移動醫(yī)療芯片的系統(tǒng)架構(gòu)

　　醫(yī)療電子未來的主要趨勢是[14]便攜式、微型化、可連接、人性化、安全和可靠。便攜式需要的生物信號采集傳感器，高效率的系統(tǒng)電源管理芯片，極低功耗的系統(tǒng)和能量存儲。微型化需要先進的集成技術(shù)，如CMOS集成電路， MEMS和其他可變技術(shù)的集成�？蛇B接性需要低功耗RF無線通信技術(shù)。醫(yī)療電子設(shè)備的人性化需要通過病人和客戶的經(jīng)驗進行設(shè)計考慮。數(shù)據(jù)安全性需要更多的硬件和軟件工具支持在RF傳輸和存儲過程中醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全性�？煽啃孕枰鰪娦袠I(yè)規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。針對國內(nèi)外移動醫(yī)療芯片的研發(fā)現(xiàn)狀，我們致力于研制適用于移動生理參數(shù)監(jiān)測的集成電路系統(tǒng)芯片，實現(xiàn)多生命體征信號提取、數(shù)據(jù)處理和無線傳輸?shù)膯尉Ъ�。該芯片可�?yīng)用于便攜式的血糖儀、數(shù)字血壓計、血氣分析儀、數(shù)字脈搏和心率監(jiān)視器等一系列移動醫(yī)療設(shè)備中�？紤]到移動生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備的特殊應(yīng)用條件，芯片采用低頻率、低噪聲、低功耗（三低）的設(shè)計方案，主要研究四個方面的內(nèi)容，即全差分模擬前端、人體近端無線通信、低功耗可擴展FFT處理器電源管理和系統(tǒng)集成。

　　2.1 全差分模擬前端

　　由于生理信號的特殊性，模擬前端電路設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)在于實現(xiàn)低噪聲、低功耗、高精度模擬信號采集和高速高精度低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換。模擬前端（AFE）部分用于對人體生理信號進行采集，為其后的數(shù)據(jù)處理和無線收發(fā)模塊提供真實可靠的數(shù)據(jù)來源，在移動醫(yī)療芯片中占據(jù)著極其重要的位置。近年來，已經(jīng)報道了一些應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)信號采集的模擬前端集成電路設(shè)計[15-18]。然而，這些設(shè)計中要么沒有集成ADC，要么系統(tǒng)增益不可調(diào)，或者不支持多通道采集，另外設(shè)計很少嘗試針對于低幅度電流源信號的采集。為了盡量不失真的還原、放大多種人體生理信號，減小噪聲干擾，模擬前端包括前置放大器、帶通濾波器、抑制工頻干擾的陷波器、主放大器和逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC），

　　一般情況下，前置放大器的增益不宜太大，以避免電極的極化電壓造成電路的飽和，其數(shù)值一般選擇在5-10倍左右。帶通濾波器一般用來濾掉生理信號頻段外的噪聲干擾。陷波器一般用來濾除掉工頻干擾。由于前置放大器的放大倍數(shù)不大，所以主放大器必須將生理信號進一步放大，保證能夠驅(qū)動后面模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該AFE芯片含有6個采集通道，每個通道的功耗僅為80μW，同時每個通道的增益和帶通截止頻率可以配置，可適用于ECG、EMG和EEG等多種電生理信號的采集。此外，該芯片內(nèi)包含有抑制工頻干擾的全集成陷波器，可以抑制耦合進入通道內(nèi)的工頻干擾。針對常規(guī)陷波器需要大電阻（超過1MΩ）大電容（超過50pF）的難題，該設(shè)計采用了電流分流技術(shù)，通過減少積分器的充放電時間來增大時間常數(shù)，從而大大降低了陷波器的中心頻率。同時，陷波器的中心頻率可以進行調(diào)節(jié)，從而使芯片適用于不同頻率的工頻干擾。本設(shè)計中的模擬前端芯片采用SMIC混合信號0.18μm 1P6M CMOS工藝制造。