（微电子学与固体电子学专业论文）基于红外传感器的心跳探测芯片的设计.pdf

基于红外传感器的心跳探测芯片的设计 摘要 本论文完成了一个基于发射型红外线传缮器的c m o s 模撅专粥集成魄路的 设计，它构成的红外系统具有探测心跳频率的功能。设计根据人体组织的半透明 菠会随心箍魏韵丽交纯静特点，出传撩器探灏药这一交往，通过专蠲集成嘏路将 信号放大并利用，获得心跳频率。本模拟芯片结合数字电路可计算即时心率或统 诗心跳慧数。谂文设 卡了系统中翡模熬专弱集成电路一一售号疆取粪转换麓数字 信号的电路。 本文蓄先豳述了心跳探溅系统帮c m o s 工艺懿发展秘瑷炊。说龌了谦熬粒来 源和研究意义。提出研究方法及主要设计路线，介绍了论文开展的工作。在了解 缀外辐射理论的基础上，阐释了红终线传感器原理，对传感器的基本参数遴行分 析，同时介绍了反射型红外传感器基本结构与原理。文章的核心是芯片电路的设 计，首先根据电路功能设计了芯片大体的结构和引脚，详细列出芯片在应用时的 外围电路，对设计需要速到的参数标猴做了简要夯缁。设计中选择了r c 撅荡电 路，并加分频器实现了设计振荡频率1 k h z 的输出。在稳压源电路设计中，采用 了运算黢大器受反馈的形式，经参考嘏压源为2 + 2 并在电瓣大予2 3 v 辩保持稳 定，隔离了电源噪声。信号通路中包括信号发生放大电路、滤波电路、整形电路 帮输出壤路。逶遘信号逶臻，传感器生霾豹落掭波绩号转变凳与辣薅频率糕同豹 方波。先由运算放大器接共集电极电路完成信号放大，通过滤波得到脉搏信号的 频率，从嚣用滤波器电路完成了嬲调功瞧。繁遥滤波魄路增麓鬼4 4 d b ，3 d b 点设 计在1 h z 和7 h z 。最蔚运用自适应迟滞比较嚣作为整形器，将信号转化为方波。 论文对电路进行了详细的分板和仿真。芯片版图的设计中采鼹了绿牮半导体公司 f | f 勺0 6 , u m ，5 v c m o s 工艺库，工艺纂本特裁为多晶硅栅，单层金糯布线。利用 c a d e n c e 完成版图设计。论文竣蜃基于芯片测试理论，针对芯片流片后的部分测 试缩采，对振荡出现黪噪声闻蹶给出了初步分析，并结合投片工艺探讨了工艺原 因与产生机理。 该设计在静端仿真中满足了设计瑟求。经过第一次流笄精的筠擎封装，外按 辅助电路后，部分芯片实现了预期的功能。基本上达到第一步设计的要求。为进 一步完蛰芯冀逡入实霜纯打下了囊努蘩疆。 麓键词：c m o s 模拟专用集成电路：心跳探j 9 l | i ：红外线传感器；滤波器；囱适应 魄较器；参考魏压源 i l 硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，a na n a l o gc m o sa s i cb a s eo ni n f r a r e ds e n s o rh a db e e n s u c c e s s f u l l yd e s i g n e d ai n f r a r e ds y s t e mw i t hw h i c hc a nd e t e c t et h ep u l s eo f h u m a n ：b e c a u s eh u m a nb o d ya r es e m i t r a n s p a r e n t ，a n dt h et r a n s p a r e n c eo fi t c h a n g e a l o n gw i t ht h eh e a r tb e a t t h ei n f r a r e ds e n s o rc a nd e t e c t et h ec h a n g e ，w em a yt a n s l a t e t h es i g n a lf r o ms e n s o ri n t oad i g i t a lf o r mb yac m o si c w h e nt h es i g n a lc h a n g ei n t o ad i g i t a lf o r m ，a n o t h e ri cc a ng e tt h er h y t h mo ft h eh e a r tf r o mt h ea n a l o gi c t h i s a r t i c l ed e s i g n e dt h ea n o l o g ei cw h i c hg o tt h es e n s o rs i g n a li n t od i g i t a lf o r m f i r s t ，t h ed e v e l o p i n gh i s t o r y ，p r e s e n ts i t u a t i o na n dt r e n d so fc m o sa p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t sa n dh e a r t b e a td e t e c t e ds y s t e mw e r es u m m a r i z e d 。a n dt h e n ， t h es o u r c eo ft h i ss u b j e c ta n db a c k g r o u n do ft h er e s e a r c hw e r ei n t r o d u c e d 。w eg i v ea p r e s e n t a t i o no fw o r ko ft h i st h e s i s t h et h e o r yo ft h ei n f r a r e da n dt h ei n f r a r e ds e u s o r w a se x p l a i n e db e f o r ew ei n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n dc o n f i g u r a t i o no fr e f l e c t e d i n f r a r e ds e n s o ru s e di nt h i sp r o j e c t t h e n ，t h ew h o l ei d e ao fd e s i g nw a sg i v e n ，t h e s t r u c t u r eo fd e s i g nw a sd e s i g n e d a f t e rt h a t ，t h e r ew a st h ec o r eo fp r o j e c t ：d e s i g no f t h ec i r c u i t si ni c t h ed e s i g na n ds i m u l a t i o n so fo s c i l l a t o rc i r c u i ta n dr e f e r e n c e v o l t a g ec i r c u i tw e r ep l a c e db e h i n di tw h e r er c o s c i l l a t o r sd e s i g na n dh o wt ob u i l da r e f e r e n c ev o l t a g ec i r c u i tb ya m p l i f i e rw e r ed i s c u s s e d r co s c i l l a t o r sf r e q u e n c yi s 1 k h z t h ev o l t a g er e f e r e n c eo fi ci s2 2 v , w h i c hc a nk e e ps t a b i l i z a t i o nw h e nt h e p o w e rs u p p l yi sb i g g e rt h a n2 3 v i nt h a tc a s ec i r c u i t sc a ni n s u l a t ey a w pf r o mp o w e r s u p p l y t h ec i r c u i t sw h i c hs i g n a l st r a n s i ti n ，i n c l u d i n ga m p l i f y i n gc i r c u i t ，f i l t e rc i r c u i t ， e x p o r tc i r c u i t ，e t cw e r ep l a c e di nt h es a m ec h a p t e r i nt h i sp a r tt h es i g n a lf r o mt h e i n f r a r e ds e n s o rw a sa m p l i f i e db yc o m m o nc o l l e c t o ra m p l i f i e r , a n dt h ed e m o d u l a t o r w a sb u i l tb yf i l t e r i nw h i c ht h es i g n a lg o td e m o d u l a t e d b e c a u s ew ej u s tn e e dt h e f r e q u e n c yo ft h es i g n a l ，f i l t e rm a ya c h i e v e d t h eb a n d p a s sf i l t e rh a sag a i no f4 4 d b ， w h o s e 3 d bp o i n ta r ef i x e da t1a n d7 h za tl a s t ，a na u t o - a d a p t i v eh y s t e r e s i sc i r c u i t w a su s e di nt r a n s l a t i n gt h ew a v ei n t ot h ef o r mo fp u l s e e v e r yp a r tw a sa n a l y z e da n d s i m u l a t e dc a r e f u l l y i nt h ep a p e r ，w ei n t r o d u c e dh o wt od r a wl a y o u tb a s e do nt h e s t a n d a r do f0 6 z m ，5 vc m o sg i v e nb yc s cs e m i c o n d u c t o rl t da n df i n i s ht h ew o r ki n c a n d e n c e w ea s l og e tt h et h e o r yo fv e r i f i c a t i o nt e s ta n dd e s i g nd e b u gd i s c u s s e d ， a n dt h e n s o m ew o r ko nt h ev e r i f i c a t i o nt e s to ft h i si n t e g r a t e dc i r c u i t sh a v eb e e n d o n e 。f o rt h es a k eo ff i n d i n go u tt h er e a s o no fn o i s eo c c u r r i n gi nc i r c u i to fo s c i l l a t o r , w ep r o b ei n t oc a u s a t i o no ft e c h n i c sa n dm e c h a n i s m 。 t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef r o n t - e n dh a ss a t i s f i e dt h ed e m o n do fd e s i g n 。a f t e rt a p e o u t ，w i t ht h ea s s i s t a n tc i r c u i t r y ，s o m eo ft h ei cf a b r i c a t e dc a nw o r kw e l l i ti sag o o d i l l 熬于红外传感器的心岿5 掇测芯片的设计 b e g i n n i n go ft h er e s e a r c hi np r a c t i c a l i t yo ft h i si n t e r g r a t e dc i r c u i t s k e y w o r d ：c m o sa n a l o ga p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e r g r a t e dc i r c u i t s ；p u l s e d e t e c t e d ； i n f r a r e ds e 珏s 籽r ；| 薹l e r ；s e l f - 鑫d a p t v eh y s t e r e s i se o m p a r a t o r ；r e f e r e n c e v o l t a g ec i r c u i t i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或 集体已经发表或撰写的成果住品。对本文的磷究做出重要贡献的个人和集体，均 邑在文中戳嗳确方式舔羁。本人完全意识鬟本声携貔法律震莱塞本人承霆。 作者憋名：易i 剖虬 j 日期：z 彬6 年厂月五卜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国寐有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阕。本人援权溯鸯大学可潋将本学霞论文豹全部或部分肉容编入鸯关数据库进牙 检索，可以采瘸影印、缩印躐扫描等复制手羧傺存和汇编本学彼论文。 本学俄论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密醮 ( 请在黻上相应方挺海葑“4 ”) 日期：。占年，月z 午日 墨期：矽耽名每f 赚 硕士学位论文 第1 章绪论 本论文设计了基予红外传感器酏心跳揉测c m o s 模拟蕊片，它属予专用集成 电潞，都a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e r g r a t e dc i r c u i t s ) 。专翔檠娥电路指斑特 定愿户甍裳秘特定电予系统熬鬟要嚣设诗、割逡熬集成电鼹。它静特点是露淘特 定用户的需求，品种多、批量少，臻求设计和生产周期短，它作为集成电路技术 与特定踊户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比具有体积更 夺、薹羹受轻、凌耗燮燕、哥纛憋疆毫、牲戆撵赢、保密瞧增强、成本降低等饶 点。 红外传感器属于光电子产品，是光学原理和半导体电子的缀合。红外光电子 部件是可靠的俺感器。随着攀爵体生产技术及新激材料的发展，生产过程的改良， 军援与褰髑生产线豹会终等渚多因素，鲮外铸感器生产成本不戮下降，器葶孛壤徐 的纽外线传感器姻继阏世。 在对红外传感器民用产晶鲍应用中，传艨嚣获得的信罨需要由漱路避行处理 丽螽才能被商效稠用。困玩，拥有成本优势的a s i c 嗣红外传感器的联合应粥是 红外传感系统发展熊崧然选择。蠡努一块嶷成瞧鼹1 9 5 9 年凌美瓣戆德列仪器公司 和荫屋电气公司诞生以来，集成电路极大的改变了人们的生产生灞，农不到5 0 年的时闻晕，它的发展程度已经成为衡鼙经济、科技、生满水平的纛要标志，它 嗣红乡 传感嚣绩食静斑霜燹楚在缀多方嚣极大浆方便了久稻豹垒添。在照努传感 器瓣设计、涮遥已经嚣豢戏熬敬清凝下，影晌数终转黪系统的拳场嬲残零豹关键 因素在于系统中a s i c ，丽它的迅猛发展也正好满足了系统发展需鼷。因此专用 集成电路结台红矫传感器的红井系统已经被广泛的应用于工业生产、农林业、水 产蝗、薮学、环凌保护等凝惩产品孛。 本章主要论述以下几方磷的内容： 1 国内辩心跳探测系统的现状 2 c m o s 工慧的发展和课麓来源 3 谂文瓣磅突方法设诗路线 4 红外心跳探测芯片的性能参数 5 论文的主要工律 1 1 国内羚心跳探测系统购现状 心戥是人类生会麴基零表援，表露上嚣，攀供孚仅反殃了蒎蹒动的鼷率， 但实质上，心率能较可靠地反映出人体心血管的机能状况，同时，内于心率对运 动的刺激反应比较敏感，畿够确切她反映身体负荷的不同变化，研究心率在体育 基于红外传感器的心跳探测芯片的设计 运动员选材、运动训练、医务监督和健身等方蕊的实践应用是科学指导体育运动 静毽论储备。把蟊标意率与主蕊惑觉运秘负荷评估表r p e 德结合越来评价运动员 的机能状况会更客观【2 1 。因此心跳频率检测对实际生活，包括医疗，体梭，运动， 测谎等方_ 面非常有价值。 在今天，心率检测已经实现了自动纯，成熟产品a 经大量阉驻。比翔p o l a r 公 司的$ 7 2 0 i 腕表式心率监测器i 3 j ，s u u n t o 公司的x 6 h r 心率监测袭【钔，包括 a d i d a s 逐凄手表，郡是浚手表静形式捺遗静，孙率爱对探测系统。s o n i c a i do n e 公 司”j 利用电池驱动，设计了款手持心率探测系统。研究其基本安现原理，大概 有两大类方式，第一种，将多普勒雷达技术与商速信号处理技术褶结合，使得可 以用比较低鲍费用实现快速傅立时交换秘频率响应魑线很黪靛滤波功熊，这榉裁 可从杂乱的回波信号中提取出人体所特脊心率信号【6 】。该系统一般应用在军事方 嚣，有缀蹇的精疫，黪虽能实现逯距离探测。稳蹩因隽其复杂豹霭达技术成本缀 高，一般不进入民用市场。第二种由红外传感器作探测装置通过接触人体表僦而 获褥心率信号。暴俸按红外传感器类型又分为透射式红矫传感器和反射式红外传 感器。它们工作的基本原理都超同，即由于人体组织的半透明度会睫心脏跳动露 变化，当心脏将血液摊入动脉时，衄液组织的半透明度减低，传输到光敏器件上 鳃筑外线变弱，莛舞线接收器戆竣出信号较枣，麸瑟安理鼹。懿傣号豹取撵。它 们的区别在于：反射趔红外传感器在应用中只需要接触传感器就能达到效果，并 置身体任何部位都可疆；透射式帮辩要将手指或耳朵藏在兜源和光敏器僚的中闻， 显然不如反射型红外传感器方便。食湾交通大攀电机与控制工程学系的玉宜楷先 生以透射式传感器为探测器件实现了心跳探测电路i ”。由于光源和光敏器件的分 囊，对设计鲍实t 霹l 拨产生影喃。本文熬以反射式健感嚣为基纂是实瑗心跳搽溅电黪。 它相对王娥楷的设计提高了系统的适用性和精确度。 1 2c m o st 艺的发展与课题来源 集成电路最先发展起来的是双极型工艺，m o s 工艺在上世纪8 0 年代获得长 是发展，年代磊c m o s 恁借其低功糕、高集成废器设诗筵蠖等特栏嚣占镁了 数字产品市场。由于成本的下降和系统集成度提高的需要，人们熨倾向于用标准 数字c m o s 工艺来生产高往能的模羧宅辫疆l 。邋年来随着c m o s 工艺特征尺寸的 不断减小，工艺水平的不断提高，c m o s 工艺相对于双极和b i c m o s 工蕊更窑易 获得，而且通过多目标晶圆( m u l t i p r o j e c t w a f e r ) 服务，高校、研究所和中小型 公司可以获缮藏馀靛c m o s 工艺浚片( t a p eo u t ) 照务，这榉更攘挺进了c m o s 工芑的研究与发展。因此，a s i c ：；鹱年来也以c m o s 工艺制造为主流。本课题中 模叛a s i c 静氇考虑宙c m o s 工艺潮遥。该系统可寂用在众多需要知道心率翡场 合包括医疗、体捡、运动、测谎等等。相比人工的测试，系统具梅更准确更快捷 硕士学位论文 的特点。因此在人们f = i = | 益重视身体健康，保健簇消费在日常消费中所占的比羹将 越来越大酌今天，李芯片有菲常好静市场前景。国内外对心跳探灏系统芯片酌研 究生产主要以台湾公司为主，并以台湾光电企业有限公司( f u c h a n c e e n t e r p r i s ec o ，l t d ) 生产的o s w 5 8 0 9 明系列芯片为代袭。此芯片在其本公司 鲍鼹感嚣的配合下拥鸯较竟瓣毫源电压逶应性，著熊在不蠲光线条馋下工终。但 是此芯片价格相对比较高，应用不够广泛。深圳绿华科技针对这一市场条件，与 灞鬻太学微龟予掰舍棒，自徽电子灏罐供人力，采蔫在国漆完成浚计，在台湾晶 原厂生产的模式。力求制造出一款性价比高，稳定性好，且能兼容o s w 5 8 0 9 的 芯片。为了更好的工藏兼容性，同原公司芯片一样，设计利用普通c o m s 工麓制 作，采用a n t c k 公司黪0 6 a m 工艺，此工装以单层金属单屡多晶礁( 1 p 1 mn w e l l ) 为特征。设计在公司提供的0 6 p m ，5 v c m o s 工艺库下仿真，并在a n t e k 的工艺 条l 孝下滚冀。表l 。l 海该工艺戆m o s 麓基本参数，其中m o s 管懿傍襄攘型为 l e v e l 4 9 b s i m 3 v 3 2 模型，寄生p n p 管的仿真模型为l e v e l l b s i m 3 v 3 2 模型。在 王嚣v e l 4 9 b s i m 3 v 3 2 模翟中，存在五种不翔模式的模鍪，分翔为1 鼍、f f 、s s 、s f 、 f s 模型。在设计当中，我们姆主要采用t t 这一典型模型进行仿真，a n t e k 公司 提供的仿真晶体管的模型中，因为忑艺是纯m o s 的缘故，提供的l e v e l l b s i m 3 v 3 2 模型毒一令是浆，即只提供嚣势发射极嚣稷豹模数参数，分裂隽5 9 i n x 5 , u r n ， 1 0 p m x l o g m 发射极面积寄生p n p 管模型。在芯片电路设计中用到p n p 管的地方 都采取1 0 m l o 弘m 发瓣掇瑟狠寄叟p n p 管模蓬迸移铸真，并在稍作敝图的时候 也以1 0 , u r n x l 0 , u m 为标准。 袭1 10 6 , u m5 v a n t a k 工慧参数 参数n m o sp m o s 温度范围 o 。c 1 2 5 。co 。c 一1 2 5 。c 乞 8 。8 5 4 e * 1 4 f c m8 8 5 4 e - 1 4 f c m 以 3 93 9 瓦 1 2 5 e 一8 m1 2 5 e - 8 m 乞2 。7 6 2 4 e 一7 f c m 2 2 6 5 6 2 e 7f c m 2 c j 4 7 2 2 e ，0 4f c m 26 5 0 5 e 。0 4f c m 2 c i 。 3 6 4 2 e ，0 1 0 f c m 24 2 0 9 e 0 1 0 f e m 2 “ 4 2 6 c m 2 k1 9 2 c m 2 圪 o 0 ，6 8 4 3 v一0 8 0 3 v 建o 。0 5o o l k 。， 9 6 7 3 e 4 v1 4 2 7 e 5 v 3 熬于红钋铸感器豹心黟s 搽测芯片的设计 1 3 论文韵研究方法及主要设计路线 本次的设计方案怒采用反向设计与正向设计相结合的技术路线。以正向设计 为主，以反蠢设计为辅，正蠢设计和反囱设计稻互验证，充分稠用各种仿真、验 汪手段，多层次、多角度的保证设诗敲难确性、可靠性。 反向设计虽然是辅助设计途径，但这也怒目前国内设计主要运用的方法，可 以在结构、芯片的版图设计、主要单元设计等关键技术方面提供借鉴。根据本研 究课题瓣要求，炎分考虑蕊片的瘟用条佟，选择了一释在毫潞功缝上兼容f u c h a n c e e n t e r p r i s eo s w 5 8 0 9l 乍为此次设计的具体对象。版图单元将部分直接用于全定制 版图设计中，并对芯片进行解剐、染色，分辨出芯片l 不可见的掩摸版中的耗尽 屡；遥辑的疆取与分析，由于电路和逻辑韵提取完全依靠人工完成，因貌必须认 真分毒斤、仔缨提敷，尽可魃减少提取过提戆错误。 正向设计时，在对其缩构、系统功能的分析和理解的纂础上，对系统进行功 能模块翔分；并与所提取的电路进行比较，仿真与验证，以使获得与掌握电路的 其伟内部维梭、电路豹功能及箕系统设计愚想n 引。当然，泛论楚歪淘设计还楚反 向设计，都可能存在一些镤误。为提高成功率，戟必须采用多驰方法对电路进霉亍 测试、仿真。e d a 工具是设计流程建立的基础，有助于提高设计效率，验证设计 的正确性。和堵e d a 仿真技术可以验证系统结构和模块的功能。因此农设计中， 还充分缮魏了据关e d a 王其。 1 4 心跳探测红外系统审模撅芯诗豹性能参数 在心跳探测红外系统中芯片的主要性能参数： 对予心魏频率检浏的凇确度 敏感度 周围光线环境变化范围 工作温度变化范围 电厩工作范围 长期稳定往 对工艺容忍发灼独立蛙 噪声抑制能力 功耗 成本 对心蔬模援芯片影璃最大的裢缒参数是髓灞心懿频率的精确度，这是整个芯 片的功瞧戆根本，露它的壤确度鼹袭电鼹设计款戏珐与否。敏德度部分的取决于 传感器的性能，它决定了芯片在应用中是否方便。芯片的应用范围则由芯片对光 线环境的变化范围决定。电源与温度的稳定性将决定芯片工作的稳定性。而良好 d 姣譬：位论文 酌敏感度、信号模式敬及对礤声的撺翻能力将会大大简化传憋器接口和数字接口 的没壬 。低功糕怼予便携式、低遂设备是投其耋要的，露盈箕垂热效应迄熊被忽 略。低成本的需求，需要芯片对其他c m o s 工艺的兼容，并筒化其数字元部分信 号处理电路。低成本，稳定性同时决定了芯片的性价比和市场占有能力。由于 c m o s 工艺技术不断完善，可以将模拟信号与数字信号媳理电路做在同一块芯片 上。鲡恕锈雯逡步降鬣残本。 1 5 论文研究意义与主要工作 a s i c 是集成电路发展到一定阶段的产物，随着集成电路产业跨入以竞争为 导向韵高级阶段，国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密 集资本竞争。人靛谈谖到，越来越淀大的集藏毫漆体系荠不有举j 予蕤个l c 产监发 展，也决不是一般企业能承受鼹了这付担子，“分”身能糖，“整合”才成伐势。 于是。集成电路产业结构向高度专业化转化成为一个趋势，开始形成了设计业、 箭造盐、封装监、测试蛾独立成行的局面。特剐是设计业已经成为全球半导体工 、监戆魏蛸兵，它豹产品主要是专鬟嶷戒电路。事实 燕疆，a s i c 设计的灵活模式 显示了他旺盛的生命力，由于a s i c 设计公司船小搏头快，紧跟世界热点的半导 体应用市场，注重予产品的创新设计，再加上相关的f o u n d r y 公司服务体系逐趋 完善和船工价格便宜，使其敬超常速凄发震。 a s i c 在国终熬发展已经比较成熟，审场上主流产品基本坡美蓬、台湾设诗 公司所垄断。近年来，国内芯片设计业的迅速发展，且人力成本较低，吸引大量 台湾a s i c 设计公司转移至大陆，导致各类芯片成本降低，越来越多的行业享受 了芯片带来酌妊娃。这类a s i c 设计公司瓣模不大，箍两的霜户豹产品萋本驻应 雕数字芯片为主，农大规模发展的同时，也暴露出a s i c 没计业产业结构上的毛 病，即低端芯片较多、高端芯片少；数字芯片多、模拟芯片少。同时，因为低端 数字a s i c 技术可复制性好，婵系行韭进入门坎降低，大辍面向低端市场( 玩具， 电子表) 鹣a s i c 设诗公司雨螽春笋般霉出来，强燕靛竞争降强了芯片靛徐格， 消费者享受到了价廉物美的产品。不少规模比较小的芯片设计公司也开始转向裁 产品的开发，特别是技术复制难度比较高的模拟a s i c 的设计。在这一转变中， 与经外传惑器褶结合的a s i c 因为开发难度适审，且具有广泛的市场应用前景， 瑟受到大量获兴的a s i c 设计公司豹毒辣，成先公司转型、产燕舞级熬选择。对 基于红外传感嚣的专用集成电路的研究和设计符合市场潮流，开发出价廉物美的 专用集成电路也符合消费者的利益。 本论文介绍了矬井辐射酌基本理论，红外传感器豹骤理，回颟和震望了应用 子红终系绞懿c m o s 专躅集成电爨。提出一秘心跳探测系统中夔模拟蕊片约县钵 没计方案，此模拟芯片电路完成功能为：将从传感器获得的心率信号转化为同心 率信号频率相同的方波。系统提供的电源电压会存在一些噪声，在本设计中的参 基于红， 传惑器的心谬8 探涮苍片的设计 ! ! = = = e _ = 詈ii i ii i i # = = = e = = 目颦 考电压源对此应该考足够的抑制能力，论文设计麓单基熬毫压添完戏了北功能。 而且在输出电路做了抗噪拭干扰处理，使模拟芯片竣出到数字芯片的售导熨烟稳 定、准确。在一般的设计中，对调幅波的解调荐要专用的解调电路完成。考虑到 在本芯片中只需疆获得信号的频率信息，因此设计中由滤波器电路代替一般的解 调电路，降低了瞧路的复杂度，提高了成品率。另外在设计中将自遗应迟滞比较 器用做整形电路，比较器的基准电压由输入信号提供，因此输入端倍号的变化将 会弓i 起基准端电压随之产生相应的变化，二者只存在相位上的差别，从而增加了 电路对不同输入信号的适应能力。本论文着重予传感器收集信号的转换电路设计， 群对传感器裙始信号静敖大，对调幅渡静滤波，戮及将波形转纯为方波瀚电路的 设计。 论文熬主要是蜜如下： 罄先，介绍了红钋辐射熬基本理论，红强传感器戆工作黎理，劳分蛎了本设 计中使用的反射型红钋传感器。 第二，模拟信号处理模块的设计。先设计了芯片结构，爆设计芯片电路，包 括对芯片中的基准源，传感器偏置电路，信号放大，滤波等电路的设计。因为从 传感器输出的信号幅度非常小，需蒙一系列的放大、滤波，才能获得数字处理模 块接受的信息。 第三，针对对c m o s 模拟电路，分析模拟芯片在制版图的过程中需要注意的 问题，并完成了版图设计。 第酲，对流片结莱进行溯试验证，绘岛了部分溯试结栗。并结合测试结采分析 了芯片鑫冬部分淘题。 最磊，总结了芯片设计王幸# ，势对遴一步工作给出了建议。 硕士学位论文 第2 章红外线传感器 2 1 红夕卜辐射的基本定律 红外光是太阳光谱的一部分，红外光的最大特点就是具有光热效应，辐射热 攘，它怒宠谱中最大炎热效应嚣。红努先一耱不哥撼毙，与掰有耄磁波一群，买 有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外光在真窳中的传播速魔为3 x 1 0 8 m s 。 红外光在贪矮中传播会产生袭减，在龛属中转援衰减缀大，毽红羚辐裁毙透过大 部分半鼯体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。不同的气体对其吸 收程度镑不相嬲，大气层对不同波长的经外光存在不同的吸收带。研究分援表明， 对于波长为1 5 z m 、8 1 铆m 区域的红外光具有眈较大的“透明发”。即这些波 长的红外光能较好地穿透大气层【1 l 】。 自然赛中 垂侮物体，只要其温度在绝对零度之上，都黥产生缒外先辐射。 红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样。例如，黑体( 能 全部啜浚授翦戮箕表甏靛红矫疆蔚静豹落) 、镜体f 熊全部爱瓣经矫旗射静物俸) 、 透明体( 能全部穿透红外辐射的物体) 和灰体( 能部分反射或吸收红外辐射的物体1 将产生不霹豹炎热效威。严掺寒 菪，龚然界并不存农黑体、镜俸羁逶鞠薅，嚣绝 大部分物体都属于灰体。 上述这些黪性就是把红辨瀣疆射技术赐予卫星邋感遥溅、红终跟踪等攀事帮 科学研究项目的重要理论依据。红外线的基本定律i 托】： ( 1 ) 蒸尔霍失定律：在一定滠度下，地物单位亟积上的辐射通量w 寒吸收率之 比，对于任何物体都怒一个常数，并等于该漱度下湖面积黑体辐射通量w 黑。 在给定的温度下，物体的发射枣= 吸收率( 同一波段) ；吸收率越大，发射搴也越 大。遗物的热辐射强度与溢魔的四次方成正比，所懿，遣物微小的温度差舜就会 引起红外辐射能量的明恩变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。 ( 2 ) 疆珲兹燕定律( s t e f a n ，b o l t z m a n n sl a w ) 鞠罴钵总辐莉邋蓬醚溢液豹增 加而迅速增加，它与温度的四次方成征比。阑此，漱度的微小变化，就会引起辐 耱逶量密度提大懿交纯。是数终装受溅定温度戆理谂基璃。 ( 3 ) 维恩位移定律；w i e n sd i s p l a c e m e n tl a w 随着温度的升高，辐射最大值对 艨的峰壤波长舄短渡方囊移动。 2 2 红外传感器原理介绍 红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防 鄹工农数等赣域获褥了广泛的应建。 红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：( 1 ) 辐射计，用于辐射和光谱测量；( 2 ) 搜索和蹑踪系统，用于搜索和躐踪红终羹标， 7 基于红外传感器的心跳探测芯片的设计 确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；( 3 ) 热成像系统，可产生整个目标红外 辐辩懿分衣图像；( 4 ) 红羚溺距和遥信系统；( 5 ) 满合系统，是指戳上各类系统 中的两个或者多个的组合。一个典型的传感器系统成该由以下部分组成。 ( 1 ) 待铡秘标。根据待翻目标的红雏辐射特性可进行红井系统的设定。 ( 2 ) 大气衰减。德测目标的缎外辐射通过地球大气层时，由于气体分子翔各 种气体以及各种溶胶粒的散射和嗷收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。 ( 3 ) 光学接收器。它接收星橡的部分红雒疆魁并传竣飨红雏传感嚣# 提警于 雷达天线，常用是物镜。 ( 4 ) 辐慰诞毒l 器。对卷鑫德测曩捧戆辕射诿裁成交变瓣辐黪毙，提供基豁方 位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它县有多种结构。 ( 5 红努搽渊嚣。这是级势系统熬梭心。它是裁瑶鑫箨辏袈与物黢穗互佟溺 所璺现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用 所鬟现密静电学效应。瑟类搽嚣嚣可分为竞子深溺器和熟敏感探澜器两大类黧。 ( 6 ) 探测器制冷器。由于某些探测器必须爰在低温下工作，所以相应的系统 必颁有制冷设备。经过翻冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。 ( 7 ) 信号处理系统。将探测的信号遴行放大、滤波，势从这攮信号中提取出t 信息。然看将此类信息转纯成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器 中。 ( 8 ) 提示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、 经努感光榜黼、撂示仪器羁记录仪等。依照上嚣戆浚程，缎终系统藏戳完藏相 应的物理嫩的测量。红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可 以分为燕探溅嚣狂必予据测器溪大类。 红外探测器( 传感器) 能将红外辐射量变化转换成电量变换的羧置称为红外探 测器隍 井倍感器) ，筑外探溺箍是狠弦热电效斑和光瞧效斑镪成的。嚣者为热敏 探测器，厢者为光子探测嚣。从理论上讲，热探测器对入射的各种波长的辐射能 量全部吸收，它是一种对经外光波无选择的红外传感器。光予探测器常用的光子 效_ 暾有夕 光电效应、内光电效应( 光生伏特效疲、光电导效应) 帮必电磁效应。 热探测器是利用辐射热效应，使探测组件接收到辐射能后引起温度升高，进 嚣傻探测嚣中铰羧于瀵度的性能发生变化。梭溅其中禁一憋瞧鲍变化，便霹掇测 出辐射。多数情况下怒通过热电变化来撵测辐射的。当组件接收辐射，引起非电 量懿物理变绽瓣，霹以逶过遴当静变换鬃测量翱座戆瞧量变纯。 热敏探测器对红外辐射的响应时间比光电探测器的响成时间骚长得多。前者 豹桶应对滔一簸在m s 激上，两螽餐只有n s 量缀。热探灏器不需要冷帮，光予探 测器多数要冷却。 2 3 红外传感器的基本参数 红外传感器主要披术参数有下列几项【1 3 】： 硕士掌键论文 ( 1 ) 响应率，晌盛率桷应率表示红外辐射能转变为电信号的能力，它等予输 出电压坎弱埝入红辨疆射能量暑之跑，常默挂号r 表示，出定义可褥 嚣：竖( 2 1 ) e ( 2 ) 光谱晌蔽曲绫，传感器的响应率与入射熟辐射的波长脊关，将光谱响应率 隧波长敕变化媾凝绘成整线，监簦线髂为键感嚣熬蠢谱嘀癯夔线。摄据光谱璃痘 率与波长的关系，可把传感器分为薅类：类是无选择性传感器，它在一定蛇波长 范围内具有平坦的光谱响应曲线( 如图2 。1 a 所示) ，即r 与波长a 无关，它不存在峰 毽渡艮鞫截出波长。茄一类是遥择往传感器，它其有选择性的光谱酾应特佳( 如图 2 - i b ) 。存在回应峰德r m a x ，与隧斑峰镶蟾对应麴波长列爆嬗波长气，与r m a x t 2 对应的波长称为截止波长凡 袋 o a ) 无选撵性搛测嚣 袋 。 ￥。殿 o 图2 1 光谱响应曲线 b ) 褥选撵探测器 ( 3 ) 噪声等效功率，当入射热辐射在传艨器中产生的信号电压k 等于传感器 本身的嗓声电压k 时，这入射热辐射的功率e 就口q 做噪声等效劝率，用符号n e p 表示，肇链楚w ，可绫写残下式： 脚。旁；警 娩z ， k 禳箍然，脚越小，铸感器所能探溺静最低入射辐射功率就越小，阂丽n e p 是嗣 以表诬捷感爨搽测微弱热疆射戆力鹃一个曩蹙掺镑。 ( 4 ) 探测率，由于大多数传感器的n e p 与传感器的灵敏面积a 的平方根和带 宽的平方根成比例关系，采用僦p 很难对不同灵敏面积的传感嚣进行比较，因 诧，通过对覆籁进行l 胄一纯楚瑾，弓l 迸茄一个蒺餐指赞：搽测率。它稽符号d 4 表 示，定义式如下： 。巡；旦颤虿 ( 2 ，3 ) n e p k 飘式f 2 3 ) 中可以看蓟，d s 实囊上就是传感器豹灵敏萄为单位蟊积、测量线路带宽 为1 h z 时，单位功率的热辐射蹶熊够获褥鲍信号与噪声之比，即信噤毖。 医一 莲子红， 传懑器的心躐探测芯片的设计 ( 5 ) 日向应时耀，响应时阉罔来描述健感器对入射热辐射能回应蛉挟蠼。它通常翅 符号t 响应时间用采撼述传感器对入射热疆射能响应的快表示，单位楚秒f 或擞 秒) ，t 有两种不同的定义方法：一种是当功率为e 的热辐射突然入射到传感器灵 敏面时，需经过一定的时间才能达到恒定值k ；r + e ，如图2 2 a 所示，从光照开 始，愤感器输出电压上升到恒定的0 6 3 时所需的时间被定义为响应时间。另一种 方法撰在较低的频率范围内，传感器具有平坦的光谱响应曲线，即响应率与频率 无关，但怒随频率升高、响应率下降( 图2 2 b 所示) ，响廊率下降到平坦部分数值r 的0 7 0 7 倍时所对应的频率为氕，响应时间定义为： f ：三一 ( 2 4 ) 艇，氕 由此可觅，好的僚感器其有短的响应时阐，因而能够探浏快速变化的红外热辐射。 v s r e o 6 3 o r r o 0 ，7 0 7 爨 豳2 ，2 响应时间曲线 嗡玉 f 蔽射式光学系统静经辩传惑器觳亩瑟面玻璃反射镜组成，箕表面镀金、韬 帮臻铬等经辩波段爱射率缀离熬材料构成反射式巍学系统。为了减夺像羲或篌雨 土憋方便，常另期一片次镜，馕爨栎辐射经两次反龛| 聚焦到敏感缀 牛上，敏感缝 馋与透镜缀一体裁曼放大爨接收热呶转换蜃熬魄信号，共对其进撂放大。 透慰式红於传感器的部件用红外光学毒季料做成，不同的红妯光波长应选爆不 同的光学树料。例如，在测量7 0 0 以上的赢温时( 波长多为7 5 0 3 0 0 0 a m 范围内 近红外光1 ，一般用光学玻璃和石英筹材料作透镜材料；测量1 0 0 7 0 0 e 范围的 温度时f 多为3 5 m 的中红外光) ，多用氟化镁、氧化镁等热敏材料；测量1 0 0 以下的温度( 波长为5 1 似m 的中远红外光) ，多采用锗、磁、硫化锌等热做材料。 除近红外光外，获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避 免这一困难。 上述这些特髋就是把红矫光辐射技术用于卫星遥感遥测、红矫跟踪等军事和 科学研究颈蟊酌羹要理论依箨驻“。 l o 鞭士学位论文 2 4 发射式传感器的内都结构及王 乍原理 反射式光电传感器一般由光源和光敏器件组成。其光源有多种，常用的有缒 矫发光二极管，蒋通菠光二极管，以及激光二极篱，前两种光源容易受到外界光 源的干扰，丽激光二极管发融的光的频率较集中，传藤器只接收很窄的频率范戮 信号，不容荔被于扰但价格较赞。理论上光电传戆器只要位于被测区域反射表面 可爱到光源照射同时又能被接收管接收到的范阐就能进行检测，然而这是种理 想的结果。函为光的反射受别多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光浩 度，猫先、筒光好照射等不确定因索。如果直接用发射和接敢管避行测麓将因为 干扰产生错误信号，采搿对瘐辩光强迸行测量的方法可以提高系统的可靠性和礁 确性。红矫发射光强法的浏爨原理蹩将发射信号缀调籁后送筑外篱发射，光敏管 接收调制的致外信号，原理如图2 。3 所示。反射光强度的输出信曙电压v o u t 匝卜| 嚣 区： _ 0 呻 l 强2 ，3鼗姊发瓣接寝嚣璞黧2 4 巍强度楣藏曲线 是爱射蘅与搀感器之麓爨离x 的函数，墩反射瑟物质为淘种物凄时，x 与v o u t 韵 嫡瘟整线憝黎线健的，如图2 。4 掰承。在应用中w 簖选择适当的鼷离进行设计。 奁本设计孛，红外倦感器为反射型缎外传感器。选用豹怒茜本公司 ( k o d e n s h ic o r e ) 憋s g + 1 0 5 f 。其内部结橡工雩# 艨理翔图2 。5 1 1 熨。 鹱瓣 鹫2 5s b - 1 0 5 f 簧黪嚣缝擒毒黑侔源瑾 冀工佟原理，根攒图2 。5 抽蕊片矫接电路，e m i t t e r 的方波从发光二极管的 蒸于缀， 传感器的心掣攘测芯片的竣计 蒂端输入，诧时= 稷管静发光频率为方波额率。( 根据表格2 1 中丸：9 4 0 n 讲可知 发光二极管发出戆是红辨线) 当传感嚣上没有覆盖a l d e p o s i tg l a s s ( 沉穰 铝做背面的镜子) 的时候，光敏三极管中只有很小的电流流过。因为二极管的光 散发到三板管以外了。而当有镜子覆盖在传感器上时则在图上可见其传输特性， 魏对镜面反射二投管豹爨舞线髓被光敏三极管接