降低运动噪声干扰之低功耗自动归零ECG前端

In the implantable ECG recording system, the signal may be disturbed by the abrupt varying voltage between the probe and the living tissue, - called motion artifact, and the motion artifact will pull down the signal in severe cases. The subject combines a negative feedback mechanism to design a motion detection circuit and a motion artifact cancellation circuit. The main tasks include:.1. The study of motion artifact detection helps to propose a cancellation circuit. The circuit detects the VGA output dynamically, and feedback control signal to the Auto-Zero IA, according to whether the output voltage of the VGA is saturated or not. .2. Reduce the Auto-Zero IA offset.3. In order to extend the lifetime of implanted devices, a nW level power management system is designed.

在植入式ECG检测芯片中，信号可能受到探针和生物体之间产生突变的偏移电压--运动噪声的干扰，严重时运动噪声会淹没信号。课题结合负反馈机制，设计一种噪声检测电路和噪声消除电路。主要工作包括：.1.研究运动噪声的检测，有助于设计时提出一种消除电路，该电路在VGA的输出端动态检测VGA的输出，并根据VGA的输出电压是否饱和，反馈控制信号作用于Auto-Zero IA，以达到噪声消除的目的。.2.减小offset之Auto-Zero架构IA.3.为了延迟植入式设备的使用寿命，设计nW级电源管理系统

本项目致力于先进工艺下的ECG模拟前端研究，解决电路偏移、闪烁噪声及运动噪声影响ECG模拟前端信号采集等问题。主要研究内容及重要成果有以下几个方面：研究了闪烁噪声和偏移(offset)电压的产生机制，同时对offset量化分析，采用动态偏移消除技术中的Auto-Zero架构，从系统优化到电路设计减小了offset。完成了一种基于Auto-Zero结构的前端放大器设计，有效降低了系统的闪烁噪声和偏移，相关研究成果已经申请专利2项；提出了一种运动噪声消除电路，该电路在可变增益放大器的输出端动态检测其输出，并根据输出电压是否饱和，反馈控制信号作用于Auto-Zero前端放大器，达到消除运动噪声的目的，相关的研究成果已经在2021 IEEE 34th International System-on-Chip Conference (SOCC)会议发表，申请发明专利1项；研究了针对植入式应用的能量管理单元，提出了一款低功耗LDO，该LDO采用亚阈值偏置技术有效地降低了电流消耗，同时通过增加一个PSRR增强分支到LDO的带隙电路，极大地提高对电源纹波抑制能力，相关研究成果已在2021 IEEE 3rd International Conference on Circuits and Systems (ICCS)上发表。.基于TSMC Tiny 65nm CMOS工艺完成了整个模拟前端从整体电路的搭建，仿真和版图设计全过程，同时进行了流片，封装和测试。该前端电路芯片面积为1765um*1350um (including pads)，在2.5V供电电压下，电流消耗为300nA，所设计的低噪声放大器，等效输入噪声为200uV/sqrt(Hz)，可编程增益25、50、100、150、200和250倍。系统具备运动噪声消除功能，运动噪声出现时在200uS内可实现系统稳定。.项目组在本项目的研究基础上进行了一些后续工作的预研究，提出来了一种无线能量传输系统、一种类数字调制电路和一款时钟产生单元，相关研究成果分别发表在国际期刊IEEE Instrumentation & Measurement Magazine、ACM Journal on Emerging Technologies of Computing Systems和Integration VLSI。