光电容积脉搏波信号采集与处理集成电路设计与实现中关键基础问题的研究

Continuous monitoring the vital physiological parameters is important for the early diagnose and treatment of main diseases. While, the low power, low frequency integrated circuit for photoplethysmography （PPG） signal processing is an important building block for wearable physiological parameter measurement systems. In this project, the key and fundamental problems in the IC design and implementation for PPG signal acquisition and processing will be researched, including: 1) the multi-level low power design method from system, module to circuit; 2) the design and implemetation techniques for R-MOS-C filter with low cutoff frequency, such as the the realation between the equivalent resistance of the MOSFETs and the performance of the filter; 3) the optimum design and implementation methods for the compensation of the amplifier with low cutoff frequency like the relation between the parameters of the compensation structure and the performance of the amplifier; 4) the influence mechanisium of the external condition like input signal, sensor, invironment, process, to the performance of the chip. Chips with satisfactory performances will be got, the low power and low frequency IC design theory will be enriched and an important theoretical and practical foundation for the application of IC in wearable medical instrumentations will be provided by carrying out this project.

穿戴式多生理参数连续检测是实现重大疾病早期诊断、早期治疗的重要途径，而低功耗、低截止频率光电容积脉搏波（PPG）信号采集与处理集成电路是穿戴式多生理参数无创检测系统的重要组成部分。本项目拟研究PPG信号采集及处理集成电路设计与实现过程中的关键基础问题，包括：1）用于PPG信号处理的系统-模块-电路多层次低功耗集成电路设计方法；2）R-MOS-C低截止频率滤波器设计方法，主要研究MOS等效阻值与滤波器性能的关系等；3）采用新补偿结构的低截止频率放大器的优化设计方法，主要研究补偿结构的增益、噪声等参数与放大器频率、增益、噪声等性能指标的关系等；4）输入信号、传感器、环境、工艺等外部条件对生理信号采集及处理芯片实际性能的影响机制。通过以上研究得到符合性能指标的芯片，丰富低功耗、低频率集成电路设计与实现方法，为集成电路在穿戴式医疗仪器中的应用提供重要理论与实践经验。

本项目主要研究光电容积脉搏波信号（PPG）信号采集与处理集成电路设计与实现中的关键基础问题。.主要研究内容包括：.1）探索降低PPG信号采集与处理集成电路功耗的方法。.2）寻求低截止频率PPG信号采集与处理集成电路设计方法。.3）研究生理信号采集处理集成电路的性能实现方法及影响其性能的因素。.本项目具体结果包括：.1）在降低PPG信号采集与处理集成电路功耗方面，开展了系统-电路-晶体管多级别低功耗设计方法研究。在系统级，主要研究了基于压缩传感概念的模拟到信息的转换系统。在电路级，主要思路是发掘新电路结构，降低复杂度，降低功耗。PPG信号二阶微分信号包含了重要的生理信息，本项目设计了一种适合于PPG信号微分运算的全集成电路，以简单的电路结构实现了模拟信号的连续时间域微分运算。在晶体管级，设计了Log-companding放大器，这同时是亚阈值技术的具体体现。.2）低截止频率PPG信号采集与处理集成电路设计方法方面，继续深入研究了R-MOS-C低截止频率可调滤波器。在前期工作的基础上，不仅对低通结构进行了进一步研究，探讨了各种参数对截止频率的影响，从原理上分析了产生变化的原因；而且设计了高通结构，在变化外部偏置电压时，也得到可调的截止频率。进一步完善了R-MOS-C低截止频率滤波器的设计方法，为解决低截止频率滤波器的全集成化这一关键问题提供了可行的解决方案。.3）研究生理信号采集及处理集成电路的性能实现方法及影响其性能的因素方面，我们意识到，为保证得到的实际电路性能接近设计目标，除了设计及仿真基本模块之外，还要考虑多种因素对于电路的影响。因此，主要从偏置电路、噪声等方面进行研究，保证电路的最终性能。本项目提出一种MOS电压基准源，无无源元件及双极性晶体管，在宽温度范围实现极低温度系数的输出参考电压；还提出一种无电阻和双极晶体管的电流基准，可提供稳定nA级电流、功耗极低，在-20-100度范围内得到很低的温度系数，适合医学应用。另外，在本项目提出的电路中，放大器使用频繁，因此，项目还分析了如何降低二级放大器噪声，从而降低电路整体噪声，保证系统性能。.通过本项目的研究解决PPG信号采集与处理集成电路设计与实现过程中的关键问题，丰富低功耗、低频率集成电路设计与实现方法，为其他生理信号采集与处理电路的集成化和集成电路在穿戴式医疗仪器中应用提供重要理论及实践经验。