面向可穿戴式医疗的对数域滤波器设计.pdf
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1、48 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期(总第 357 期)2023 年 6 月 Research and Design 研究与设计摘要:阐述集成电路是实现可穿戴式医疗仪器重要部件的关键技术。对数域电路由于其功耗低、动态范围大,可以用于可穿戴式医疗仪器中,处理低频生理信号。关键词:集成电路,可穿戴,对数域,生理信号。中图分类号:TN43 文章编号:1674-2583(2023)06-0048-03DOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.019文献引用格式:李严,殷树娟.面向可穿戴式医疗的对数域滤波器设计J.集成电路应用,2023,40(06):48-50
2、.检测电路,在11.8V的电源电压下工作,平均电流仅3A,核心面积0.71mm2。芯片可完整检测到心电信号的QRS波,由于体积小,功耗低,特别适用于可穿戴式心率监测。英国帝国理工大学研究团队设计了超低功耗的用于可穿戴式呼吸监测的带通滤波器,检测的信号为呼吸声。在1V的电源电压下,功耗只有70nW。所实现的超低功耗的带通滤波器是提取呼吸信号的重要模块。台湾成功大学的研究团队研发了更为完善的气流感应芯片,包括MEMS(微机电系统)传感器和信号处理电路。MEMS传感器与传统传感器相比,优点是可以与标准的CMOS集成电路工艺兼容,可将传感器与电路集成到一块芯片上,方便使用,可实现呼吸的家庭日常监测。香
3、港中文大学的研究团队设计并实现了用于光电容积脉搏波(PPG)信号处理的截止频率极低的跨阻放大器,没有片下元件,实现了所有元件的全集成。高通截止频率范围为0.5110Hz,可以将PPG信号的直流分量抑制掉,输出交流分量。所设计的电路适合于可穿戴式的血压、血氧等生理参数的监测。这是国际、国内开始研究PPG信号较早的团队。麻省理工和AD公司的团队研发了低功耗、双波长PPG信号处理芯片,芯片除了前端放大器,还包括模数转换器,红和红外发光二极管驱动电路,时钟,数字部分和I/O接口。芯片能够去除静态电流,输出PPG 信号,不增加额外功耗,正常工作时的功耗为425W,特别适0 引言集成电路由于其体积小、功耗
4、低、引入噪声小等优势无疑将是可穿戴式医疗仪器的重要组成部分。而可穿戴式的应用场合和生理信号幅度小、频率极低的特点,也将给集成电路的设计带来新的挑战。1 研究背景老龄化的日趋严重1、亚健康状况的蔓延将导致心脏病、高血压等重大疾病和突发病症的高发,严重威胁人们的健康和生命。如果可以用可穿戴式医疗仪器实时监测病患的关键生理信号,从而监控其健康状况,对重大疾病和突发病症进行早期诊断和早期治疗,会极大地降低这些疾病的发病率及猝死的发生率2。目前,已经有许多课题组针对可穿戴式医疗环境下,用于生理信号检测的集成电路的设计方法展开了研究。在所处理的信号方面,包括了心电3-6、脑电7、呼吸8-9、脉搏10-12
5、等,在电路结构上,包括了与传感器接口电路、放大器、滤波器、模数转换器、数字信号处理器等。新加坡国立大学的研究团队设计并实现了可穿戴式的心电信号(ECG)检测电路,包括了一个模数转换器(ADC)和一个QRS波探测电路,在0.3V的低压电源下,功耗仅有220nW,在同类电路中功耗最低。芬兰奥卢大学的研究团队设计并实现的心电信号面向可穿戴式医疗的对数域滤波器设计李严,殷树娟(北京信息科技大学,北京 100192)Abstract This paper describes that Integrated Circuit is the key technology to realize the impo
6、rtant components of wearable medical instruments.Because of its low power consumption and large dynamic range,log domain circuit can be used in wearable medical instruments to process low-frequency physiological signals.Index Terms integrated circuit,wearable,log domain,physiological signals.Study o
7、n Progress of Log Domain Filter for Wearable Medical TreatmentLI Yan,YIN Shujuan(Beijing Information Sciences and Technology University,Beijing 100192,China.)基金项目:北京市教委科研计划一般项目(71E1810981)。作者简介:李严,北京信息科技大学理学院;研究方向:集成电路及系统。收稿日期:2022-05-07;修回日期:2023-05-19。集成电路应用 第 40 卷 第 6 期(总第 357 期)2023 年 6 月 49Rese
8、arch and Design 研究与设计合用于可穿戴式的血氧监测中。针对不同的信号,采用的设计方法不尽相同,但是由于可穿戴式的应用环境及生理信号低频率、小幅度的特点,需要解决的问题是具有共性的,都致力于降低功耗、实现低截止频率以及降低噪声和干扰13-15。基于金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)的对数域滤波器由于具有较低的功耗,较大的动态范围,较好的协调能力,目前被广泛应用于植入式的电子耳蜗、心脏起搏器中,主要用于处理频率范围较宽的语音信号(100Hz到810kHz)或者用于需要极低功耗的场合。西班牙的一个研究小组提出了对数域的低压低功耗助听器片上系统16,电路采用全MOS结构,MOSFE
9、T工作于亚阈值区,包括自动增益控制放大器,滤波器,数字控制模块等,电源电压为1V,功耗为300W,芯片面积为7.5mm2,电路结构和显微照片如图1所示16。意大利帕多瓦大学的研究团队提出了用于植入式心脏起搏器的双通道对数域可编程放大器和滤波器17,两个通道分别用来处理心房和心室的信号。电路采用0.35m CMOS工艺,在1.8V的电源电压下,电流最多只有1.8A,心房支路的中心频率为105Hz,心室支路的中心频率为72Hz,芯片核心面积为1.3mm2,显微照片如图2所示17。新加坡南洋理工大学的团队发表了用于心电信号检测的电路18,包括高通滤波器,跨导放大器,可变增益放大器,低通滤波器,和跨阻
10、放大器,如图3所示18,其中的可变增益放大器和低通滤波器采用了对数域结构。电路采用0.18m CMOS工艺,在1V电源电压下,功耗低于20W,带宽为0.45 501Hz,增益为4081.02dB。2 目前存在的问题与未来的研究方向已发表的科研成果中,有些设计公布了测试结果,能够达到对生理信号监测的目的,但是仍然存在需要解决的问题:(1)电路结构多数针对某一信号或某一应用设计,缺乏通用性,目前没有模型化、规范化的设计策略。(2)电路结构中缺乏调节机制,没有考虑到流片后实际情况与仿真条件的偏差。(3)生理信号整体频率偏低,但是仍然有一定的频率跨度,分布于接近DC10kHz,对于极低频段的生理信号,
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