低功耗紧凑型多通道肌电信号探测模拟前端芯片设计及低失真探测技术研究

This project is focus on the study on low-power compact analog-front-end IC and low distortion detection technique for multi-channel EMG acquisition system. The main research contents include: (1) regarding the characteristics of EMG signals and the characteristics of integrated circuit process, this project will conduct innovative study on the architecture of the multi-channel analog-front-end chip for multi-channel EMG signal acquisition system;(2) this project will design and implement a multi-channel analog-front-end chip through MPW, basing on both on the solid study on the architecture of the multi-channel EMG signal acquisition system and the time-domain and frequency characteristics, the dc performance and the close-loop stability characteristic; (3) regarding the time-domain and frequency-domain characteristic of EMG signal, and the disturbance between the multi-channel in a multi-channel acquisition system, we will study on the sensitivity promotion technique by means of optimizing noise performance and suppressing inter-channel disturbance both in schematic level and layout level. The project is based on significant social requirements and scientific significance, is an important part of the worldwide original innovation topic. The research results can offer technical support for multi-channel EMG acquisition array system, and can provide strong safeguard for Microelectronic Neural /Electromyography Bridge. Thus fine movement of limb functional regulation becomes possible, and this will benefit paralytic patients and their family..

本项目研究低功耗紧凑型多通道肌电信号探测模拟前端芯片设计及低失真探测技术。主要研究内容包括：（1）针对肌电信号的特性，结合集成电路工艺特点，研究多通道阵列肌电信号探测系统中的多通道肌电信号探测模拟前端芯片的解决方案；（2）在研究肌电信号探测系统方案的基础上，结合检测电路的频率特性、时域特性、直流性能、环路稳定性等方面的特性，利用成熟的MPW渠道，设计并实现多通道肌电信号探测模拟前端芯片；（3）结合肌电信号的时域、频域特点，考察多通道检测情况下通道之间肌电信号的“串扰”，从系统、电路及芯片版图布局等层面来优化噪声、抑制干扰，从而提升肌电信号检测的灵敏度。项目的提出具有重大社会需求背景和科学意义，是世界范围内的原始创新课题的重要组成部分，其研究成果可为多通道阵列肌电信号探测系统提供核心技术支撑，为微电子神经/肌电桥的推广应用提供保障，使精细动作肢体功能调控成为可能，造福广大肢体瘫痪患者及其家庭。

本课题针对适用于穿戴式应用系统的多通道体表肌电信号检测与处理SOC系统中的低功耗紧凑型多通道肌电信号探测模拟前端芯片设计及低失真探测技术开展了研究。设计了多通道新型体表肌电信号探测与获取原型电路系统，借助于该原型系统开展了充分的体表信号探测实验，根据这些实验结果完成了体表肌电信号的时域及频域特征分析，据此获得了多通道肌电信号探测模拟前端电路中噪声、干扰及优化与抑制方面的有效方法。结合最新研究趋势，提出了两种体表肌电信号探测模拟前端芯片单通道电路结构方案，基于TSMC 0.18um CMOS工艺进行了电路设计，在功耗、噪声、增益等方面进行了优化。选择其中一种结构较简单、面积较优的方案进行了流片，测试结果表明增益接近60dB，功耗为8uW，满足设计目标。提出了一种多通道体表肌电信号探测模拟前端芯片及SOC芯片架构，并提前对其中的低功耗模数转换器进行了研究，建立了行为级模型，从架构到关键电路技术掌握了先进的设计方法，设计了一款低功耗（98uW@50KS/s）12-bit 逐次逼近逻辑（SAR） ADC进行流片验证。本课题的相关研究成研究成果为最终实现具有自主知识产权的适用于穿戴式应用系统的多通道体表肌电信号检测与处理SOC芯片打下了坚实的基础。