一款相位误差为0.48°、信噪比为91.1 dB的生物阻抗测量集成电路，用于监测心肺疾病

《IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems》：A 0.48° Phase Error 91.1 dB SNR Bioimpedance Measurement IC for Monitoring Cardiopulmonary Diseases

生物阻抗测量芯片设计实现低功耗与低相位误差，采用相位校正逻辑和单通道同相解调方案，结合噪声 shaping伪正弦波电流生成器及数据加权平均技术，在0.18μm CMOS工艺下实现0.73mm2芯片，输入阻抗噪声2mΩ/√Hz，相位误差<0.48°，可稳定检测1-20kHz范围阻抗 cardiography（ICG）和呼吸信号。

　　

摘要：

本文介绍了一种低功耗、低相位误差的生物阻抗（BioZ）测量集成电路，专为监测心肺疾病而设计。为了补偿电流发生器（CG）、电极和传感器模拟前端（AFE）在信号路径中引入的相位偏移，提出了一种新颖的相位偏移校准逻辑。利用该校准逻辑，开发了一种基于单通道同相解调的阻抗测量方案。采用噪声整形伪正弦波电流发生器和数据加权平均（DWA）技术来最小化调制谐波。该芯片采用0.18μm CMOS工艺制造，面积为0.73 mm2，在1.8V电源下功耗为52.7至97.5 μA。在15.5 kHz频率下，使用50μApk刺激电流时，该电流发生器的信噪比（SFDR）达到74.1 dB，总谐波失真（THD）为?70 dB。在1Hz频率下，芯片的输入参考阻抗噪声为2mΩ/√Hz，信噪比（SNR）为91.1 dB（带宽BW = 4 Hz），输入阻抗范围为36 kΩ，相位误差小于0.48°（0 ? 90°）。使用四电极配置进行的生物阻抗实验清晰地记录了阻抗心动图（ICG）和呼吸信号。

引言

生物阻抗（BioZ）测量是一种新兴的非侵入性生物医学检测技术，能够持续监测胸腔阻抗，为血液动力学参数提供宝贵信息。这些信息对于早期发现慢性心血管疾病至关重要[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。通常，BioZ传感器通过正交解调同时测量组织阻抗的幅度和相位[4]、[6]、[7]、[8]。BioZ的幅度测量反映了组织的导电性，而相位测量则指示了细胞膜周围的液体分布情况，这与患者的健康状况密切相关[1]、[6]、[9]、[10]、[11]、[12]。BioZ传感器应用于通过呼吸监测检测肺水肿以及通过阻抗心动图（ICG）诊断心力衰竭，如图1所示。为了有效捕获BioZ信号并诊断心力衰竭，传感器的幅度灵敏度应低于10mΩ，以匹配心跳的典型特征[1]、[10]。对于肺水肿的诊断，BioZ传感器的相位测量误差应小于0.5°，因为这类患者的胸腔阻抗相位变化通常小于1°[1]、[3]、[4]、[6]。要实现这一精度，需要一种具有低于0.5°相位误差的高性能BioZ传感器接口芯片。