文献综述（或调研报告）：
关于生物信号采集方面的研究，已经有较长的历史。生物医学信号，包含心电信号、脑电信号、肌电信号等在内，是一种微弱信号。它具有信号幅度小，信号频率低，容易受环境噪声的影响和随机性强的特点。[1]因此，早期关于生物医学信号采集的前端电路设计复杂，需要片外大电容和大电阻，以此来实现较低的高通截止频率，从而抑制低频噪声和失调电压。[2]最早用于生物医学信号采集的结构为三运放仪表放大器。虽然它具有高输入阻抗和高共模抑制比的优点，但它面积过大和高功耗的劣势也让它不能适应发展趋势。为了顺应生物医学发展趋势和人们对医疗设备的需求，便携式低功耗的生物医学信号采集设备的构建被提上了日程。
2003年，R.Harrison提出了一种“交流电容耦合反馈”的前置放大器结构。生物信号采集系统开始走向微型集成化。该种结构使用MOS管形成虚拟电阻，在很小的面积上实现了较大的阻值，代替了原先使用的多晶硅电阻，在很大程度上减小了芯片的面积。同时，采用电容耦合而非电阻耦合的方式，避免了由电阻带来的额外噪声。且如果提高匹配精度，反馈网络的增益精度也会有所提升。[3]在此之后，各国的研究人员基于交流电容耦合反馈放大器结构，不断进行优化，提高芯片性能，提出了多种不同的模拟前端结构。2014年，H.Sepehrian在交流电容耦合的基础上，使用电流复用结构，设计出了一款功耗为8.2mu;W，等效输入噪声为3.28mu;Vrms的神经信号采集芯片。[4]同年，W.Qin在交流电容耦合反馈放大器的基础上，采用了斩波调制技术，设计出了一款功耗为13.1mu;W，可调增益为41dB-79dB，0.5Hz-100Hz范围内等效输入噪声为0.85mu;Vrms的生物信号采集芯片。[5]2017年，美国加州大学洛杉矶分校的H.Chandrakumar发表了一篇基于斩波稳定的生物医学信号放大器。这款放大器使用了多频率占空比受控的电阻代替了常用的虚拟电阻，从而解决了虚拟电阻带来的失真问题，采用了辅助回路对输入电容预充电从而达到提升输入阻抗的目的，并且加入了共模消除回路从而抑制输入共模变化对电路的影响。这项操作，使得模拟前端的输入阻抗提高了5.3倍，将线性输入范围提高了2倍，对共模干扰的承受能力提高了6.5倍，同时保持了较好的功率和噪声性能。[6]同年，加利福尼亚大学的Somok Mondal和Drew A. Hall提出了一种改善斩波放大器噪声效率的方案。通过将向上调制的信号交流耦合到反相器上，实现gm的提升，从而提高噪声效率。在消耗同样大小的电流下，该种设计方案可以获得较低的热噪声，同时由于第一级带宽的改善和对闪烁噪声的滤除，还能在一定程度上降低斩波器的斩波稳定纹波。用于ECG的斩波放大器，在1V的电源电压下，功耗为17.7nW，最佳NEF为0.92，PEF为0.85。[7]Somok Mondal还提出过一种全新的降低放大器功耗的方法，该系统使用LMS辅助的噪声功率重配置，从而在模拟前端降低了功耗。这种设计方案解决了传统生物信号采集接口的缺陷，在不影响系统异常检测功能与检测精度的前提下，实现了2.5倍功耗的降低。[8]
国内，在2013年，浙江大学的P.Sun将自动调零技术与斩波稳定技术相结合，设计了一款用于生物医学信号采集的放大器电路，该放大器利用斩波调制消除自动调零技术中折叠噪声的缺陷，并且加入阻抗提升回路以及电极失调电压消除回路来抑制斩波调制带来的非理想性。同时在自动调零结构中使用了Ping-Pong结构，从而使电路在一个周期内一直保持工作，避免了降采样对性能带来的影响。[9]在2016年，Zhangming Zhu提出了一种用于无线人体局域网的低功耗模拟采集前端电路，采用了斩波电容耦合反馈放大器、开关电容滤波器和模数转换器。利用斩波稳定技术消除闪烁噪声，引入直流伺服环路来消除电极失调电压。在开关电容滤波器部分，消除斩波调制带来的纹波。该设计在0.5V电压下，最小功耗为1.3mu;W，带宽为0.5-250Hz，输入阻抗为48MOmega;。[10]在2017年，哈尔滨工程大学的S.Zhao采用低噪声放大器、开关电容型增益可调放大器和逐次逼近型模数转换器等模块。低噪声放大器采用全差分Rail-to-Rail运放作为主体结构，增益可调放大器通过开关电容实现4种可调增益。[11]在2018年，香港科技大学的Jiawei Zheng针对低噪声斩波放大器带来的斩波纹波现象，提出了一种利用带通放大器的简单的纹波降低方法。该设计实现了在1.2V电源下，仅消耗3.3mu;A的电流。[12]
现在的研究方向主要在于单一信号的获取，并在此基础上分析噪声等性能问题。而随着适应度的逐渐拓宽，单一生物电信号的分析已经很难满足医疗行业的需求。因而需要同时获取多种生物医学信号进行分析，才能够得出更加准确和精密的结果。比如，获取同一时间段内心电信号、脑电信号等数值及波动情况，进行综合分析。在另一方面，虽然我们已经有精度较高的生物医学信号采集芯片，但随着医学的进步，对所需要的医疗器械精度将提出更高的要求。同时，因为不同生物电信号的特性不一致，不同的生物电信号具有不同的信号幅度和频率，具有较高的随机性，所以生物医学信号采集芯片需要有足够的采集动态范围，用于应对不同的生物电信号。目前，国内外学术界对于生物电信号的模拟采集前端的研究主要集中在实现低噪声、低功耗、高共模抑制比以及可调增益与带宽等性能。其中，低噪声与高共模抑制比是为了提高信号采集的信噪比，从而抵抗外界干扰的影响。低功耗则是为了提升设备的使用寿命，并且减小电源的体积，也能减少系统的散热。对于植入式的设备而言，可以避免散热过多灼伤人体组织和频繁更换电池对人体造成伤害。而可调增益和带宽能够实现多种生物电信号的检测与采集，从而提高生物电信号采集节点的集成度。
[1]Shuenn-Yuh Lee, Chih-Jen Cheng, et al. A 1-V 8-Bit 0.95mu;W Successive Approximation ADC for Biosignal Acquisition Systems: IEEE, 2009.
[2]C.C.Wang, C.C.Huang, J.S. Liou, et al. A 140-dB CMRR Low-noise Instrumentation Amplifier for Neural Signal Sensing: IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems[C]. Singapore: IEEE,2006.
[3]R.R. Harrison, C. Charles. A low-power low-noise CMOS amplifier for neural recording applications[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2003, 38(6): 958-965.
[4]H. Sepehrian, S.A Mirbozorgi, B. Gosselin. A low-power current reuse analog front-end for multi-channel neural signal recording: 2014 IEEE 12th International New Circuits and Systems Conference[C]. Indian: IEEE, 2014.
[5]W.Qin, Y. Wang, Z. Hong, et al. A low power analog front end for portable biopotential acquisition systems: 2014 12th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology[C]. Guilin: IEEE,2014.
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