【摘 要】
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随着人们对健康生活的向往以及人口老龄化的加剧,现有的医疗系统难以负荷,亟需寻求更高效的运作模式。移动健康检测设备可以让人们在日常生活中检测自己的健康状况,有助于及时高效的针对相关疾病进行诊断。但移动健康检测设备和临床检测设备应用场景迥异,例如临床ECG检测通常使用湿凝胶来减小接触阻抗和电极失调,失调范围通常小于±50m V。若移动健康检测也使用湿凝胶,则慢性病人长时间使用后容易造成皮肤溃烂。因此需
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随着人们对健康生活的向往以及人口老龄化的加剧,现有的医疗系统难以负荷,亟需寻求更高效的运作模式。移动健康检测设备可以让人们在日常生活中检测自己的健康状况,有助于及时高效的针对相关疾病进行诊断。但移动健康检测设备和临床检测设备应用场景迥异,例如临床ECG检测通常使用湿凝胶来减小接触阻抗和电极失调,失调范围通常小于±50m V。若移动健康检测也使用湿凝胶,则慢性病人长时间使用后容易造成皮肤溃烂。因此需要使用干电极,但干电极的失调电压可能高达±300m V,这将很容易导致前端放大器出现饱和而失去放大能力。针对移动健康电子设备的特殊性,本文设计了一款低功耗、低噪声的电容耦合斩波放大器,系统涵盖纹波抑制回路、增加输入阻抗的辅助通路和电极失调抑制电路。为了形成电极失调抑制电路频率特性极低的高通角,以抑制电极失调,通常需要使用版图面积小阻值极高的伪电阻。但常见的伪电阻结构线性度较差,一定程度上恶化了电极失调抑制电路的频率特性。本文对常见的伪电阻如单一MOS伪电阻、对称结构和并联结构伪电阻结构等进行了深入研究,总结了这些伪电阻结构在不同电压极性上表现出的线性度差异,在此基础上提出了一种线性度更优的精简伪电阻结构。仿真结果验证了提出的伪电阻结构相比其他的结构具有较好的谐波失真性能。在此基础上,提出了一种衬底反馈的电极失调解决方案,利用放大器输入端的寄生电容与衬偏效应来抑制±300m V电极失调,因此数字电极失调最大所需电容为1.37p F,相比传统方式减小了29%的面积。采用标准180nm CMOS工艺对提出的电容耦合斩波放大器进行了设计验证,后仿真结果表明:在1.8V电源电压下,系统静态电流仅为5.4μA,带宽内的增益为40d B,高通截止频率可以在0.5-49Hz内调节,等效输入失调电压为6.68μV,直流输入阻抗为449MΩ,电极失调抑制范围为±300m V,总谐波失真为-60d B,共模抑制比为92d B,在无电极失调和300m V电极失调下的噪声有效因子分别为3.93和7.4,版图面积为834μm*324μm。提出的电容耦合斩波放大器适合移动健康检测应用。
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