应用于眼压信号检测的低噪声前置放大器设计*

曾健平，樊明†，陈铖颖，张锋

(1.湖南大学 物理与微电子科学学院，湖南 长沙 410082；2.厦门理工学院 光电与通信工程学院，福建 厦门 361024；3.中国科学院微电子研究所，北京 100029)

应用于眼压信号检测的低噪声前置放大器设计*

曾健平1，樊明1†，陈铖颖2，张锋3

(1.湖南大学 物理与微电子科学学院，湖南 长沙 410082；2.厦门理工学院 光电与通信工程学院，福建 厦门 361024；3.中国科学院微电子研究所，北京 100029)

基于SMIC 180 nm CMOS工艺，设计并实现了一款应用于眼压信号检测系统的低噪声前置放大器.该放大器使用二极管连接的MOS管实现GΩ级别的大电阻，在反馈回路中该伪电阻与反馈电容并联在低频段产生高通截止点以抑制直流失调电压和低频噪声，达到较好的噪声性能.后仿真结果显示：低噪声前置放大器的直流增益为40 dB,有效带宽从0.25 Hz到46 kHz，在低频频率100 Hz处的等效输入噪声为197.3 nVrms，采用1.8 V的电压供电，核心电路功耗为32.4 μW，芯片面积为0.75 mm×0.62 mm.

信号检测；伪电阻；低噪声；放大器

随着半导体技术和新交叉学科“生物医学微电子技术”的迅速发展，体征信号采集系统在医疗诊断等领域有着广阔的应用前景和巨大的市场价值[1].但是诸如眼电、心电等眼压信号幅值较小、频率低、很容易受到低频下1/f(闪烁)噪声的干扰[2]，这些特点给眼压信号的采集带来了挑战.本文基于眼压信号特征，设计一款应用于眼压信号检测的低噪声放大器.目前在眼压信号检测中，常用降低1/f噪声的方法主要有自调零(auto-zeroing)技术[3]、斩波调制技术[4]和相关双采样技术等等.

Harrison等提出了“交流耦合-电容反馈式”拓扑结构的低噪声前置放大器[5]，同时利用晶体管实现GΩ级别的伪电阻.Zou等在低噪声放大器中采用对称、阻值可调的伪电阻结构，有效减小了信号失真，但增加了电路的复杂性[6].

本文在借鉴了一些前人研究成果的基础上，提出一种应用于眼压信号检测的低噪声前置放大器.该低噪声前置放大器采用传统的两级OTA(Operational Transconduntor Amplifier，OTA)作为核心[7];采用工作在亚阈值区的PMOS对管作为差分输入管；输出级采用NMOS作为输入管.

1 低噪声前置放大器的设计

图1是低噪声前置放大器的系统架构图[8].

图1 低噪声前置放大器结构图Fig.1 Block diagram of the low-noise preamplifier

借助叠加原理和闭环放大器虚短、虚断的特性，可推导出低噪声前置放大器的传输函数：

(1)

式中:C1为输入电容;RP为伪电阻的阻值;CL为负载电容;Cf为反馈电容;Gm是两级OTA的等效输入级跨导.

假设两极点P1和P2满足P1远小于P2，那么由式(1)可得到P1和P2两极点的表达式：

(2)

(3)

从式(1)看出电路在直流状态下有一零点，再结合式(2)和(3)得到的P1和P2极点，近似画出低噪声前置放大器的频率响应，如图2所示.

图2 低噪声前置放大器的频率响应Fig.2 Frequency response of the low-noise preamplifier

(4)

从式(4)可以看出，不仅低噪声的开环OTA在整个低噪声前置放大器设计至关重要，寄生电容Cp,in对噪声的影响也要重点考虑，1.2节将详细讲述如何设计低噪声的开环OTA.

1.1 伪电阻

文献[5]使用两个二级管形式的MOS管串联作为伪电阻，当其形成的伪电阻两端的压差小于0.2 V时，其阻值可达到GΩ级.但是该伪电阻的I-V双向曲线并不对称，其动态范围非常小.本文采用二极管形式的MOS管背靠背相连作为伪电阻，如图3所示，此结构可显著提高伪电阻的动态范围.

图3 伪电阻的结构Fig.3 Structure of pseudo-resistor

N阱与衬底的反向漏电流流过PMOS横向寄生二极管会引起二极管正向导通，产生直流偏移.该偏移的大小比较难估算，严重时可能使输出信号的直流工作点严重偏离，影响下一级SAR ADC对眼压信号的采样处理.

1.2 低噪声、亚阈值跨导放大器OTA的设计

基于对开环放大器高增益、高精度、低噪声、大摆幅以及驱动能力的要求，本文决定采用以PMOS为输入对管、共源级作为输出级的单端输出两级运算放大器，如图4所示.

再对运放的噪声性能进行分析.观察运放电路，放大器第2级产生的等效输出噪声需要除以第1级增益，才能得到等效输入噪声，因此这部分噪声的影响也较小，可以不进行计算.所以，运放的噪声主要来源于第1级放大器的热噪声和1/f噪声.对于等效输入噪声有(忽略电流源的噪声)：

(5)

根据式(5)，可为设计低噪声前置放大器做出指引：为了获得较好的噪声性能，必须增大输入晶体管PM1和PM2的尺寸，同时在一定的电流约束下获得最大的跨导值.减小负载管NM1和NM2的跨导，适当增大负载管的尺寸.其中增大输入管的跨导对噪声的降低影响最大，所以将输入晶体管偏置于亚阈值区来增大输入管的跨导[9].

图4 带有RC补偿的二级运算放大器Fig.4 The two stage amplifier with RC compensation

对于晶体管的工作状态，通常定义一个反型系数(Inversion Coefficient，IC)来进行评价[10].反型系数定义为晶体管漏极电流ID和中等反型特性电流IS的比值：

(6)

当MOS管工作在饱和区时，IC>10；当MOS管工作在线性区时，0.1

这里引入在强反型区和弱反型区都适用的EKV模型[11].定义

(7)

式中:VT为热电压;k是亚阈值区栅耦合系数，典型值为0.7.根据式(7)可知，gm与IC成反比，也就是说，晶体管处于亚阈值区时gm最大，所以偏置输入晶体管偏置于亚阈值区可有效减小运放的等效输入噪声.

在电流大小固定的前提下，增大输入对管的宽长比可将晶体管偏置在亚阈值区.同时，输入对管面积的增加也会对降低运放的噪声大有裨益，但是如果输入对管的面积过大也会增加运放的输入寄生电容Cp,in，由式(4)可知，Cp,in的增大会影响低噪声前置放大器的噪声性能.因此必须合理选择晶体管PM1,PM2的面积，来获得最优的噪声性能.

1.3 噪声因子

为了衡量眼压信号检测系统中的低噪声前置放大器的性能，需要引入噪声因子(NEF)的概念[12]，来综合评价功耗和噪声.NEF越低表示电路综合性能越优.NEF定义为：

(8)

式中Vni,rms是总的等效输入噪声：

(9)

Itot为电路消耗的总电流;BW为整体放大器的带宽.联合式(8),式(9)和Itot=5.5ID1，得到：

(10)

因此本设计的理想NEF大小为3.35.

2 后仿真验证

电路采用SMIC 180 nm 1P6M CMOS工艺，眼压信号检测系统的整体版图如图5所示，电路的核心面积为0.75 mm×0.62 mm.

图5 眼压信号检测系统的电路版图Fig.5 The layout of bio-potential acquisition system

图6是低噪声放大器的增益曲线.从图6中可以得到：低频截止频率为0.25 Hz，高频截止频率为46 kHz，直流增益为40 dB.被采集的眼压信号频率范围是0.1 Hz到1 kHz，位于本文设计的低噪声前置放大器的带宽之内，微弱的眼压信号通过本放大器可以得到有效的放大.

图6 低噪声放大器的增益曲线Fig.6 The gain waveform of the low-noise amplifier

图7是低噪声放大器的噪声特性曲线.在低频频率100 Hz处的等效输入噪声为197.3 nVrms.该低噪声前置放大器的噪声性能良好，满足眼压信号采集系统的性能要求.

图7 低噪声放大器的噪声曲线Fig.7 The noise waveform of the low-noise amplifier

表1列出了不同工艺角下低噪声前置放大器的性能参数.数据显示不同工艺角下的低噪声前置放大器的噪声特性仍满足眼压信号采集系统的性能要求.

表1 常温下，不同工艺角的电路性能参数Tab.1 At room temperature，performance parameters of circuit with different process angles

表2列出了不同文献中低噪声前置放大器的性能参数，通过比较发现本文低噪声前置放大器的NEF最小，综合性能优越.

表2 低噪声前置放大器性能比较Tab.2 Performance characteristics comparison of front-end amplifier

低噪声前置放大器的输出瞬态波形如图8所示.

图8 低噪声放大器的瞬态输出波形Fig.8 The transient output waveform of the low-noise amplifier

仿真低噪声前置放大器的瞬态特性时，输入的激励信号是频率为100 Hz，幅度为600 μV的正弦信号，通过Hspice后仿得到单边输出摆幅为60.2 mV，输出信号被放大了100倍(误差小于0.34%，可忽略)，其瞬态波形的放大倍数与图6得到的在频率100 Hz时的直流增益相等，该放大器增益准确.本设计的难点在于伪电阻中晶体管尺寸的选择，因为在对电路进行后仿真时，如果伪电阻中晶体管尺寸选择不合适，输出瞬态波形的直流工作点相比前仿真会发生严重偏移.

3 结 论

本文在电路采用SMIC 180 nm CMOS工艺下，设计并实现了一款应用于眼压信号检测系统中的低噪声前置放大器.该放大器在反馈回路中采用伪电阻与反馈电容并联的形式，在低频段产生高通截止点以抑制直流失调电压和低频噪声，达到较好的噪声性能.后仿真结果显示低噪声前置放大器的直流增益为40 dB，其低频截止频率为0.25 Hz，高频截止频率为46 kHz，在低频频率100 Hz处的等效输入噪声为197.3 nVrms，验证了本设计的可行性，同时NEF只有3.35，该低噪声前置放大器综合性能优越.

[1] WANG Yanchao，KE Keren，QIN Wenhui,etal.A low power low noise analog front end for portable health care system[J].Journal of Semiconductors,2015,36(10):135-141.

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[3] ZHANG Chong,WU Qisong,YIN Tao.Noise and mismatch optimization for capacitive MEMS readout[J].Journal of Semiconductors，2009,30(11):88-93.

[4] 尹韬,杨海钢,刘珂.一种适用于微传感器读出电路的低噪声、低失调斩波放大器[J].半导体学报，2007,28(5):796-801.

YIN Tao,YANG Haigang，LIU Ke.A low noise，low offset chopper amplifier for micro sensor readout circuit[J].Journal of Semiconductor,2007,28(5):796-801.(In Chinese).

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YANG Peiqi.An active compensated differential integrator without matched operational amplifiers[J].Journal of Hunan University: Natural Sciences，1992,19(6):45-49.(In Chinese).

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ZHU Shaojiao.Design of an front-end amplifier chip for bio-potential acquisition[D].Shanghai:College of Micrlectronics，Shanghai Jiaotong University,2013:26-31.(In Chinese).

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Design of Low-noise Preamplifier for Application of Intraocular Pressure Signal-detection

ZENG Jianping1，FAN Ming1†，CHEN Chengying3，ZHANG Feng2

(1.School of Physics and Microelectronics，Hunan University，Changsha 410082，China；2.School of Opto-electronic and Communication Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；3.Key Laboratory of Microelectronics Devices & Integrated Technology，Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China)

A low-noise preamplifier applied to the intraocular pressure signal-detection system with 180 nm CMOS process was proposed.The amplifier adopts a diode-connected MOS transistor to achieve a large resistance of GΩ level.In the feedback loop,the pseudo-resistor and the feedback capacitor are connected in parallel to generate a high-pass cutoff point in the low frequency,which can suppress the DC-offset voltage and the noise in low frequency to achieve better noise performance.The post-simulation results show that the low noise preamplifier has a DC-gain of 40 dB,the effective bandwidth is from 0.25 Hz to 46 kHz,and an equivalent input noise is 197.3 nVrms at 100 Hz.The power consumption of the core circuit is 32.4 μW at a supply of 1.8 V,and the chip area is 0.75 mm×0.62 mm.

signal-detection；pseudo-resistor；low noise；preamplifier

1674-2474(2017)08-0112-05

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.08.017

2017-02-14

国家自然科学基金资助项目(61474134),National Natural Science Foundation of China(61474134)

曾健平(1966-)，男，湖南祁东人，湖南大学副教授

†通讯联系人，E-mail:913685784@qq.com

TN722.3

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