模抑制比,本文设计了具备积分器功能的右腿驱动电路,以及带温度补偿的基准电流源电路,可为主体放大器电路提供稳定的偏置电流。基于0.18μm CMOS工艺对所提出的心电采集模拟前端电路进行电路设计及版图设计。仿真实验结果表明所设计的心电采集模拟前端电路总电流仅为120μA,带宽为0.43 Hz43.91Hz,最大增益为60.83 dB且增益可调,可抑制300 mV的心电电极失调电压。心电采集模拟前端电路的等效输入噪声为3.5μVrms,版图面积为1.3 mm×0.84 mm,心电采集模拟前端电路的性能基本满足心电信号采集的要求。
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