生物医学信号CMOS模拟前端芯片设计与研究硕士毕业论文

I 摘 要 随半导体技术开始应用在生物医学领域中，“生物医学微电子技术”这门新的交叉学科也在迅速发展。该技术面向于人类的健康，利用半导体科学的成熟技术，将信息技术与生命科学结合，同时借鉴材料学、化学、物理学等多种学科的理论与方法，具有重大的科学价值和社会意义。而模拟前端链路作为衔接生物医学信号和后续信号处理的重要桥梁，在生物医学信号采集系统中具有重要作用。本文以有效提取生物医学信号为切入点，研究基于生物医学信号的本文通过对生物医学信号特征和采集环境的分析，心电信号模拟前端链路板级系统的搭建，探索、分析和验证适合生物医学信号模拟前端链路芯片级的设计思想。在对系统层次整体分析、计算和仿真后，提出了一款低噪声、低功耗、增益和带宽均可配置的模拟前端链路。该链路采用改进型的“交流耦合构，运用低噪声、低功耗技术，兼用抗混叠滤波技术来实现生物医学信号的高质量提取和放大。整个模拟前端芯片主要由低噪声前置放大器、可变增益放大器、开关电容滤波器和偏置电路组成。前置放大器采用“流耦合方式，具有低噪声、抑制基线漂流的性能；可变增益放大器用于将采集到的生物信号放大到后端电路可接受的幅度；四阶的开关电容滤波器可抑制信号带外噪声，并可消除由于 真结果显示，低噪声前置放大器带内等效输入积分噪声为 内单频点噪声小于300体电路中增益、带宽均可调节，在高频截止点处以95有效抑制带外噪声，提高输出信号信噪比。 芯片采用心电路面积为785m 485m，测试结果表明，在 电源供电情况下，内单频点平均噪声小于 300100益可有8种选择，片性能基本满足医学生物信号采集的要求。 关键词：模拟前端链路；低噪声；开关电容滤波器；交流耦合；生物医学信号 in an is is to of of of so it a is an to it an in on in to of of in of of of of to of of of by DC an a in 00of be at 5 dB 0 it of C 85m 485m. of in 00be 10Hz 0of mW a C a of 录 摘 要.一章 绪论.文的研究背景和意义.物医学信号模拟前端芯片国内外研究现状.文的课题来源.文的主要工作与结构安排.二章 生物医学信号模拟前端电路设计考虑.物医学信号概述. 生物医学信号种类. 生物医学信号特征.样电极以及电路模型.路设计考虑.章小结.三章 模拟前端链路板级设计与验证.级系统架构设计. 心电检测电路. 滤波电路. 模数转换与无线传输.统实现与测试.章小结.四章 芯片系统解决方案设计考虑.统架构分析设计.置放大器设计考虑. “交流耦合大器. 仪表放大器.变增益放大器设计考虑.波器设计考虑.章小结.V 第五章 芯片关键电路设计.噪声、低功耗新型前置放大器设计. “交流耦合电容反馈式”型结构. “构分析与改进. 低噪声.变增益放大器电路设计.关电容滤波器电路设计. . 全差分开关电容积分器实现. 四阶开关电容滤波器实现. 模反馈电路和两相不交叠时钟设计. 四阶抗混叠滤波器仿真结果.体系统仿真.章小结.六章 模拟前端芯片版图设计和测试结果.图设计分析. 版图设计的匹配和对称. 版图设计的基本技巧.片测试结果. 低噪声前置放大器测试结果. 可变增益放大器测试结果. 开关电容滤波器测试结果. 模拟前端链路测试结果.章小结.结与展望.考文献.读硕士学位期间取得的研究成果. 谢.一章 绪论 1 第一章 绪论 文的研究背景和意义 21世纪是信息爆炸的时代，而呈现信息的主要载体是依托于现今快速发展的半导体技术，该技术已深入到各个行业当中。目前，我国是世界上人口最大的国家，这必然对普通医疗服务需求也是最大，而且我国已经进入老龄化社会，2007年全国人口抽样调查数据显示，并且呈快速发展的阶段。预计到2050年，65岁以上人口将接近总人口的四分之一1。人口老龄化问题给我国现行的医疗体系带来了较重的负担。另一方面，随着人们生活节奏的加快，工作压力越来越大，处于亚健康状态的人群规模也越来越大，心脏病、高血压、糖尿病成为影响人们健康的三大杀手。对突发疾病进行提早诊断和及时治疗，实时监控患者的健康状况，成为了全社会的迫切需求。而将快速发展并已成熟的半导体技术与生物医学领域相结合起来，可为上述问题的解决提供很好契机和方法，“生物微电子技术”也因此应运而生，并以飞速的速度发展。在这个过程中，生物医学芯片是生物微电子技术这门交叉学科的重要产物，它不仅为生物体信号和医护人员地监控、治疗和诊断构建了有效、可靠的桥梁，而且能最大程度上改善医学仪器的便携性和精确性，可使其智能化、微型化、高性能化，为全民健康工程中的个性化医疗提供优良的技术解决方案。 大多数医疗设备往往需要对生物医学信号进行观测、分析和处理，这样才能及时和准确地诊断与治疗。而生物医学信号是人体最直接，最原始，也是最能反映病症的信号，其幅值小，频率低，极易受外界设备和环境干扰，从而会叠加大量噪声，降低信号信噪比。因此从人体中正确、有效地提取生物信号往往具有很大挑战性，该环节性能的好坏将直接影响着后续信号地处理和分析，并最终影响对病理特征地发现和诊断。而本论文研究的课题正是以此为出发点，旨在设计一款低噪声、高性能的模拟前端链路芯片。它能从复杂生物体环境中有效提取原始信号，放大到合理的幅值，抑制带外噪声，提高输出信号信噪比。低噪声、低功耗、性能优良的模拟前端芯片是众多生物微电子技术所追求的，这对生物医学芯片的发展也有着十分积极的意义。 物医学信号模拟前端芯片国内外研究现状 近年来，生物医学的迅速发展以及疾病种类不断的复杂化，要求对更多种类的生物信号进行观测，从而辅助医护人员做出及时正确地诊断。心电信号、神经电信号、脑电华南理工大学硕士学位论文 2 信号和肌电信号等作为常见的生物信号成为最常研究的对象。为了能在不同生理环境中正确有效提取这些微弱、复杂的生物信号，多种不同模拟前端链路方案也被广泛的研究。 流耦合扑结构的集成生理信号链路，在2003年诞生以后被广泛引用，截止2009年12月1日已被53 次2该链路的前置放大器采用电容耦合方式，通过电容比来设置增益，在反馈处采用伪电阻技术，大大提高信号采集的稳定性，降低系统噪声。随后。, 等在他们的研究中也分别运用了该拓扑结构6。 几乎所有的产品化前置放大器芯片都基本上采用仪表放大器结构，它以高的共模抑制比、高输入阻抗特点著称。2006年台湾共模抑制比的神经信号前端链路7。但传统仪表放大器存在匹配问题，为此和、于2007年使用了基于电流模仪表放大器来克服匹配的问题，但又保持了传统仪表放大器的优点。 由于记录电极与参考电极间存在直流漂移。该直流漂移电压由发生在“组织面的电化学效应所引起，通常高达数百毫伏10。为此模拟前端链路与生物体采取的耦合方式也不尽相同。此不存在直流漂移问题。1，通过调节该管的电阻并反馈来控制输入的共模电平。用直接耦合方式设计了用于神经信号的记录放大器12。 此外通过斩波技术而设计的模拟前端链路方案也备受关注。3。效输入噪声低至30z,单个通道功耗低于20W。2007年用新型的交流耦合斩波仪表放大器设计一款可记录不同生物信号的模拟前端链路14。该芯片采用5模抑制比为120 电源抑制比大于80 入参考噪声为57 z，功耗为60 W。 对于模拟前端链路而言，低噪声、低功耗前置放大器处于链路最前端，也是最核心的部分。除此之外，还需要一定的滤波器来抑制带外噪声，提供生物信号的输出信噪比。通常滤波器采用有源滤波器和开关电容滤波器两大类，有源滤波器属于连续信号处理的滤波器，功耗较低，面积较小，但不适合做高阶滤波。开关电容滤波器具有较高精度，特征频率可调以及能较易设计为高阶等优点而被采用。 第一章 绪论 3 文的课题来源 本文课题来源于国家自然基金项目 “生物医学用植入式无线能量传输及射频集成电路的研究”，(编号：60976026)。该项目主要研究植入式生物低频微弱信号的放大、转换、传输及无线能量传输芯片设计的理论及实现方法。 文的主要工作与结构安排 本论文的主要工作是探讨如何在非理想的采集环境下，针对多种生物医学信号，采用 成电路的设计方法来高精度的提取生物医学信号。本论文首先在板级系统上搭建心电信号前端链路，探索、验证和分析适合生物信号模拟前端链路芯片级的设计思想和考虑。然后从系统设计层次出发，通过对生物医学信号特征的描述以及对电路设计所面临挑战的分析，阐述生物医学信号采集的系统设计方案，并提出一款低噪声、低功耗、增益和带宽均可配置的模拟前端芯片。整个模拟前端芯片主要由低噪声、低功耗的“置放大器、可变增益放大器、开关电容滤波器和偏置电路组成。该模拟前端链路采用电源供电，完成了第一版芯片设计。它具有低噪声、低功耗、增益带宽可调的特点，并采用多通道扩展的功能，可适用于多种类的生物信号采集。通过对第一版芯片中的“置放大器进行改进，单独设计了改进的“置放大器，并完成第二版芯片设计，由于时间有限，第二版芯片有待测试。 第一章：绪论。分析生物医学信号模拟前端芯片研究的背景和意义，并介绍最近几年国内外在该领域的研究现状以及采用的设计方法，为本文的设计提供指导。 第二章：生物医学信号模拟前端电路设计考虑。详细介绍和分析生物医学信号的特征以及采集环境和采集电极的特性，从而为前端链路的设计提出性能上的要求。 第三章：模拟前端链路板级设计与验证。从板级系统设计出发，搭建有效测试心电信号的模拟前端平台，并完成制板、焊接和调试，为芯片级设计提供指引和方向。 第四章：芯片系统解决方案设计考虑。根据前几章的分析，重点从低噪声、可变增益带宽、高质量的模拟前端芯片设计出发，进行系统设计分析和仿真，确定系统模块电路选项和设计指标。 第五章：芯片关键电路设计。对前端链路中各个模块进行原理的分析和计算，电路的设计和仿真，最终完成前端链路设计。 第六章：模拟前端芯片版图设计和测试结果。对模拟前端芯片进行版图设计和分析，华南理工大学硕士学位论文 4 并对流片后的芯片进行模块和系统测试，最后对测试结果进行分析和讨论。 总结与展望：对本论文的主要工作内容做了总结，并对未来进一步的工作和研究做了展望和分析。 第二章 生物医学信号模拟前端电路设计考虑 5 第二章 生物医学信号模拟前端电路设计考虑 生物医学信号是生物体自身生命运动中不断发出的生理信号，如心电、脑电、神经电信号等等，能反映生物的生命活动的规律和特征。本章主要介绍生物医学信号的特点，并分析提取生物医学信号的模拟前端电路的设计难点和设计考虑。 物医学信号概述 物医学信号种类 人体的神经细胞在受刺激或者自主传递信息时，会在细胞内外两侧产生电位差，该电位差经过传递后变成了电脉冲，这些原始的电脉冲就是最基础的生物医学电信号。肌肉在进行各种活动时也伴有电信号的产生。常见的生物电信号有心电、脑电、肌电、眼电等。生物非电信号是由于人体各种非电活动产生的信号，常见的非电信号有血压、体温、呼吸、血流、脉搏等15心电信号和神经电信号是生理病症判断中常用的两种信号，在本文中主要以该两种信号为例，来阐述模拟前端芯片的设计。 心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位差是等电的。心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着生物电的变化，这些生物电的变化称为心电信号17。心电信号在生物电信号中属于较强类的信号。 神经信号是一种电位差信号18。神经细胞在静息状态下，有外正内负的静息电位（外钠离子内钾离子）。当受到刺激后，细胞膜上少量钠通道激活开放，钠离子顺着浓度差少量内流，膜内外电位差逐渐减小，发生局部电位。当膜内电位变化到达阈电位时，钠离子通道大量开放，膜电位发生去极化，激发动作电位。随着钠离子的进入，外正内负的电位情况逐渐变成外负内正。从变成正电位开始，钠离子通道逐渐关闭，钠离子内流停止，同时钾离子通道激活开放，钾离子从细胞内流到细胞外，膜内少了钾离子，变得不那么负了，膜电位逐渐减小，恢复到静息电位（即外正内负）的水平，由于在正常情况下细胞膜是外钠内钾，此时却是外钾内钠，所以这时钠耗离子泵回，恢复了静息状态。此时完成一个动作电位的产生。由于兴奋部分和其相邻的两个静息部位存在着电位差。膜外的正电荷由静息部位向兴奋部位移动，膜内的负电荷由兴奋部位向静息部位移动，形成局部电流。在膜内，兴奋部位相邻的静息部位的电位上升，在膜外，兴奋部位相邻的静息电位下降，去极化达到阈电位，又华南理工大学硕士学位论文 6 触发相邻静息部位膜发生动作电位，继而继续向两边传递，这样就产生了一个神经脉冲信号。神经信号在生物医学信号中属于较弱类型。 物医学信号特征 生物医学信号反映的是各个生命体的特征，会因个体差异和环境差异而不同，有着一般信号所没有的特点。下面是生物医学信号不同其它信号的主要特征19 (1) 信号幅度小：由于生物信号来源于生物体化学离子的作用而产生的，因而幅值微弱，从图2电信号（肌电信号（于较强信号，通常在5脑电信号（于较弱信号，幅值通常在10V，脑干听觉诱发响应信号甚至小于1 V21。 图2常见生物医学信号幅频分布图 (2) 频率范围一般较低：从图2于10k 中心电信号大约在1k 电信号在100经信号频率较大，在110k 图2常见生物医学信号与干扰信号频率分布图 (3) 噪声强：由于生物医学信号自身信号弱，加之人体是一个复杂的整体，因此信号易受噪声的干扰。如图2方面生物医学信号存在相互交叠的部分，会彼此第二章 生物医学信号模拟前端电路设计考虑 7 之间产生串扰，另外一方面，在环境中存在着大量的噪声，例如工频噪声，仪器噪声等，这些噪声幅值较大，在采集的过程中，很容易叠加到生物医学信号当中。 (4) 随机性强：生物医学信号不但是随机的 ,而且是非平稳的。在“组织面的电化学效应会引起直流漂移电压，通常高达数百毫伏，而且随生物体的活动产生不稳定无规律地变化。 样电极以及电路模型 电极是摄取人体内各种生物电现象的金属导体，也称导引电极。它的阻抗，极化特性、稳定性等对测量的精确度影响很大。优良的电极能从生物体环境中有效的提取出所需要的生物信号。通常电极分为两种：湿用电极和干式皮肤电极。 a) b) 电极结构 图2电极实物图和结构图 湿用电极主要用于生物体皮肤表面，例如测量心电信号时所用的心电电极，如图2类型电极采用银过银粉和氯化银粉压制而成，使用时，电极片和皮肤直接充满导电膏或盐水棉花，形成一薄层电解质来传递心电信号，从而有效地保证了电极片与皮肤的良好接触，也有利于极化电压的减小22 图2干式皮肤电极形貌、显微与扫描电镜照片 干式皮肤电极相对于传统商用“湿电极”而得名，与现有商用湿电极相比，不仅具有尺寸小、重量轻、安放方便、可重复使用等优点，而且在使用过程中不使用凝胶、导电膏等辅助材料，更易避免在长期使用中产生皮肤过敏等现象。此外，与传统电极相比，华南理工大学硕士学位论文 8 干式电极与皮肤接触阻抗较低，从而在信号质量方面具有明显的优势。图2干式皮肤电极是生理信号检测领域的一项革命性技术。该电极是基于 术设计与制造，表面由直径只有数十微米的密排微针阵列构成。将干电极贴入皮肤可以轻易的穿透角质层到达表皮层，该层具有导电的性能，而且几乎很少的神经细胞和血管，因此没有疼痛感。 体表电极在理想状况下的等效电路模型如错误！未找到引用源。5 所示24，其中溶胶接口以及接口极化相关的等效阻抗。误！未找到引用源。6所示为体表电极阻抗关于频率的变化曲线，电极的阻抗会随着频率的变化而变化。低频段阻抗主要是由频段抗接近于图2采集电极等效电路模型 图2采集电极阻抗与频率关系曲线 路设计考虑 经过前文地介绍，我们知道生物医学信号具有幅值低，频谱低，极易受到干扰， 存在随机不稳定等特征，为此我们将根据上述特征明确在模拟前端芯片设计中所需要考虑的性能需求。 (1)可变增益：由于生物医学信号较微弱，为了能更好更有效地从细节方面进行观察，需要模拟前端芯片能对该微弱信号进行放大，而且因个体差异、信号种类不同，生物医学信号的幅值也不同，为此也需要能对增益大小进行调节，直至合适的幅值。 第二章 生物医学信号模拟前端电路设计考虑 9 (2)抗噪声能力强：在信号采集和提取过程中，主要的噪声来源两方面：一个是环境存在的噪声，该噪声的产生我们是不能消除的，另一个是电路系统本身存在的噪声。为了能提高输出信号的信噪比，必须从上述两方面着手进行处理。前端链路中需要存在一个带通滤波器，将所需要的生物医学信号保留下来，将不需要的带外噪声尽最大程度的降低，此外前端链路需要进行低噪声设计，使电路自身噪声降至最低。 (3)可变带宽：由于生物信号种类的不同，其频谱也会发生变化。为了能合适测量多种生物医学信号，需要前端链路存在一个可调的带宽，通过调节带宽将被测生物医学信号完好的保留，带宽外的信号均被抑制。 (4)高输入阻抗：在前端链路之前存在的生物体环境和采样电极，而电极自身存在一定阻抗，与生物体接触时也会有接触阻抗。过低的放大器输入阻抗将产生“加载效应”，造成输入电压在进入放大器前被提前衰减。因此需要加大前端链路的输入阻抗，使其能最大幅度的提取生物医学信号。 (5)低功耗：低功耗一直是电路设计中所追求的。许多生物医疗设备是对生物体进行长期观察和诊断，采用低功耗设计对此是十分有意义的，对于移动便携式的设备，电池是主要的供电电源，低功耗设计显得更为重要。因此，在保证模拟前端链路性能达到要求的情况下，低功耗设计也是一个重要的指标。 章小结 本章首先对生物医学信号的种类进行介绍，总结出生物医学信号幅度低、频率低、噪声大、稳定性差的几个主要特征，然后对采集信号使用的电极进行分类和等效模型介绍。最后，以最有效地提取生物医学信号为目的，阐述了模拟前端链路设计中所需要考虑功能和性能上的要求，为后文的系统设计和模块化设计提供指引。华南理工大学硕士学位论文 10 第三章 模拟前端链路板级设计与验证 为了提高模拟前端链路芯片级设计的可行性和可靠性，本章以心电信号为探测目标，设计板级系统的心电模拟前端链路，通过蓝牙方式在手机端进行实时显示。通过验证该板级系统，从而找到一个合适的解决方案，为芯片级的设计奠定一定的基础。 级系统架构设计 根据第二章对生物医学信号特征的讨论以及对模拟前端链路性能的分析，本章将片机和蓝牙无线传输技术相结合，并利用新型干式皮肤电极和智能手机，设计一款基于手机蓝牙的心电监测系统，该系统可不受时间和地点的限制就可以通过手机观察自己的心电信号，有效验证该模拟前端链路性能。 图3心电模拟前端板级系统框图 心电监测电路为系统的核心，主要分为四个部分：通滤波器、单片机和蓝牙模块，系统框图如图3中，心电信号功耗、高共模抑制比的特点，将毫伏级心电信号进行放大（增益为2000倍）。该款前置放大器采用“交流耦合电容反馈式”的拓扑结构，能有效抑制人体电极间的直流漂移电压，并提高输入阻抗，从而有效地提取微弱心电信号25。此外，该放大器具有较高的共模抑制比，能够有效抑制共模干扰（如工频等）。放大器同时采用了亚阈值区偏置等特殊低噪声设计技术，使其具有良好的噪声性能。带通滤波器采用 59在滤除掉心电频率以外的噪声。单片机（置了12位的高速模数转换模块，处理放大和滤波后的心电信号，并通过串口的方式控制外部蓝牙模块，将数据发送至智能手机进行实时显示，有效传输距离可到5米以上。 第三章 模拟前端链路板级设计与验证 11 电检测电路 图3前置放大器分为两级，第一级采用交流耦合全差分放大器的形式，能有效抑制消除记录电极与参考电极间的直流漂移。方面可以给 供直流偏置，另一方面可以与 有效抑制电路中的低频噪声。通过控制伪电阻的栅压可以控制伪电阻的阻值，从而控制了低频截止点的位置，这由一个 实现。第一级的增益主要由 2来决定，在我们的电路中，增益设置为200，避免使用电阻比例可消除电阻带来的热噪声。为了进一步放大心电信号，增加第二级放大器，采用 10 倍增益的常规直流耦合电阻反馈结构26。 波电路 尽管 置放大器具有高共模抑制比和低噪声的特性，能有效抑制大多共模干扰信号。但是，由于皮肤电极与人体的接触存在个体差异，加上人体、导线与周围导体的电容或电感性耦合和输入阻抗的不平衡等因素，外界的电磁干扰仍会在一定程度上影响到放大器的工作质量。此外，采样会引起混叠现象而带来噪声，在信号采样之前，在模拟域对带外信号或高频噪声进行抑制，能有效提高信号的信噪比。为此，在放大电路中还要考虑滤波的问题。 00 进一步减小系统噪声，更准确的提取心电信号，本文设计一个带通滤波器，在模拟域滤除带外的低频和高频干扰信号。图3主要由二阶低通有源滤波器和一阶高通有源滤波器组成。 华南理工大学硕士学位论文 12 图3带通滤波器原理图 二阶低通有源滤波器采用直接耦合方式，选用入信号输函数如式(3示。其中2=100 k，2=，低通特征频率 (2 159 11 21 1 1 1 11s (3第二