I 摘 要 隨半導(dǎo)體技術(shù)開始應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，“生物醫(yī)學(xué)微電子技術(shù)”這門新的交叉學(xué)科也在迅速發(fā)展。該技術(shù)面向于人類的健康，利用半導(dǎo)體科學(xué)的成熟技術(shù)，將信息技術(shù)與生命科學(xué)結(jié)合，同時(shí)借鑒材料學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等多種學(xué)科的理論與方法，具有重大的科學(xué)價(jià)值和社會(huì)意義。而模擬前端鏈路作為銜接生物醫(yī)學(xué)信號(hào)和后續(xù)信號(hào)處理的重要橋梁，在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集系統(tǒng)中具有重要作用。本文以有效提取生物醫(yī)學(xué)信號(hào)為切入點(diǎn)，研究基于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的本文通過對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)特征和采集環(huán)境的分析，心電信號(hào)模擬前端鏈路板級(jí)系統(tǒng)的搭建，探索、分析和驗(yàn)證適合生物醫(yī)學(xué)信號(hào)模擬前端鏈路芯片級(jí)的設(shè)計(jì)思想。在對(duì)系統(tǒng)層次整體分析、計(jì)算和仿真后，提出了一款低噪聲、低功耗、增益和帶寬均可配置的模擬前端鏈路。該鏈路采用改進(jìn)型的“交流耦合構(gòu)，運(yùn)用低噪聲、低功耗技術(shù)，兼用抗混疊濾波技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的高質(zhì)量提取和放大。整個(gè)模擬前端芯片主要由低噪聲前置放大器、可變?cè)鲆娣糯笃鳌㈤_關(guān)電容濾波器和偏置電路組成。前置放大器采用“流耦合方式，具有低噪聲、抑制基線漂流的性能；可變?cè)鲆娣糯笃饔糜趯⒉杉降纳镄盘?hào)放大到后端電路可接受的幅度；四階的開關(guān)電容濾波器可抑制信號(hào)帶外噪聲，并可消除由于 真結(jié)果顯示，低噪聲前置放大器帶內(nèi)等效輸入積分噪聲為 內(nèi)單頻點(diǎn)噪聲小于300體電路中增益、帶寬均可調(diào)節(jié)，在高頻截止點(diǎn)處以95有效抑制帶外噪聲，提高輸出信號(hào)信噪比。 芯片采用心電路面積為785m 485m，測(cè)試結(jié)果表明，在 電源供電情況下，內(nèi)單頻點(diǎn)平均噪聲小于 300100益可有8種選擇，片性能基本滿足醫(yī)學(xué)生物信號(hào)采集的要求。 關(guān)鍵詞：模擬前端鏈路；低噪聲；開關(guān)電容濾波器；交流耦合；生物醫(yī)學(xué)信號(hào) 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 錄 摘 要.一章 緒論.文的研究背景和意義.物醫(yī)學(xué)信號(hào)模擬前端芯片國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.文的課題來(lái)源.文的主要工作與結(jié)構(gòu)安排.二章 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)模擬前端電路設(shè)計(jì)考慮.物醫(yī)學(xué)信號(hào)概述. 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)種類. 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)特征.樣電極以及電路模型.路設(shè)計(jì)考慮.章小結(jié).三章 模擬前端鏈路板級(jí)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證.級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì). 心電檢測(cè)電路. 濾波電路. 模數(shù)轉(zhuǎn)換與無(wú)線傳輸.統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試.章小結(jié).四章 芯片系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)考慮.統(tǒng)架構(gòu)分析設(shè)計(jì).置放大器設(shè)計(jì)考慮. “交流耦合大器. 儀表放大器.變?cè)鲆娣糯笃髟O(shè)計(jì)考慮.波器設(shè)計(jì)考慮.章小結(jié).V 第五章 芯片關(guān)鍵電路設(shè)計(jì).噪聲、低功耗新型前置放大器設(shè)計(jì). “交流耦合電容反饋式”型結(jié)構(gòu). “構(gòu)分析與改進(jìn). 低噪聲.變?cè)鲆娣糯笃麟娐吩O(shè)計(jì).關(guān)電容濾波器電路設(shè)計(jì). . 全差分開關(guān)電容積分器實(shí)現(xiàn). 四階開關(guān)電容濾波器實(shí)現(xiàn). 模反饋電路和兩相不交疊時(shí)鐘設(shè)計(jì). 四階抗混疊濾波器仿真結(jié)果.體系統(tǒng)仿真.章小結(jié).六章 模擬前端芯片版圖設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果.圖設(shè)計(jì)分析. 版圖設(shè)計(jì)的匹配和對(duì)稱. 版圖設(shè)計(jì)的基本技巧.片測(cè)試結(jié)果. 低噪聲前置放大器測(cè)試結(jié)果. 可變?cè)鲆娣糯笃鳒y(cè)試結(jié)果. 開關(guān)電容濾波器測(cè)試結(jié)果. 模擬前端鏈路測(cè)試結(jié)果.章小結(jié).結(jié)與展望.考文獻(xiàn).讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果. 謝.一章 緒論 1 第一章 緒論 文的研究背景和意義 21世紀(jì)是信息爆炸的時(shí)代，而呈現(xiàn)信息的主要載體是依托于現(xiàn)今快速發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)，該技術(shù)已深入到各個(gè)行業(yè)當(dāng)中。目前，我國(guó)是世界上人口最大的國(guó)家，這必然對(duì)普通醫(yī)療服務(wù)需求也是最大，而且我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì)，2007年全國(guó)人口抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，并且呈快速發(fā)展的階段。預(yù)計(jì)到2050年，65歲以上人口將接近總?cè)丝诘乃姆种?。人口老齡化問題給我國(guó)現(xiàn)行的醫(yī)療體系帶來(lái)了較重的負(fù)擔(dān)。另一方面，隨著人們生活節(jié)奏的加快，工作壓力越來(lái)越大，處于亞健康狀態(tài)的人群規(guī)模也越來(lái)越大，心臟病、高血壓、糖尿病成為影響人們健康的三大殺手。對(duì)突發(fā)疾病進(jìn)行提早診斷和及時(shí)治療，實(shí)時(shí)監(jiān)控患者的健康狀況，成為了全社會(huì)的迫切需求。而將快速發(fā)展并已成熟的半導(dǎo)體技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相結(jié)合起來(lái)，可為上述問題的解決提供很好契機(jī)和方法，“生物微電子技術(shù)”也因此應(yīng)運(yùn)而生，并以飛速的速度發(fā)展。在這個(gè)過程中，生物醫(yī)學(xué)芯片是生物微電子技術(shù)這門交叉學(xué)科的重要產(chǎn)物，它不僅為生物體信號(hào)和醫(yī)護(hù)人員地監(jiān)控、治療和診斷構(gòu)建了有效、可靠的橋梁，而且能最大程度上改善醫(yī)學(xué)儀器的便攜性和精確性，可使其智能化、微型化、高性能化，為全民健康工程中的個(gè)性化醫(yī)療提供優(yōu)良的技術(shù)解決方案。 大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備往往需要對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)、分析和處理，這樣才能及時(shí)和準(zhǔn)確地診斷與治療。而生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是人體最直接，最原始，也是最能反映病癥的信號(hào)，其幅值小，頻率低，極易受外界設(shè)備和環(huán)境干擾，從而會(huì)疊加大量噪聲，降低信號(hào)信噪比。因此從人體中正確、有效地提取生物信號(hào)往往具有很大挑戰(zhàn)性，該環(huán)節(jié)性能的好壞將直接影響著后續(xù)信號(hào)地處理和分析，并最終影響對(duì)病理特征地發(fā)現(xiàn)和診斷。而本論文研究的課題正是以此為出發(fā)點(diǎn)，旨在設(shè)計(jì)一款低噪聲、高性能的模擬前端鏈路芯片。它能從復(fù)雜生物體環(huán)境中有效提取原始信號(hào)，放大到合理的幅值，抑制帶外噪聲，提高輸出信號(hào)信噪比。低噪聲、低功耗、性能優(yōu)良的模擬前端芯片是眾多生物微電子技術(shù)所追求的，這對(duì)生物醫(yī)學(xué)芯片的發(fā)展也有著十分積極的意義。 物醫(yī)學(xué)信號(hào)模擬前端芯片國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近年來(lái)，生物醫(yī)學(xué)的迅速發(fā)展以及疾病種類不斷的復(fù)雜化，要求對(duì)更多種類的生物信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，從而輔助醫(yī)護(hù)人員做出及時(shí)正確地診斷。心電信號(hào)、神經(jīng)電信號(hào)、腦電華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 信號(hào)和肌電信號(hào)等作為常見的生物信號(hào)成為最常研究的對(duì)象。為了能在不同生理環(huán)境中正確有效提取這些微弱、復(fù)雜的生物信號(hào)，多種不同模擬前端鏈路方案也被廣泛的研究。 流耦合撲結(jié)構(gòu)的集成生理信號(hào)鏈路，在2003年誕生以后被廣泛引用，截止2009年12月1日已被53 次2該鏈路的前置放大器采用電容耦合方式，通過電容比來(lái)設(shè)置增益，在反饋處采用偽電阻技術(shù)，大大提高信號(hào)采集的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)噪聲。隨后。, 等在他們的研究中也分別運(yùn)用了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)6。 幾乎所有的產(chǎn)品化前置放大器芯片都基本上采用儀表放大器結(jié)構(gòu)，它以高的共模抑制比、高輸入阻抗特點(diǎn)著稱。2006年臺(tái)灣共模抑制比的神經(jīng)信號(hào)前端鏈路7。但傳統(tǒng)儀表放大器存在匹配問題，為此和、于2007年使用了基于電流模儀表放大器來(lái)克服匹配的問題，但又保持了傳統(tǒng)儀表放大器的優(yōu)點(diǎn)。 由于記錄電極與參考電極間存在直流漂移。該直流漂移電壓由發(fā)生在“組織面的電化學(xué)效應(yīng)所引起，通常高達(dá)數(shù)百毫伏10。為此模擬前端鏈路與生物體采取的耦合方式也不盡相同。此不存在直流漂移問題。1，通過調(diào)節(jié)該管的電阻并反饋來(lái)控制輸入的共模電平。用直接耦合方式設(shè)計(jì)了用于神經(jīng)信號(hào)的記錄放大器12。 此外通過斬波技術(shù)而設(shè)計(jì)的模擬前端鏈路方案也備受關(guān)注。3。效輸入噪聲低至30z,單個(gè)通道功耗低于20W。2007年用新型的交流耦合斬波儀表放大器設(shè)計(jì)一款可記錄不同生物信號(hào)的模擬前端鏈路14。該芯片采用5模抑制比為120 電源抑制比大于80 入?yún)⒖荚肼暈?7 z，功耗為60 W。 對(duì)于模擬前端鏈路而言，低噪聲、低功耗前置放大器處于鏈路最前端，也是最核心的部分。除此之外，還需要一定的濾波器來(lái)抑制帶外噪聲，提供生物信號(hào)的輸出信噪比。通常濾波器采用有源濾波器和開關(guān)電容濾波器兩大類，有源濾波器屬于連續(xù)信號(hào)處理的濾波器，功耗較低，面積較小，但不適合做高階濾波。開關(guān)電容濾波器具有較高精度，特征頻率可調(diào)以及能較易設(shè)計(jì)為高階等優(yōu)點(diǎn)而被采用。 第一章 緒論 3 文的課題來(lái)源 本文課題來(lái)源于國(guó)家自然基金項(xiàng)目 “生物醫(yī)學(xué)用植入式無(wú)線能量傳輸及射頻集成電路的研究”，(編號(hào)：60976026)。該項(xiàng)目主要研究植入式生物低頻微弱信號(hào)的放大、轉(zhuǎn)換、傳輸及無(wú)線能量傳輸芯片設(shè)計(jì)的理論及實(shí)現(xiàn)方法。 文的主要工作與結(jié)構(gòu)安排 本論文的主要工作是探討如何在非理想的采集環(huán)境下，針對(duì)多種生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，采用 成電路的設(shè)計(jì)方法來(lái)高精度的提取生物醫(yī)學(xué)信號(hào)。本論文首先在板級(jí)系統(tǒng)上搭建心電信號(hào)前端鏈路，探索、驗(yàn)證和分析適合生物信號(hào)模擬前端鏈路芯片級(jí)的設(shè)計(jì)思想和考慮。然后從系統(tǒng)設(shè)計(jì)層次出發(fā)，通過對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)特征的描述以及對(duì)電路設(shè)計(jì)所面臨挑戰(zhàn)的分析，闡述生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并提出一款低噪聲、低功耗、增益和帶寬均可配置的模擬前端芯片。整個(gè)模擬前端芯片主要由低噪聲、低功耗的“置放大器、可變?cè)鲆娣糯笃?、開關(guān)電容濾波器和偏置電路組成。該模擬前端鏈路采用電源供電，完成了第一版芯片設(shè)計(jì)。它具有低噪聲、低功耗、增益帶寬可調(diào)的特點(diǎn)，并采用多通道擴(kuò)展的功能，可適用于多種類的生物信號(hào)采集。通過對(duì)第一版芯片中的“置放大器進(jìn)行改進(jìn)，單獨(dú)設(shè)計(jì)了改進(jìn)的“置放大器，并完成第二版芯片設(shè)計(jì)，由于時(shí)間有限，第二版芯片有待測(cè)試。 第一章：緒論。分析生物醫(yī)學(xué)信號(hào)模擬前端芯片研究的背景和意義，并介紹最近幾年國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀以及采用的設(shè)計(jì)方法，為本文的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。 第二章：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)模擬前端電路設(shè)計(jì)考慮。詳細(xì)介紹和分析生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特征以及采集環(huán)境和采集電極的特性，從而為前端鏈路的設(shè)計(jì)提出性能上的要求。 第三章：模擬前端鏈路板級(jí)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。從板級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)，搭建有效測(cè)試心電信號(hào)的模擬前端平臺(tái)，并完成制板、焊接和調(diào)試，為芯片級(jí)設(shè)計(jì)提供指引和方向。 第四章：芯片系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)考慮。根據(jù)前幾章的分析，重點(diǎn)從低噪聲、可變?cè)鲆鎺?、高質(zhì)量的模擬前端芯片設(shè)計(jì)出發(fā)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析和仿真，確定系統(tǒng)模塊電路選項(xiàng)和設(shè)計(jì)指標(biāo)。 第五章：芯片關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)。對(duì)前端鏈路中各個(gè)模塊進(jìn)行原理的分析和計(jì)算，電路的設(shè)計(jì)和仿真，最終完成前端鏈路設(shè)計(jì)。 第六章：模擬前端芯片版圖設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果。對(duì)模擬前端芯片進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)和分析，華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 并對(duì)流片后的芯片進(jìn)行模塊和系統(tǒng)測(cè)試，最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和討論。 總結(jié)與展望：對(duì)本論文的主要工作內(nèi)容做了總結(jié)，并對(duì)未來(lái)進(jìn)一步的工作和研究做了展望和分析。 第二章 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)模擬前端電路設(shè)計(jì)考慮 5 第二章 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)模擬前端電路設(shè)計(jì)考慮 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是生物體自身生命運(yùn)動(dòng)中不斷發(fā)出的生理信號(hào)，如心電、腦電、神經(jīng)電信號(hào)等等，能反映生物的生命活動(dòng)的規(guī)律和特征。本章主要介紹生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)，并分析提取生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的模擬前端電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和設(shè)計(jì)考慮。 物醫(yī)學(xué)信號(hào)概述 物醫(yī)學(xué)信號(hào)種類 人體的神經(jīng)細(xì)胞在受刺激或者自主傳遞信息時(shí)，會(huì)在細(xì)胞內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生電位差，該電位差經(jīng)過傳遞后變成了電脈沖，這些原始的電脈沖就是最基礎(chǔ)的生物醫(yī)學(xué)電信號(hào)。肌肉在進(jìn)行各種活動(dòng)時(shí)也伴有電信號(hào)的產(chǎn)生。常見的生物電信號(hào)有心電、腦電、肌電、眼電等。生物非電信號(hào)是由于人體各種非電活動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)，常見的非電信號(hào)有血壓、體溫、呼吸、血流、脈搏等15心電信號(hào)和神經(jīng)電信號(hào)是生理病癥判斷中常用的兩種信號(hào)，在本文中主要以該兩種信號(hào)為例，來(lái)闡述模擬前端芯片的設(shè)計(jì)。 心臟周圍的組織和體液都能導(dǎo)電，因此可將人體看成為一個(gè)具有長(zhǎng)、寬、厚三度空間的容積導(dǎo)體。心臟好比電源，無(wú)數(shù)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位變化的總和可以傳導(dǎo)并反映到體表。在體表很多點(diǎn)之間存在著電位差，也有很多點(diǎn)彼此之間無(wú)電位差是等電的。心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、心房、心室相繼興奮，伴隨著生物電的變化，這些生物電的變化稱為心電信號(hào)17。心電信號(hào)在生物電信號(hào)中屬于較強(qiáng)類的信號(hào)。 神經(jīng)信號(hào)是一種電位差信號(hào)18。神經(jīng)細(xì)胞在靜息狀態(tài)下，有外正內(nèi)負(fù)的靜息電位（外鈉離子內(nèi)鉀離子）。當(dāng)受到刺激后，細(xì)胞膜上少量鈉通道激活開放，鈉離子順著濃度差少量?jī)?nèi)流，膜內(nèi)外電位差逐漸減小，發(fā)生局部電位。當(dāng)膜內(nèi)電位變化到達(dá)閾電位時(shí)，鈉離子通道大量開放，膜電位發(fā)生去極化，激發(fā)動(dòng)作電位。隨著鈉離子的進(jìn)入，外正內(nèi)負(fù)的電位情況逐漸變成外負(fù)內(nèi)正。從變成正電位開始，鈉離子通道逐漸關(guān)閉，鈉離子內(nèi)流停止，同時(shí)鉀離子通道激活開放，鉀離子從細(xì)胞內(nèi)流到細(xì)胞外，膜內(nèi)少了鉀離子，變得不那么負(fù)了，膜電位逐漸減小，恢復(fù)到靜息電位（即外正內(nèi)負(fù)）的水平，由于在正常情況下細(xì)胞膜是外鈉內(nèi)鉀，此時(shí)卻是外鉀內(nèi)鈉，所以這時(shí)鈉耗離子泵回，恢復(fù)了靜息狀態(tài)。此時(shí)完成一個(gè)動(dòng)作電位的產(chǎn)生。由于興奮部分和其相鄰的兩個(gè)靜息部位存在著電位差。膜外的正電荷由靜息部位向興奮部位移動(dòng)，膜內(nèi)的負(fù)電荷由興奮部位向靜息部位移動(dòng)，形成局部電流。在膜內(nèi)，興奮部位相鄰的靜息部位的電位上升，在膜外，興奮部位相鄰的靜息電位下降，去極化達(dá)到閾電位，又華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 觸發(fā)相鄰靜息部位膜發(fā)生動(dòng)作電位，繼而繼續(xù)向兩邊傳遞，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)神經(jīng)脈沖信號(hào)。神經(jīng)信號(hào)在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)中屬于較弱類型。 物醫(yī)學(xué)信號(hào)特征 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)反映的是各個(gè)生命體的特征，會(huì)因個(gè)體差異和環(huán)境差異而不同，有著一般信號(hào)所沒有的特點(diǎn)。下面是生物醫(yī)學(xué)信號(hào)不同其它信號(hào)的主要特征19 (1) 信號(hào)幅度小：由于生物信號(hào)來(lái)源于生物體化學(xué)離子的作用而產(chǎn)生的，因而幅值微弱，從圖2電信號(hào)（肌電信號(hào)（于較強(qiáng)信號(hào)，通常在5腦電信號(hào)（于較弱信號(hào)，幅值通常在10V，腦干聽覺誘發(fā)響應(yīng)信號(hào)甚至小于1 V21。 圖2常見生物醫(yī)學(xué)信號(hào)幅頻分布圖 (2) 頻率范圍一般較低：從圖2于10k 中心電信號(hào)大約在1k 電信號(hào)在100經(jīng)信號(hào)頻率較大，在110k 圖2常見生物醫(yī)學(xué)信號(hào)與干擾信號(hào)頻率分布圖 (3) 噪聲強(qiáng)：由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)自身信號(hào)弱，加之人體是一個(gè)復(fù)雜的整體，因此信號(hào)易受噪聲的干擾。如圖2方面生物醫(yī)學(xué)信號(hào)存在相互交疊的部分，會(huì)彼此第二章 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)模擬前端電路設(shè)計(jì)考慮 7 之間產(chǎn)生串?dāng)_，另外一方面，在環(huán)境中存在著大量的噪聲，例如工頻噪聲，儀器噪聲等，這些噪聲幅值較大，在采集的過程中，很容易疊加到生物醫(yī)學(xué)信號(hào)當(dāng)中。 (4) 隨機(jī)性強(qiáng)：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)不但是隨機(jī)的 ,而且是非平穩(wěn)的。在“組織面的電化學(xué)效應(yīng)會(huì)引起直流漂移電壓，通常高達(dá)數(shù)百毫伏，而且隨生物體的活動(dòng)產(chǎn)生不穩(wěn)定無(wú)規(guī)律地變化。 樣電極以及電路模型 電極是攝取人體內(nèi)各種生物電現(xiàn)象的金屬導(dǎo)體，也稱導(dǎo)引電極。它的阻抗，極化特性、穩(wěn)定性等對(duì)測(cè)量的精確度影響很大。優(yōu)良的電極能從生物體環(huán)境中有效的提取出所需要的生物信號(hào)。通常電極分為兩種：濕用電極和干式皮膚電極。 a) b) 電極結(jié)構(gòu) 圖2電極實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)圖 濕用電極主要用于生物體皮膚表面，例如測(cè)量心電信號(hào)時(shí)所用的心電電極，如圖2類型電極采用銀過銀粉和氯化銀粉壓制而成，使用時(shí)，電極片和皮膚直接充滿導(dǎo)電膏或鹽水棉花，形成一薄層電解質(zhì)來(lái)傳遞心電信號(hào)，從而有效地保證了電極片與皮膚的良好接觸，也有利于極化電壓的減小22 圖2干式皮膚電極形貌、顯微與掃描電鏡照片 干式皮膚電極相對(duì)于傳統(tǒng)商用“濕電極”而得名，與現(xiàn)有商用濕電極相比，不僅具有尺寸小、重量輕、安放方便、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，而且在使用過程中不使用凝膠、導(dǎo)電膏等輔助材料，更易避免在長(zhǎng)期使用中產(chǎn)生皮膚過敏等現(xiàn)象。此外，與傳統(tǒng)電極相比，華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 干式電極與皮膚接觸阻抗較低，從而在信號(hào)質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。圖2干式皮膚電極是生理信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性技術(shù)。該電極是基于 術(shù)設(shè)計(jì)與制造，表面由直徑只有數(shù)十微米的密排微針陣列構(gòu)成。將干電極貼入皮膚可以輕易的穿透角質(zhì)層到達(dá)表皮層，該層具有導(dǎo)電的性能，而且?guī)缀鹾苌俚纳窠?jīng)細(xì)胞和血管，因此沒有疼痛感。 體表電極在理想狀況下的等效電路模型如錯(cuò)誤！未找到引用源。5 所示24，其中溶膠接口以及接口極化相關(guān)的等效阻抗。誤！未找到引用源。6所示為體表電極阻抗關(guān)于頻率的變化曲線，電極的阻抗會(huì)隨著頻率的變化而變化。低頻段阻抗主要是由頻段抗接近于圖2采集電極等效電路模型 圖2采集電極阻抗與頻率關(guān)系曲線 路設(shè)計(jì)考慮 經(jīng)過前文地介紹，我們知道生物醫(yī)學(xué)信號(hào)具有幅值低，頻譜低，極易受到干擾， 存在隨機(jī)不穩(wěn)定等特征，為此我們將根據(jù)上述特征明確在模擬前端芯片設(shè)計(jì)中所需要考慮的性能需求。 (1)可變?cè)鲆妫河捎谏镝t(yī)學(xué)信號(hào)較微弱，為了能更好更有效地從細(xì)節(jié)方面進(jìn)行觀察，需要模擬前端芯片能對(duì)該微弱信號(hào)進(jìn)行放大，而且因個(gè)體差異、信號(hào)種類不同，生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的幅值也不同，為此也需要能對(duì)增益大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至合適的幅值。 第二章 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)模擬前端電路設(shè)計(jì)考慮 9 (2)抗噪聲能力強(qiáng)：在信號(hào)采集和提取過程中，主要的噪聲來(lái)源兩方面：一個(gè)是環(huán)境存在的噪聲，該噪聲的產(chǎn)生我們是不能消除的，另一個(gè)是電路系統(tǒng)本身存在的噪聲。為了能提高輸出信號(hào)的信噪比，必須從上述兩方面著手進(jìn)行處理。前端鏈路中需要存在一個(gè)帶通濾波器，將所需要的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)保留下來(lái)，將不需要的帶外噪聲盡最大程度的降低，此外前端鏈路需要進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)，使電路自身噪聲降至最低。 (3)可變帶寬：由于生物信號(hào)種類的不同，其頻譜也會(huì)發(fā)生變化。為了能合適測(cè)量多種生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，需要前端鏈路存在一個(gè)可調(diào)的帶寬，通過調(diào)節(jié)帶寬將被測(cè)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)完好的保留，帶寬外的信號(hào)均被抑制。 (4)高輸入阻抗：在前端鏈路之前存在的生物體環(huán)境和采樣電極，而電極自身存在一定阻抗，與生物體接觸時(shí)也會(huì)有接觸阻抗。過低的放大器輸入阻抗將產(chǎn)生“加載效應(yīng)”，造成輸入電壓在進(jìn)入放大器前被提前衰減。因此需要加大前端鏈路的輸入阻抗，使其能最大幅度的提取生物醫(yī)學(xué)信號(hào)。 (5)低功耗：低功耗一直是電路設(shè)計(jì)中所追求的。許多生物醫(yī)療設(shè)備是對(duì)生物體進(jìn)行長(zhǎng)期觀察和診斷，采用低功耗設(shè)計(jì)對(duì)此是十分有意義的，對(duì)于移動(dòng)便攜式的設(shè)備，電池是主要的供電電源，低功耗設(shè)計(jì)顯得更為重要。因此，在保證模擬前端鏈路性能達(dá)到要求的情況下，低功耗設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要的指標(biāo)。 章小結(jié) 本章首先對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的種類進(jìn)行介紹，總結(jié)出生物醫(yī)學(xué)信號(hào)幅度低、頻率低、噪聲大、穩(wěn)定性差的幾個(gè)主要特征，然后對(duì)采集信號(hào)使用的電極進(jìn)行分類和等效模型介紹。最后，以最有效地提取生物醫(yī)學(xué)信號(hào)為目的，闡述了模擬前端鏈路設(shè)計(jì)中所需要考慮功能和性能上的要求，為后文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)提供指引。華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 第三章 模擬前端鏈路板級(jí)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 為了提高模擬前端鏈路芯片級(jí)設(shè)計(jì)的可行性和可靠性，本章以心電信號(hào)為探測(cè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)板級(jí)系統(tǒng)的心電模擬前端鏈路，通過藍(lán)牙方式在手機(jī)端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。通過驗(yàn)證該板級(jí)系統(tǒng)，從而找到一個(gè)合適的解決方案，為芯片級(jí)的設(shè)計(jì)奠定一定的基礎(chǔ)。 級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)第二章對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)特征的討論以及對(duì)模擬前端鏈路性能的分析，本章將片機(jī)和藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)相結(jié)合，并利用新型干式皮膚電極和智能手機(jī)，設(shè)計(jì)一款基于手機(jī)藍(lán)牙的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制就可以通過手機(jī)觀察自己的心電信號(hào)，有效驗(yàn)證該模擬前端鏈路性能。 圖3心電模擬前端板級(jí)系統(tǒng)框圖 心電監(jiān)測(cè)電路為系統(tǒng)的核心，主要分為四個(gè)部分：通濾波器、單片機(jī)和藍(lán)牙模塊，系統(tǒng)框圖如圖3中，心電信號(hào)功耗、高共模抑制比的特點(diǎn)，將毫伏級(jí)心電信號(hào)進(jìn)行放大（增益為2000倍）。該款前置放大器采用“交流耦合電容反饋式”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能有效抑制人體電極間的直流漂移電壓，并提高輸入阻抗，從而有效地提取微弱心電信號(hào)25。此外，該放大器具有較高的共模抑制比，能夠有效抑制共模干擾（如工頻等）。放大器同時(shí)采用了亞閾值區(qū)偏置等特殊低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)，使其具有良好的噪聲性能。帶通濾波器采用 59在濾除掉心電頻率以外的噪聲。單片機(jī)（置了12位的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，處理放大和濾波后的心電信號(hào)，并通過串口的方式控制外部藍(lán)牙模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，有效傳輸距離可到5米以上。 第三章 模擬前端鏈路板級(jí)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 11 電檢測(cè)電路 圖3前置放大器分為兩級(jí)，第一級(jí)采用交流耦合全差分放大器的形式，能有效抑制消除記錄電極與參考電極間的直流漂移。方面可以給 供直流偏置，另一方面可以與 有效抑制電路中的低頻噪聲。通過控制偽電阻的柵壓可以控制偽電阻的阻值，從而控制了低頻截止點(diǎn)的位置，這由一個(gè) 實(shí)現(xiàn)。第一級(jí)的增益主要由 2來(lái)決定，在我們的電路中，增益設(shè)置為200，避免使用電阻比例可消除電阻帶來(lái)的熱噪聲。為了進(jìn)一步放大心電信號(hào)，增加第二級(jí)放大器，采用 10 倍增益的常規(guī)直流耦合電阻反饋結(jié)構(gòu)26。 波電路 盡管 置放大器具有高共模抑制比和低噪聲的特性，能有效抑制大多共模干擾信號(hào)。但是，由于皮膚電極與人體的接觸存在個(gè)體差異，加上人體、導(dǎo)線與周圍導(dǎo)體的電容或電感性耦合和輸入阻抗的不平衡等因素，外界的電磁干擾仍會(huì)在一定程度上影響到放大器的工作質(zhì)量。此外，采樣會(huì)引起混疊現(xiàn)象而帶來(lái)噪聲，在信號(hào)采樣之前，在模擬域?qū)庑盘?hào)或高頻噪聲進(jìn)行抑制，能有效提高信號(hào)的信噪比。為此，在放大電路中還要考慮濾波的問題。 00 進(jìn)一步減小系統(tǒng)噪聲，更準(zhǔn)確的提取心電信號(hào)，本文設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器，在模擬域?yàn)V除帶外的低頻和高頻干擾信號(hào)。圖3主要由二階低通有源濾波器和一階高通有源濾波器組成。 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 圖3帶通濾波器原理圖 二階低通有源濾波器采用直接耦合方式，選用入信號(hào)輸函數(shù)如式(3示。其中2=100 k，2=，低通特征頻率 (2 159 11 21 1 1 1 11s (3第二