《Integration》：Design and Integration of Custom Op-Amp Architectures for High-Performance Instrumentation Amplifiers
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•提出了一种结构化方法，用于设计CMOS仪表放大器（INA），适用于心电图（ECG）、肌电图（EMG）和脑电图（EEG）等生物医学信号采集应用。•使用180 nm CMOS工艺设计并实现了三种两级CMOS运算放大器（Op-Amp）架构（TS、CDI、DTDI），并将其用作IN
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提出了一种结构化方法，用于设计CMOS仪表放大器（INA），适用于心电图（ECG）、肌电图（EMG）和脑电图（EEG）等生物医学信号采集应用。
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使用180 nm CMOS工艺设计并实现了三种两级CMOS运算放大器（Op-Amp）架构（TS、CDI、DTDI），并将其用作INA电路的基本构建模块。
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通过组合所提出的Op-Amp拓扑结构，开发了九种INA配置，包括同构和混合架构。
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所提出的设计在相同的PVT和负载条件下，采用增益、共模抑制比（CMRR）、带宽、相位裕度、压摆率和功耗等关键性能指标进行评估，并与文献中的架构进行了比较。
引言
生物医学信号处理涉及从人体产生的生理信号中采集和提取具有临床意义的信息。典型的生物医学信号，如心电图（ECG）、脑电图（EEG）和肌电图（EMG），其特点是幅度极低——从几微伏到几毫伏不等——且带宽有限，通常从几毫赫兹延伸至约10 kHz [1], [2], [3], [4]。由于存在显著的共模干扰，包括电极失调电压、闪烁噪声、运动伪影和环境干扰等，这些干扰的幅值往往与目标信号相当甚至更大，因此准确采集这些信号极具挑战性 [5], [6]。随着微电子技术和嵌入式系统的快速发展，对紧凑型、低功耗和高精度的模拟前端电路的需求日益增长，尤其是在便携式和实时生物医学监测应用中 [7], [8], [9]。生物医学传感器和转换器产生的输出信号通常太微弱，无法直接被模数转换器（ADC）处理。因此，需要有效的信号调理来放大目标差分信号，同时保持高信噪比（SNR）并抑制不需要的噪声分量 [10]。尽管传统差分放大器在一定程度上能够衰减共模信号，但其性能对于要求极高噪声抑制的生物医学应用而言并不足够 [5]。因此，仪表放大器（INA）专门针对这些局限性进行设计，具有高差分增益、极高的共模抑制比（CMRR）、高输入阻抗和低输入参考噪声 [11], [12], [13]。这些特性使INA在生物医学传感器读出系统中不可或缺，因为精确放大微弱的生物电位信号至关重要 [14], [15], [16]。INA不仅广泛应用于生物医学领域，还广泛应用于微创手术机器人、工业过程控制、物联网（IoT）、线性位置传感、基于MEMS的传感器和精密测量系统 [17], [18]。在所有这些应用中，低功耗和高集成密度都是关键设计目标，因为它们直接影响系统成本、可靠性和电池寿命。因此，CMOS INA已成为现代低功耗生物医学和传感器接口系统开发中的基本构建模块 [14], [19]。本研究的创新性在于CMOS运算放大器（Op-Amp）和INA架构用于生物医学信号采集的系统化集成、设计和比较评估。本研究并非提出新的运算放大器拓扑，而是专注于将不同已报道的电路模块集成到统一的设计框架中。采用一致的180 nm CMOS设计方法，实现了三种成熟的二级CMOS运算放大器架构，即折叠级（TS）、共源共栅差分输入（CDI）和双管差分输入（DTDI）。基于这些放大器内核，系统地开发并评估了九种INA配置，包括三种同构架构和六种混合架构，所有配置均在相同的PVT和负载条件下进行评估。这一统一框架能够对增益、稳定性、带宽和功耗之间的权衡进行公平比较，为选择适用于生物医学信号采集的合适INA架构提供设计参考，且无需斩波稳定或双极工艺。本研究的主要贡献总结如下：(1) 采用一致的180 nm CMOS设计方法，对三种成熟的两级CMOS运算放大器架构（TS、CDI和DTDI）进行统一设计和性能评估；(2) 基于所实现的运算放大器内核，开发九种INA配置，包括三种同构架构和六种混合架构；(3) 在相同的PVT和负载条件下，对所有提出的INA配置进行全面的比较评估，突出增益、稳定性、带宽和功耗之间的权衡，以服务于生物医学信号采集应用。本文其余部分组织如下。第2节概述INA、其工作原理和架构，并对生物医学和传感器接口应用的INA设计近期文献进行回顾。第3节介绍运算放大器架构，讨论不同的运算放大器拓扑，并回顾各种应用的运算放大器设计相关文献。第4节提出INA设计方法，包括三运算放大器INA架构、所提出的运算放大器内核以及它们在INA同构和混合配置中的集成。第5节展示仿真结果，对所提出的运算放大器和INA进行全面的性能评估。第6节将所提出的设计与先前报道的运算放大器和INA架构进行比较。最后，第7节总结全文并指出未来研究的方向。
章节摘要
INA结构文献综述
仪表放大器（INA）是精密模拟构建模块，设计用于在大共模电压存在下放大低电平差分信号 [20]。它们能够提供精确增益、高输入阻抗和卓越的共模抑制能力，使其在传感器接口和信号调理应用中不可或缺 [21], [22], [23]。与简单的差分放大器不同，INA即使在连接表现出
运算放大器架构概述
运算放大器（Op-Amp）是大多数INA架构的核心，也是模拟和混合信号集成电路中最基本的构建模块之一 [43], [44], [45], [46], [47]。运算放大器在信号处理、数据转换、工业监测和无线通信中的广泛应用突显了其多功能性和重要性 [48], [49], [50]。由于其灵活性和稳健的性能，运算放大器被广泛应用于多种应用，包括
所提出的INA架构
本研究采用系统化设计方法，实现了一种高精度INA，用于生物电位采集系统中的生物医学前端电路。该设计方法专注于实现高输入阻抗、精确的差分模式增益、强共模抑制比和低功耗，这些是生物医学前端电路的关键要求。所提出的INA架构遵循标准的三运算放大器配置 [13]。如图1所示，第一级
结果与讨论
在本研究中，所提出的架构采用180 nm CMOS工艺实现，并使用HSPICE进行评估。所有拓扑均在相同的工艺、电压和温度条件下进行仿真，并使用相同的供电电压、偏置网络和负载电容运行，以确保公平比较。性能评估指标包括开环增益、单位增益频率（UGF）、相位裕度（PM）、压摆率（SR）、共模抑制比（CMRR）和功耗。
所提出运算放大器设计的比较
此外，表6显示了所提出的运算放大器架构相对于最先进CMOS运算放大器设计的有效性。为确保公平和一致的评估，所有三种所提出的运算放大器架构均在相同的工作条件下实现，具体来说，采用与参考文献[51]中相同的供电电压、偏置方案和负载电容。这种统一性消除了额外的变异因素，确保性能差异仅源于
结论
本文基于三种两级运算放大器拓扑（TS、CDI和DTDI），在180 nm CMOS工艺下系统地设计并评估了CMOS INA。对各种运算放大器设计的分析揭示了增益、共模抑制比、带宽和功耗之间明显的权衡关系。折叠级（TS）拓扑提供了最高的本征增益和精度，而双管差分输入（DTDI）架构实现了更优的功率效率和动态性能。通过将这些运算放大器集成到九种INA中
利益冲突声明
作者确认本工作为原创，未在其他地方发表，目前也未在其他地方投稿考虑。此外，作者还确认与所提交的手稿不存在任何竞争性经济利益或个人关系。
Alaa Ali Embaby | Roaa I. Mubarak | Mohamed Hussien Moharam | Azza M. Anis
