论文总字数：36990字

摘 要

在电子信息产业和生物医学工程的发展浪潮交汇之际，将集成电路技术应用于生物医学信号的检测采集成为研究的热点。

本文通过介绍生物电信号的类型与特征，提出了生物信号前端电路所需的低功耗、低噪声、高共模抑制比和电源抑制比等性能要求。为了实现低功耗，本文对工作在亚阈值的MOS管工作模式进行了探讨，并分别在基于电流的BSIM类模型下和基于电荷的EKV模型下，以反型系数作为主要设计自由度，讨论了不同反型层下MOS管的性能。在EKV模型下，还给出了电路设计中的几种优值因子与反型系数的关系曲线，为放大器的实际工程设计提供了指导。

为了得到较低噪声，本文介绍了斩波调制的原理，以实现MOS管闪烁噪声的抑制。兼顾不同的指标进行折中设计是模拟电路设计的常用思路。论文以一种一级差分运算放大器为例，按照这样的思路搭建仿真电路，在2V的工作电平下，得到了177的低频差模增益，73°的相位裕度和75.4dB的共模抑制比。最后，本文提出了套筒式和折叠式两种常用的增益级电路，并对其增益、输入电阻等性能进行了计算比较。

关键词：生物电信号 反型系数 EKV模型 前端电路

Abstract

At the intersection of the development of electronic information industry and biomedical engineering, the application of integrated circuit technology to the detection and collection of biomedical signals has become a research hotspot.

By introducing the types and characteristics of bioelectrical signals, this paper proposes the performance requirements of low power consumption, low noise, high common mode rejection ratio and power supply rejection ratio required for biosignal front-end circuits. In order to achieve low power consumption, this paper discusses the working mode of MOSFET operating at sub-threshold, and uses the inversion coefficient as the main design freedom under the current-based BSIM model and the charge-based EKV model. The performance of MOSFET under different inversion layers. Under the EKV model, the relationship between several figure of merit and the coefficient of inversion in the circuit design is also given, which provides guidance for the actual engineering design of the amplifier.

In order to get lower noise, this paper introduces the principle of chopping modulation to achieve the suppression of MOSFET flicker noise. Taking into account different indicators for compromise design is a common idea of ​​analog circuit design. Taking a first-order differential operational amplifier as an example, the paper builds a simulation circuit according to this idea. Under the working level of 2V, the low-frequency differential mode gain of 177, the phase margin of 73° and the common mode rejection ratio of 75.4dB are obtained. Finally, this paper proposes two commonly used gain stage circuits, sleeve type and fold type, and compares their gain and input resistance.

KEYWORDS: bioelectrical signal, inversion coefficient, EKV model, front-end circuit

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1论文研究背景和意义 1

1.1.1论文研究背景 1

1.1.2论文研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文的主要内容 4

1.4本文组织结构与安排 5

第二章 生物电信号及其检测电路要求 6

2.1 生物电信号简介 6

2.1.1 生物医学信号种类 6

2.1.2 生物医学信号特征 7

2.2 生物电信号模拟前端电路设计目标 8

2.3 本章小结 9

第三章 两种模型下的MOS管放大器参数设计 10

3.1 晶体管亚阈值状态基本原理 10

3.2 BSIM类模型下的MOS管参数设计 10

3.2.1 BSIM类模型概述 10

3.2.2 BSIM模型下基于反型系数的参数提取 10

3.3 EKV模型下的MOS管参数设计 18

3.3.1 EKV模型概述 18

3.3.2 EKV模型下基于反型系数的参数提取 19

3.3.3 EKV模型下基于反型系数的MOS管优值设计 21

3.4本章小结 25

第四章 生物电信号检测模拟前端放大器设计 26

4.1放大器设计基本理论 26

4.1.1 运放性能指标及折中设计方法 26

4.1.2 放大器的噪声来源及抑制方法 28

4.1.3 斩波调制技术 30

4.2 低噪声放大器的结构 32

4.3 几种高增益级电路 33

4.3.1 一级差分运算放大器结构 33

4.3.2 套筒式运算放大器结构 36

4.3.3 折叠式运算放大器结构 39

4.4本章小结 41

第五章 总结 42

参考文献 43

致谢 46

第一章 绪论

1.1论文研究背景和意义

1.1.1论文研究背景

进入新世纪以来，电子信息技术正在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。而作为电子信息技术硬件载体的半导体技术方兴未艾，并渗透进更多的行业，发挥其独特的优势。同时，21世纪也是人口老龄化的世纪，根据联合国的相关统计数据，从2011年到本世纪中叶，老龄人口将增加近三倍，老龄人口数将逐步超过青少年人口数。在发展中国家，这一趋势将更加明显，我国也不能例外^[1]。这种不可阻挡的世界性潮流，将对社会生活的方方面面产生不同程度的影响，对我国乃至世界的医疗保障体系带来的考验就是其中重要的一点。在这样的局面下，需要全世界人民通力合作，努力走出这一困境。对于老年人面临的健康问题，如何实现提早发现诊断、及时救治疾病、并实时监控老年人尤其是老年病人的健康状况成为当下科学研究的重要课题。因此，电子信息技术与生物医疗技术的结合成为了科研工作者和产业应用的研究热点^[2]。

2016年，国务院发布“十三五”国家信息化规划，对信息化产业的发展提出了更高的要求^[3]。在这样的背景和政策推动下，近年来，电子信息技术和生物技术、神经医学技术的协同发展成为了生物医疗电子设备研究的重要推手，也催生了“生物微电子技术”这样一门综合性的学科^[4]。而生物医学芯片作为生物医疗电子设备的核心技术，也成为了这一领域技术角逐的决胜关键。

1.1.2论文研究意义

二十一世纪即将进入第三个十年，随着生物医学技术和电子信息技术的进一步融合发展，集成电路产业在医疗器械领域的拓展方兴未艾。然而，由于相关核心技术一直被国外持有，因此，研究生物医学信号检测电路，以实现相关技术的国产化、自主化，对于提高国家在相关领域的竞争力、保障国家信息产业安全有着重要意义。

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