【摘 要】
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当今社会生物医疗、集成电路等技术快速发展,可穿戴式医疗设备可方便快捷地采集、分析人体生理信息,对疾病进行及时准确的预测和分析而受到广泛关注。其中光电容积脉搏波（PPG）是近年来可穿戴式医疗设备领域的研究焦点之一,要求其读出电路能够具有高精度、大摆幅、低功耗、低噪声、低失调等特点。考虑到读出电路的上述需求,本文重点从理论分析与电路实现方面研究了提高信噪比SNR的方法,提出了通过调整主放大器闭环带宽B
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当今社会生物医疗、集成电路等技术快速发展,可穿戴式医疗设备可方便快捷地采集、分析人体生理信息,对疾病进行及时准确的预测和分析而受到广泛关注。其中光电容积脉搏波（PPG）是近年来可穿戴式医疗设备领域的研究焦点之一,要求其读出电路能够具有高精度、大摆幅、低功耗、低噪声、低失调等特点。考虑到读出电路的上述需求,本文重点从理论分析与电路实现方面研究了提高信噪比SNR的方法,提出了通过调整主放大器闭环带宽BWTIA降低带内总积分噪声量来实现低噪声设计。这相较于传统的调整脉冲重复频率（PRF）改善SNR方法,在整体电路设计的复杂度与低功耗等方面具有独特优势。在此基础上,论文提出的PPG读出电路系统架构,其主要特点包括:（1）提出了针对PD光电二极管的新型电压偏置电路结构,以减小PD管寄生电容对电路稳定性的影响,同时可以通过调节输入的偏置电压,使得对不同PD管具有更好的兼容性与适应性;（2）通过电流镜实现PD管与主放大器输入端的隔离,简化主放大器在环路稳定性的设计要求;（3）实现全摆幅输出,提高电路能够达到的最大增益。作为电路核心,主放大器则是采用全差分跨阻放大器（TIA）的结构,包括PMOS输入级（包含额外的共源级）、中间增益级以及Floating Class-AB输出级,其中增益级既可选用电阻形式在保证电路稳定的基础上拓展兼容性,也可采用Cascode结构与P/NMOS对管来进一步提高增益,保证电路关键节点电压的匹配性。这样的三级结构在提供较大的增益的同时,提高了驱动输出的能力。主放大器通过调节反馈元件RF与CF的参数可实现可调的闭环增益与带宽。芯片在UMC 55nm CMOS工艺下完成电路设计、仿真与版图绘制。仿真结果表明,在系统电源电压1.2V下,PPG读出电路消耗46.4μA的电流。当跨阻增益为50kΩ时,在带宽分别为200KHz、500k Hz、1MHz时等效输出噪声相应地为50.13 n VRMS、91.01n VRMS、107.67 n VRMS;系统跨阻增益在5kΩ到1MΩ范围内可调,最大输入电流范围能够达到50μA。同时电压偏置电路可以为PD管提供足够的偏置电压,其典型值为0.4V-0.6V。
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