采集心电信号的集成电路模拟前端-中国科学院深圳先进技术研究院.pdf

采集心电信号的集成电路模拟前端 采集心电信号的集成电路模拟前端 温美英 程亚宇 李烨 摘 要 研究和设计了一款应用于移动健康领域采集心电信号的前端模拟芯片。此芯片系统包含带有高通滤波的预放大 器，右腿驱动电路，增益可调的主放大器，跨导-电容(Gm-C)低通滤波器以及导联脱落检测电路、基线快速恢复电路。设 计采用的是SMIC 0.18μm CMOS工艺，核心电路所占面积为0.76mm2。整个芯片工作在±1.5V的电源电压下，芯片功耗 为495μW，在心电信号频率(0.05 Hz~150Hz) 范围内的共模抑制比大于150dB，增益在40dB~50dB间可调。Gm-C滤波器 的截止频率位于150Hz，右腿驱动电路有效地减小了工频引起的共模干扰电压，导联脱落检测电路和基线快速恢复电路是 集成的工业应用上常用的两个功能，有利于本设计以后的产业化。 关键词 心电采集； 模拟集成电路前端； 右腿驱动； 生物放大器； 导联脱落检测 1 引言 　　随着物联网在电网、交通、通信等领域越来越 模块，导联检测模块等。但是此款芯片内部并未进 广泛的应用，物联网技术在不断地走向成熟。健康 行传统的模拟滤波处理，而是通过一个24位的超高 物联网是在现有的医学信息技术的基础上，结合物 精度ADC模块得到数字信号后做数字滤波处理，实 联网技术形成一种新的健康管理模式。这种以健康 现成本较高。 为中心的管理模式不同于现存的医院以诊断治疗为 　　国内外学术界关于心电等生理信号采集的集成 中心的模式。从2000年底中国人口年龄结构进入老 电路已经有了一定的研究，文献[3]提出了一种用于 [1] 年型 至今，中国老年人口数量在不断攀升。另外， 采集心电或者脑电信号模拟前端集成电路，但是其 由于工作压力大、环境污染严重等原因，许多中青 消耗的面积和功耗较大。文献[4]是一种内置右腿驱 年人的身体长期处于亚健康状态，亚健康的危害性 动电路，用于采集心电信号的模拟集成电路，芯片 已经被医学界认为是与艾滋病并列的21世纪人类健 集成了放大和模拟滤波功能，但其预放大结构采用 康头号大敌。所以，在日趋严重的老龄化，以及亚 传统仪表放大器结构，较难实现高共模抑制比，且 健康可能导致的心脏病、高血压等重大疾病和突发 存在极化电压的限制，同时没有集成导联脱落检测 病症严重威胁着人们的健康和生命时，健康物联网 功能和基线快速恢复功能。 的建设具有深远意义。 生理信号最大的特点是低频低幅值（如 　　健康服务终端产品，如便携式医疗设备，是 心电信号的频率介于0.01Hz~250Hz，幅度为 健康物联网产业化的一个切入点，可实现对人体 0.5mV~4mV[5]），再加上极化电压、50Hz工频、 的心电、血压、血糖、体温、呼吸、血氧饱和度 环境噪声等引入的多种干扰因素，因此要求前端的 等生理参数的实时采集，并实时传输给医生，同 采集芯片要有很好的抑制噪声和抗干扰性能。本设 时获得医生的反馈信息。便携式医疗设备具有小 计中预放大器带有的高通滤波隔除了直流的极化电 型化(Miniaturized)，集成化(Integrated)，网络 压，低通滤波电路滤除了高频噪声，以及右腿驱动 化(Networked)，数字化(Digitalized)，智能化 电路保证了对工频共模干扰的抑制。 [2] (Smart)，标准化(Standard)的特点 。其中，小型 化和集成化的实现需要集成电路技术的支持。生理 2 系统结构 信号采集芯片主要采用模拟前端集成电路技术实现 对生理信号的获取，是作为健康物联网的感知层技