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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:莫居緣
研究生(外文):Chu-Yuan Mo
論文名稱:ECG量測系統之類比前端電路設計
論文名稱(外文):Design of Analog Front-End Circuit for ECG Measurement System
指導教授:王啟林
指導教授(外文):Chi-Ling Wang
口試委員:杜弘隆陳志成
口試日期:2015-07-17
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:電子工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:65
中文關鍵詞:運算放大器ECG濾波器儀表放大器共模回授
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本論文提出一個低功率高共模拒斥比 (Common Mode Reject Ratio, CMRR)的人體心電訊號(electrocardiogram, ECG)量測系統之類比前端電路(Analog Front-End , AFE)。整體AFE電路包含第一級儀表放大器(Instrumentation Amplifier, IA),放大接收到的ECG訊號,第二級為四階高通濾波器(High-Pass Filter, HPF),濾除2mHz以下的ECG訊號。第三級為一階有限增益低通濾波器(Low-Pass Filter, LPF),提供40dB增益並濾除300Hz以上的訊號。第四級為陷波濾波器(Notch Filter),阻絕電源供應系統的60Hz雜訊干擾。
整體AFE電路中的儀表放大器採用微分差動式儀表放大器並加入了共模回授(Common Mode Feedback, CMFB)電路更進一步提升CMRR。
濾波器中所採用的放大器為常見主動電流鏡負載式差動放大器,且差動放大器的偏壓電流皆壓在300nA以下,以降低功率消耗。整體電路差模增益能在達到67dB以上,CMRR可達到170dB以上。
本論文所設計之AFE電路皆使用台積電(TSMC) SiGe 180nm BiCMOS製程技術進行模擬驗證,操作電壓 1.8V,總體消耗功率小於9µW。
The present study proposes an analog front-end (AFE) circuit used in electrocardiogram (ECG) monitoring devices to achieve low-power common-mode rejection ratio (CMRR). The overall AFE circuit comprises an instrumentation amplifier (IA) to amplify the received ECG signals in the first stage, a fourth-order high-pass filter (HPF) to exclude ECG signals below 2 mHz in the second stage, a finite-gain low-pass filter (LPF) to provide a 40 dB gain and filter out signals over 300 Hz in the third stage, and a notch filter to block the 60 Hz noise interferences generated by the power supply system in the fourth stage.
A differential-type IA was employed in the overall AFE circuit, which was combined with a common mode feedback (CMFB) circuit to further enhance CMRR.
For the filter, the researchers adopted the common differential amplifier that uses a current mirror circuit as an active load. Subsequently, the bias current for the differential amplifier was maintained at below 300 nA to reduce power consumption. The overall differential mode gain was boosted to over 67 dB, enabling the CMRR to achieve over 170 dB.
The AFE circuit designed in the present study was simulated and verified using the SiGe 180nm BiCMOS processing technology developed by the Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). The simulations were controlled at a voltage of 1.8 V, for an overall power consumption less than 9 µW.
口試委員會審定書 #
誌謝 i
中文摘要 ii
ABSTRACT iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 xi
第 一 章 緒論 1
1.1 研究動機………………….. 1
1.2 文獻探討 3
1.2.1 儀表放大器 3
1.2.2 右腳驅動電路 4
1.2.3 交流耦合電路(AC-Coupling circuit) 6
1.3 論文架構 6
第 二 章 ECG量測系統簡介 8
2.1 心電訊號量測 8
2.2 電源共模雜訊干擾 11
2.3 電路中的雜訊 12
第 三 章 電路設計與實現 14
3.1 儀表放大器比較 15
3.1.1 傳統式儀表放大器 15
3.1.2 轉導儀表放大器 16
3.1.3 電流平衡式儀表放大器 17
3.1.4 微分差動式儀表放大器 18
3.1.5 微分差動儀表放大器加入CMFB 19
3.2 濾波器(Filter) 26
3.2.1 一階低通濾波器設計 28
3.2.2 四階高通濾波器 31
3.2.3 帶斥濾波器(Band Reject Filter) 33
3.2.4 雙T型帶斥濾波器 34
3.3 類比前端放大電路所需要規格 36
3.4 放大器設計 37
第 四 章 模擬結果 42
4.1 儀表放大器模擬結果: 42
4.2 放大器模擬結果: 48
4.3 整體電路模擬結果: 53
第 五 章 結論 63
REFERENCE 64
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