17生物医学信号采集的多通道模拟前端集成电路

图４电流－电压转换器电路
Ｆｉｇ．４ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｉ－Ｖ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
２．４ 多路选择器／逐次逼近式ＡＤＣ
图５（ａ）所示为多路选择器，以及８位ＳＡＲ
ＡＤＣ的电路结构。ＡＤＣ由采样保持电路（ＳＨＡ）、
Ｄ／Ａ转换器（ＤＡＣ）、比较器以及ＳＡＲ逻辑模块组
成，其基于Ｒ一２Ｒ梯形的二进制权重阵列结构如图５
（ｂ）所示。它采用电阻值为Ｒ及２Ｒ的级联电阻架
构，这种方式通过等值匹配电阻有利于提高电路的
转换精度。通过外部通道选择信号的控制，多路选
择器可以实现不同通道的信号采集，再经ＡＤＣ量化
输出。在本设计中，每个通道中通过增益可调仪表
运算放大器调制后的信号再经多路选择器与ＡＤＣ
掣：聂ｉｉ品一……‘一 接口，其信号量化的采样率范围为ｌ一５００ ｋＳ／ｓ。
大器以及ＡＤＣ的功耗分别是３８７ ｔｔＷ和７０４仙ｗ。
关键词：生物医学电路与系统；模拟前端；仪表运算放大器；生理信号采集
中图分类号Ｑ４２４；ＴＮ４３２
文献标识码Ａ
文章编号０２５８—８０２１（２０１０）０２－０２８３－０５
Ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ Ａｎａｌｏｇｕｅ Ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ ＩＣ ｆｏｒ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ
１ 系统设计
·预放至１０斗Ａ级
针对不同种类生理信号的采集，本研究提出了
擎璃◆ 近年来，已经报道了一些应用于生物医学信号
采集的前端集成电路设计‘５。８１。然而，这些设计中 要么没有集成ＡＤＣ，要么系统增益不可调，或者不 支持多通道采集，另外很少设计尝试针对低幅度电 流源信号的采集。同时，基于生理信号的特点，高
ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎ．Ｙｏｎ９１·２ ＬＩ Ｂｉｎｌ‘ ＷＡＮＧ Ｌｅｉ２’ ’（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４１，Ｃｈｉｎａ） ２（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＢｉｏｍｅｄｉｃａｌ ａｎｄ Ｈｅａｌｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｎｈｅｎ ｌｍｔｉｔｕｕｓ ｏｆＡｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０５５，Ｃｈｉｎａ）
另外，为了减小由于工艺制作的偏差而给电路 带来的随机失调电压，版图设计中采用了共中心对 称的版图布局，以及叉指耦合技术、多晶硅保护环、 虚单元设计等版图设计技术，减小因版图空位引起 的器件参数不匹配¨…。 ２．２增益可调仪表运算放大器
仪表运算放大器是高性能生理信号采集系统 中非常关键的模块。传统的仪表运算放大器设计
５１８０５５）
摘要：提出并设计一款基于生物医学信号采集的多通道模拟前端集成电路（ＩＣ）。该混合信号集成电路包含增 益可调仪表运算放大器、高灵敏度电流．电压转换器、基准源，以及８位逐次逼近式模数转换器（ＳＡＲ ＡＤＣ）。整个 芯片采用ＳＭＩＣ混合信ｇ－０．１８“ｍ ＣＭＯＳ ｌＰ６Ｍ的Ｔ艺制作，核心电路的芯片面积为１．３６ ｍｍ２。芯片测试结果显 示：该芯片在１．８ Ｖ单电源的供电电压下，共模抑制比大于１００ ｄＢ，可调增益范围为３０一７０ ｄＢ，输入失调电压小于 ９７¨Ｖ，其中ＡＤＣ的微分非线性（ＤＮＬ）和积分非线性（ＩＮＬ）分别为一ｌ／＋１．４和一２／＋２ ＬＳＢ，增益可调仪表运算放
２９卷２期 ２０１０年４月
பைடு நூலகம்
中 国生物 医学工程学报 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖ０１．２９ ＮＯ．２ Ａｐｒｉｌ ２０１０
生物医学信号采集的多通道模拟前端集成电路
张金勇１’２ 李 斌ｈ 王 磊２’
１（华南理工大学电子与信息学院．广州 ５１０６４１） ２（中科院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所，深圳
３ 测试结果与讨论
本研究提出基于多通道生理信号采集的模拟 前端集成电路芯片，采用ＳＭＩＣ混合信号０．１８一斗ｍ １Ｐ６Ｍ ＣＭＯＳ工艺制作，整个芯片的核心电路面积为 １．３６ ｍｍ２（未包含带静电保护的Ｐａｄｓ），该芯片的显 微照片如图６所示，芯片测试采用自行设计的ＰＣＢ 电路板平台（如图７所示），测试环境温度为２６℃， 电源电压为１．８ Ｖ。
信号采集的同时，电极上直接耦合了较大的直流偏 移电位，并且伴随着测试平台会引人大量的环境噪 声。要实现这些信噪比极低的生理信号采集，集成 电路设计面临巨大的挑战。探索设计多通道系统 增益可调结构及低失调电压、高共模抑制比性能且 内部集成ＡＤＣ的模拟前端集成电路，具有非常积极 的意义。此外，针对低幅度电流源生理信号采集 （如血液容积脉搏波信号ＰＰＧ），高灵敏度的电流一 电压转换电路的设计也是必要的。
精度生理信号采集系统的设计需要提供足够的共 模抑制比和低失调性能。本研究提出了一款多通 道生物医学信号采集的模拟前端集成电路芯片设 计，内部集成了低失调仪表运算放大器、高精度的 电流－电压转换和８位逐次逼近式ＡＤＣ，该电路具有 多通道采集、增益可调、低失调电压以及高共模抑 制比性能，初始版本用于测试的芯片采用ＳＭＩＣ混 合信号０．１８一斗ｍ ＣＭＯＳ １Ｐ６Ｍ的工艺制作。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ；ａｎａｌｏｇｕｅ ｆｒｏｎｔ—ｅｎｄ；ＩＡ；ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ
引言
随着微电子学与生物医学的飞速发展，采用集 成系统对人体生理信号（如心电信号（ＥＣＧ）与脑 电信号（ＥＥＧ）等）进行便携式实时采集，要求采集 系统具有模拟、数字信号调制功能，并且要求系统 具有较高的精度和最少的外部元件¨。·。由于大多 数生理信号具有相对较小的幅度与低的频率（如表 １所示¨“ｏ），高性能的模拟前端集成电路设计对整 个生理信号采集系统显得至关重要。另外，在生理
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８．８０２１．２０１０．０２．０２１
收稿日期：２００９－０８－１４，修回日期：２００９－１０－１４
·通讯作者。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｈｌｉｂｉｎ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｅｌｌ；ｗａｎｇ．１ｅｉ＠ｓｉａｔ．ａｃ．ｃｎ
万方数据
中 国生物医学工程学报
２９卷
Ｔａｂ．１
表１ 常见生理信号特性‘３’４１ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌｓ【３。４１
万方数据
２期
张金勇等：生物医学信号采集的多通道模拟前端集成电路
卜输入级——水ＭＦＢ釉怕置级卜输出级—一 网络ｍ１，从而提高电路的转换增益。
Ｆｉｇ．２
图２低失调运算放大器电路
Ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ－ｏｆｆｓｅｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ
采用电阻匹配的三运放结构，因此其性能强烈依赖 于电阻的匹配，通常需要采取价格高昂的外部电阻 激光修饰技术…１。为了克服电阻反馈网络需要高 度匹配的缺点，采用了电流镜结构的新颖设计技 术¨２｜。该仪表运算放大器由低失调运算放大器以 及内置数字接口电路的电阻网络组成，其结构如图 ３所示，数字接口电路可实现外部数字信号对电路 增益的选择。在图３中，Ｖｉｎ＋与Ｖｉｎ一为人体身上 探测到的差分生理信号。电路的差分增益为
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图５ ＳＡＲ ＡＤＣ系统框图。（ａ）ＭＵＸ／ＳＡＲ ＡＤＣ模 块；（ｂ）二进制权重Ｒ－２Ｒ阵列 Ｆｉｇ．５ Ｓｙｓｔｅｍ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ＳＡＲ ＡＤＣ．Ｉ ａ）ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＭＵＸ／ＳＡＲ ＡＤＣ；（ｂ）ｂｉｎａｒｙ·ｗｅｉｇｈｔｅｄ Ｒ－ ２Ｒ ａｒｒａｙ
基于多通道生理信号采集的模拟前端集成电路系 统架构，如图ｌ所示。整个系统包含增益可调仪表 运算放大器、电流－电压转换器、基准源、偏置电路、 数字接口电路、多路选择器以及逐次逼近式ＡＤＣ等 模块。
输出 Ｓ
一
一篡一一麟蜥脚Ｉ豫
Ｆｉｇ．１ Ｍｕｌｔｉ·ｃｈａｎｎｅｌ ａｎａｌｏｇｕｅ ＣＭＯＳ ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ ＩＣ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ａｎａｌｏｇｕｅ ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ（ＡＦＥ）ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ（ＩＣ）ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｍｉｘｅｄ ｓｉｇｎａｌ ＩＣ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｇａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ（ＧＰＩＡｓ），ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ—ｔｏ·ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ（Ｉ－Ｖ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ），ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ａｎ ８－ｂｉｔ ａｎａｌｏｇｕｅ－ｔｏ—ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＡＤＣ）．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ＳＭＩＣ ０．１８－ｐ，ｍ ＣＭＯＳ １ Ｐ６Ｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｃｏｒｅ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ＩＣ ｍｅａｓｕｒｅｄ １．３６ ｍｍ２．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｃｈｉｅｖｅｄ ＣＭＲＲ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ １００ ｄＢ，ｏｆｆｓｅｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ９７ ＩｘＶ，ａｎｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｉｎｓ ｆｒｏｍ ３０ ｄＢ ｔｏ ７０ ｄＢ．Ｔｈｅ ＡＤＣ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ一１／＋１．４ ＬＳＢ ＤＮＬ ａｎｄ一２／＋２ ＬＳＢ ＩＮＬ．Ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｃｈａｎｎｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ＡＤＣ ｗｅｒｅ ３８７ ｔｘＷ ａｎｄ ７０４ ＩｚＷ ｕｎｄｅｒ ａ １．８ Ｖ ｓｉｎｇｌｅ ｓｕｐｐｌｙ ｖｏｌｔａｇｅ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ａ，＝２［（Ｖｉｎ＋）一（Ｖｉｎ一）］Ｒ。／Ｒ． （１） 外部选择信号通过译码器实现对电阻网络的 电阻值选择，即选择不同的Ｒ。阻值，从而实现仪表 运算放大器的不同增益的设置。
Ｖｄｄ
图３增益可调仪表运算放大器结构 Ｆｉｇ．３ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ＧＰＩＡ
２．３电流－电压转换器 电流一电压转换器在电流源信号的采集中至关
２．５基准源／偏置电路 在基准源设计中，采用了一种新颖的全
ＭＯＳＦＥＴ结构的电源电压及温度补偿技术，其基本 的原理为两个具有与电源电压（或温度）相同依赖
万方数据
中 国生物医学工程学报
２９卷
特性的输出变量通过减法器相减，从而获得电源电 压（或温度）补偿的输出¨４１。系统中的不同偏置电 流与偏置电压则通过偏置电路获得。
２ 电路设计
２．１低失调运算放大器 低失调运算放大器电路如图２所示。为了减小
电路的失调电压，采用了连续时间非对称差分输入 管对结构以及ＣＭＦＢ技术一１。在输入级，输入ＭＯＳ 管对采用了叉指耦合的非对称差分结构，以此来降 低因电路输入级器件失配而引起的失调电压。在 共模反馈级，Ｖｉｎ与Ｖｏｕｔ之间的电位差值将经过共 模反馈电路放大，并反馈至输入级的可控电流沉。 由于这是一个负反馈环，因此经过反馈电路的控 制，输入输出的共模电平将维持在同一电位。
其中，增益可调仪表运算放大器的设计决定了 整个系统的失调电压以及共模抑制比性能。因此， 本设计摒弃了传统的电阻匹配设计方式而采用电 流镜结构，其内部运算放大器的设计则采用共模反 馈（ＣＭＦＢ）低失调技术。另外，为适应不同种生理 信号的采集需要，其增益设计为可调，而电流．电压 转换器的设计则可以实现电流源生理信号的采集。 多路选择器能够实现与ＡＤＣ连接的通道选择，而内 部集成的ＡＤＣ可以将每个通道调制后的生理信号 进行量化输出。此外，系统还包括了高精度的电 流／电压基准源、偏置电路以及数字接口电路的 设计。
重要，由于电流源信号一般由光电二极管获得，信 号幅度比较低（如ｎＡ级），且伴随大的暗电流。因 此，要实现电流源生理信号的采集，需要设计线性 度高、噪声抑制能力强的电流一电压转换器。图４显 示了本研究提出的电流．电压转换器的电路，包含核 心转换电路、误差反馈电路以及偏置电路。核心转 换电路利用ＭＯＳ管的等效输出跨阻，实现电流·电 压的转换。误差放大器的设计在电路中形成负反馈