生物信号检测用前端放大器设计文献综述

文献综述（或调研报告）：

背景综述

“生物医学芯片”是集成电路技术与生物医学领域结合的产物，可根据客户的具体需求设计其性能，具有功耗低，成本低，面积小等特点。不仅能够为医生，患者提供精确的诊断和治疗方式，也能够促进医疗设备朝着微型化，智能化方向发展。此外，体积的缩小和生产成本的降低使便携式、微型化医疗保健器械的应用也不仅停留在医疗机构中，而是慢慢普及到人们的生活中，为全民健康提供可靠的解决方案。

模拟前端芯片作为生物信号与外部处理器之间的桥梁，是一种重要的生物医学芯片，其性能的好坏直接决定能否准确的提取生物信号并正确的判断人体的健康状况。正常情况下人体的生物信号幅值极小，频率极低，很容易被周围环境噪声和设备固有噪声干扰，低噪声的前端电路设计是精确地提取人体生物信号所必需的。同时，由于目前的生物医学芯片通常应用于便携式，穿戴式、植入式医疗和保健设备中，所以，在保证芯片体积足够小的同时要降低其功耗。这样既能提高能量的利用率，减小电源的体积，也能减小系统的散热，对于植入式设备来说，可以避免散热过多灼伤人体组织和频繁更换电池对人体的伤害。本文设计的模拟前端电路主要以低功耗为目标，在其他性能满足需求的基础上，采用新技术，新结构尽可能的降低电路的整体功耗。这样的电路设计既符合低消耗的绿色环保理念也顺应了生物医疗设备微型化的发展趋势，对今后生物医学芯片的发展有着非常重要的意义。

21世纪是科技迅速发展的时代，生物医学芯片领域在发展同时也面临新的问题和挑战。医疗设备的不断更新以及疾病的日趋多样化要求电路设计者提出更加完备的设计方案以保证医务人员能够更加精准的判断患者的病情。心电信号(ECG)、脑电信号(EE)、肌电信号(EMG)和神经电信号(ENG)等都是医学领域最常用的诊断依据，为了能够从复杂的人体环境中精确地提取微弱的目标信号，近年来模拟前端电路设计已成为集成电路与医学领域研究的热点，目前已经有多种结构被提出。

国外研究情况

2003年，美国Utah大学的Harrison在论文中第一次提出将使用电容反馈方式的跨导放大器用于提取微弱的神经信号，电路中采用电容藕合的方式连接，通过电容比值设置增益，并将MOS器件接成伪电阻(pseudo-resistor)代替大阻值电阻与电容构成低截止频率的高通滤波器^[1]。在该结构中运放的功耗仅为0.9 W，但是伪电阻的阻值无法精确的控制，很容易造成失真。2005年，Olsson R在Solid-State Circuits发表的论文中提出了一种用于神经信号记录的三维微系统结构，整体电路设计基于0.5mu;m CMOS工艺，电源提供的电压为3V，整个系统功耗为5.4mW^[2]。2007年，Harrison R. R.及其团队研究实现了一种低功耗的100通道微电极阵列无线神经信号记录系统，该系统消耗功耗13.5mW，实现了多通道的记录神经信号^[3]。同年，Refet Firat Yazicioglu的研究小组设计了生物电势获取系统的前端电路，可以读出心电、脑电等信号，其中，设计的斩波仪表放大器采用O.5mu;m CMOS工艺，功耗为60mu;W，共模抑制比为120dB^[4].2008年，Meysam Azin, Pedram Mohseni研究了一种神经信号检测电路，该电路为可植入型电路^[5]。整体电路采用了TSMC 0.35mu;m CMOS工艺，电源电压为2V，功耗为78mu;W,信号处理部分应用了SAR ADC结构，在采样率为45kHz下，有效位数为9bit，功耗为16mu;W。同年，Mohsen Mollazadeh等设计出多通道无线神经信号采集电路，该电路基于0.5mu;m CMOS工艺完成，共有16个通道，每个通道由一个前置放大器和一个ADC组成，前置放大器具有可调节的带宽和39.6dB的固定直流增益，ADC的位数为10 bit，功耗为76mu;W^[6] 2010年，来自加利福尼亚大学的Kim J等人提出了一种神经信号放大器的设计，该结构主要用于植入式脑电信号记录系统，采用了一个带电容反馈环路的全差分斩波跨导放大器(OTA)，在电源电压为plusmn;1.2V的情况下，增益为65.6dB，功耗达到1.7mu;W,带宽为1Hz到300Hz，输入参考噪声为9.76mu;Vrms^[7]。2011年，台湾的国立交通大学设计了一款便携式心电、脑电信号监控系统，该系统中的核心部分为低功耗、低噪声CMOS模拟前端芯片。芯片集成了8个通道，不同的通道用于检测不同种类的生物信号^[8]。2014年美国密歇根大学的Borna A和Najafi K也提出了一个无线多通道的微系统结构，该系统主要用于记录神经信号，发射机的功耗为5mW，输入相关噪声为4.58mu;Vrms ^[9]。2017年，加州大学洛杉矶分校的Hariprasad Chandrakumar提出了一种神经信号斩波放大器，能够处理高达40mVpp的带内伪影，同时保留伴随的小神经信号，并提出了解决低输入阻抗和电极偏移抑制问题的新技术^[10]。同年，加州大学圣地亚哥分校的Somok Mondal 和 Drew A. Hall 介绍了一种用于便携式或植入式心电图的超低功耗斩波稳定放大器，这是一种利用交流耦合上调制信号对叠加逆变器进行Gm升压，从根本上提高放大器噪声效率的新技术。设计和模拟在65 nm CMOS工艺下完成，放大器在1V电压供电下功耗为17.7 nW^[11]。

国内研究情况