應用於生醫偵測之類比前端 可調增益放大器設計

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：71

、訪客IP：18.224.68.104

姓名

陳思涵(Ssu-Han Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

應用於生醫偵測之類比前端可調增益放大器設計
(Designs of Analog Front-End Amplifier with Programmable Gain for Bio-sensor)

相關論文

★ 應用於2.5G/5GBASE-T乙太網路傳收機之高成本效益迴音消除器	★ 應用於IEEE 802.3bp車用乙太網路之硬決定與軟決定里德所羅門解碼器架構與電路設計
★ 適用於 10GBASE-T 及 IEEE 802.3bz 之高速低密度同位元檢查碼解碼器設計與實現	★ 基於蛙跳演算法及穩定性準則之高成本效益迴音消除器設計
★ 運用改良型混合蛙跳演算法設計之近端串音干擾消除器	★ 運用改良粒子群最佳化演算法之近端串擾消除器電路設計
★ 應用於多兆元網速乙太網路接收機類比迴音消除器之最小均方演算法電路設計	★ 應用於數位視頻廣播系統之頻率合成器及3.1Ghz寬頻壓控震盪器
★ 地面數位電視廣播基頻接收器之載波同步設計	★ 適用於通訊系統之參數化數位訊號處理器核心
★ 以正交分頻多工系統之同步的高效能內插法技術	★ 正交分頻多工通訊中之盲目頻域等化器
★ 兆元位元率之平行化可適性決策回饋等化器設計與實作	★ 應用於數位視頻廣播系統中之自動增益放大器及接受端濾波器設計
★ OFDM Symbol Boundary Detection and Carrier Synchronization in DVB-T Baseband Receiver Design	★ 適用於億元位元率混合光纖與銅線之電信乙太接取網路技術系統之盲目等化器和時序同步電路設計

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

[檢視]

[下載]

本電子論文使用權限為同意立即開放。
已達開放權限電子全文僅授權使用者為學術研究之目的，進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。
請遵守中華民國著作權法之相關規定，切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送，以免觸法。

摘要(中)

由於人們越來越注重身體的健康，各種穿戴式生醫電子醫療儀器如雨後春筍般崛起，透過生醫電子醫療儀器的量測生理訊號，依數值來確保生理上的健康。現今增加儀器的可靠度與降低本身的功耗、體積以及成本，均是當今技術的發展趨勢。故本論文將以如何降低功耗與低雜訊為訴求，來達到目的。本論文由兩部分所組成：
第一部分為設計一個應用於生醫訊號之低雜訊低功耗的放大器，使用部分電流輸入對，減小元件使用面積，後面接上可調整增益放大器，以利於使用於不同生理訊號。
第二部分為設計一個應於生醫訊號之低雜訊低功耗的放大器，導入電流重複使用技術(Current-Reusing)，可以抑制其閃爍雜訊、熱雜訊以及功率消耗，後面接上可調整增益放大器，以使用於不同生理訊號。
本論文的電路設計均使用UMC 0.18 μm CMOS 1P6M製程。為了追求低功耗，因此將所有電路的供應電壓設定為1.2 V。第一部份的類比前端放大器在輸入訊號頻率100 Hz、輸入震幅100 μV下，放大器倍率可從42 dB到69 dB均可有效放大。輸入參考雜訊為4.1065 μVrms，其晶片面積占0.82mm*0.95mm，整體晶片功耗為11.67 μW。第二部份的類比前端放大器在輸入訊號頻率100 Hz、輸入震幅100 μV下，放大器倍率可從45 dB到55 dB均可有效放大。輸入參考雜訊為1.981 μVrms，其晶片面積占0.72mm*0.95mm，整體晶片功耗為6.58 μW。

摘要(英)

People pay attention to the health of the body more and more, various bio-medical wearable devices have been launched to measure the physiological signals through the medical electronic equipment for ensuring the health of physical. Recent years, by improving the multi-purpose biomedical instruments, reliability, power consumption, equipment size and cost are essential to today′s circuit design. Particularly, how to reduce the power consumption and low noise is important to achieve the portability.
This thesis consists of two parts, the first part designs a low noise amplifier for bio-medical application using partial current input pair, and it can reduce the size of elements, and it followed by programmable gain amplifier to be used for different physiological signals. In the second part, designs a low noise amplifier for bio-medical application using current-reusing technique that is used to maintain flicker noise and thermal noise to lower level and to keep low power consumption. And it followed by programmable gain amplifier to be used for different physiological signals.
Designs in this thesis are fabricated in the UMC 0.18 μm 1P6M CMOS process. In order to pursue low-power consumption, the supply voltage is all set up as low as 1.2 V. The first circuit is an LNA. When the input signal is 100 μV input amplitude with 100 Hz, the mid-band gain of analog front-end low-noise amplifier can be programmed from 42 dB to 69 dB. The post layout simulation shows that the input-referred noise is 4.1065 μVrms, the chip area is 0.82mm*0.95mm, and the overall chip consumes 11.67 μW. The second circuit is also an LNA. When input signal is 100 μV input amplitude with 100 Hz, the mid-band gain of analog front-end low-noise amplifier can be programmed from 45 dB to 55 dB. The post layout simulation shows that the input-referred noise is 1.981 μVrms, the chip area is 0.72mm*0.95mm, and the overall chip consumes 6.58 μW.

關鍵字(中)

★ 類比前端低雜訊放大器
★ 電流重複使用

關鍵字(英)

★ analog front-end low-noise amplifier
★ current reusing

論文目次

摘要 i
Abstract ii
致謝 iv
目錄 v
圖目錄 x
第一章緒論 1
1.1 背景 1
1.2 研究動機 1
1.3 論文架構 3
第二章生醫放大器的需求考量 4
2.1 生理訊號類別 4
2.2 非理想效應 5
2.2.1 低頻雜訊特性 5
2.2.1.1 熱雜訊(Thermal noise) 6
2.2.1.2 閃爍雜訊 (Flicker noise) 8
2.2.2 直流偏壓特性(DC offset) 11
2.2.3 共模拒斥比(CMRR) 12
2.2.3.1 差模組態 12
2.2.3.2 共模組態 13
2.2.3.3 共模拒斥比 15
2.3 前端放大器設計 15
2.3.1 電路架構選擇 16
2.3.1.1 傳統儀表放大器(Instrument amplifier，IA) 16
2.3.1.2 交流耦合放大器(AC coupled amplifier) 18
2.3.1.3 生醫放大器電路架構 19
2.3.2 使用弱反轉區特性 21
2.3.3 電路架構的雜訊分析 23
第三章可調增益低雜訊放大器設計 25
3.1 電路架構 25
3.2 第一版放大器的設計 26
3.2.1 生醫放大器的電路規格 26
3.2.2 放大器的增益分配 28
3.2.2.1 第一級放大器 28
3.2.2.2 第二級放大器 29
3.2.3 轉導放大器電路 29
3.2.4 雜訊分析 32
3.2.5 共模回授電路 34
3.2.6 虛擬電阻 35
3.2.7 電路模擬結果 36
3.2.7.1 差動增益 36
3.2.7.2 共模增益 37
3.2.7.3 雜訊響應 38
3.2.7.4 Transient response 41
3.2.7.5 VDD變異Transient response 50
3.3 第二版放大器的設計 58
3.3.1 生醫放大器的電路規格 58
3.3.2 放大器的增益分配 59
3.3.2.1 第一級放大器 60
3.3.2.2 第二級放大器 60
3.3.3 使用電流重複利用技術電路 60
3.3.3.1 電流重複利用技術 60
3.3.3.2 放大器第一級的自偏壓回授電路 63
3.3.4 米勒電容補償(Miller compensation) 64
3.3.4.1 零電阻補償(nulling resistor compensation) 65
3.3.5 放大器的電路架構 67
3.3.6 雜訊分析 69
3.3.7 電路模擬結果 71
3.3.7.1 差動增益 71
3.3.7.2 共模增益 72
3.3.7.3 雜訊響應 73
3.3.7.4 Transient response 75
3.3.7.5 VDD變異Transient response 82
第四章晶片佈局與量測 87
4.1 量測考量 87
4.1.1 微小電流量測 88
4.1.2 AC response 88
4.1.3 量測步驟 88
4.2 晶片佈局 90
4.2.1 第一版前端放大器 90
4.2.2 第二版前端放大器 91
第五章總結與未來展望 92
5.1 總結 92
5.2 未來展望 92
參考文獻 93

參考文獻

[1] J. G. Webster, “Medical Instrumentation Application and Design,” Canada: John
Wiley & Sons., 1998.
[2] D. A. Johns and K. Martin, “Analog CMOS integrated Circuit Design”, John Wiley & Sons, Inc., 1997.
[3] B. Razavi, “Design of analog CMOS integrated circuits,” New York: McGraw-Hill, 2001.
[4] HORNG-SEN FU, CHIH-TANG SAH, “Theory and experiments on surface 1/f noise,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. ed-19n, pp. 273. February, 1972.
[5] A. S. Sedra and K. C. Smith,“ Microelectronic circuit,” 5th ed. New York: Oxford, Aug.2007.
[6] J. G. Webster, Medical Instrumentation: Application and Design, 4rd edition., New York: John Wiley & Sons, 1998.
[7] F. J. Lidgey and C. Toumazou, “Novel current-mode instrumentation amplifier,” Electronics Letters, vol. 25, pp. 228-230, Oct. 1989.
[8] R. R. Harrison and C. Charles, “A low-power low-noise CMOS amplifier for neural recording applications,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 38, no. 6, pp. 958–65, Jun. 2003.
[9] P. R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, and R. G. Meyer, “Analysis and design of analog integrated circuits,” New York: John Wiley & Sons, Inc., 2001.
[10] R. R. Harrison, “MOSFET Operation in weak and moderate inversion” University of Utah.
[11] 陳雅雯 , “應用於生理訊號偵測之可調式增益與頻寬讀取電路”, 國立中央大學電機工程學系碩士論文, 民國105年
[12] M.-T. Shiue, K.-W Yao, and C.-S.A. Gong,“ Tunable high resistance voltage-controlled pseudo-resistor with wide input voltage swing capability,” Electron. Lett., vol. 47,no. 6, pp. 377-378, Mar. 2011.
[13] Ji-Yong Um, Jae-Yoon Sin, and Hong-June Park, “A Gate-leakage Insensitive 0.7-V 233-nW ECG Amplifier using Non-Feedback PMOS Pseudo-Resistors in 0.13-µm N-well CMOS,” Journal of Semiconductor Technology and Science, vol. 10, no. 4 pp. 309–315, Dec. 2010.
[14] Harrison, www.ece.utah.edu/ harrison/ece5720/subthreshold.pdf,
[15] 凃建宇 , “應用於偵測生醫訊號的可調增益低雜訊放大器暨逐漸趨近式類比數位轉換器之低耗能類比前端設計”, 國立中央大學電機工程學系碩士論文, 民國105年.
[16] Hamidreza Rezaee-Dehsorkh, “Analysis and Design of Tunable Ampliﬁers for Implantable Neural Recording Applications,” IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, vol. 1, no. 4, pp. 546–556 Dec. 2011.
[17] Allen, “CMOS Analog Circuit Design” 3nd, 2011.
[18] B. Gosselin, M. Sawan, C. A. Chapman, “A low-power integrated bioamplifier with active low-frequency suppression,” IEEE Trans. Biomed., vol. 1, no. 3, pp. 184–192, Jun. 2007.
[19] J. Yoo et al., “An 8-channel scalable EEG acquisition SoC with patientspecific seizure classification and recording processor,” IEEE J. SolidState Circuits, vol. 48, no. 1, pp. 214–228, Jan. 2013.

指導教授

薛木添(Muh-Tian Shiue)

審核日期

2017-7-13

推文