生物阻抗(BioZ)检测作为一种新兴的医疗诊断技术，可以通过非侵入的方式检测身体阻抗，用来反映例如肌肉分布、肺部积水、癌细胞部位诊断等一系列身体构成成分和生理参数的检测结果。其无辐射、低开销、非侵入的特点，使得市场对高能效的可穿戴生物阻抗测量设备的需求日益提高。然而传统的生物阻抗测量系统仍然存在许多问题，如依赖于凝胶电极的测量系统。凝胶不适用于可穿戴实时检测，而小尺寸干电极的应用会引入极高的接触阻抗，导致信号衰减和失真。同时读出电路的输入信号相关噪声，在生物阻抗信号较大时会严重降低系统的测量精度。最后，传统设计中采用互补电流源存在抽-拉电流不匹配问题，会导致低输出阻抗和有限的电压裕量。

为了解决上述问题，复旦大学微电子学院集成电路设计（ICD）实验室创新性地提出了一种适用于干电极传感器的高输入阻抗、高灵敏度、无电流失配的生物阻抗测量系统，相关研究成果发表于2022年集成电路设计领域顶级国际学术会议ISSCC，并荣获该年的“丝绸之路奖项”（SILKROAD AWARD）。扩展的期刊全文以“A 0.5mΩ/√Hz Dry-Electrode Bioimpedance Interface with Current Mismatch Cancellation and Input Impedance of 100 MΩ at 50kHz”为题发表于IEEE固态电路杂志IEEE Journal of Solid-State Circuits。该课题由徐佳伟研究员和洪志良教授作为指导老师，第一作者为直博生潘钦竞，并由瞿天翔、唐彪、单飞等人协助完成。

图1. ISSCC 2022 丝绸之路奖项。

这项工作通过全预充技术（Full Pre-Charge）和安静斩波技术（Quiet Chopping）实现了一种高输入阻抗、低噪声的生物阻抗读出电路。全预充技术基于电容电荷再分配原理，通过在同步信号时钟下交替工作的补偿电容对读出电路的输出寄生电容进行完整电荷的补偿，从而达到低功耗、无噪声贡献的输入阻抗提高的目的。

图2. 全预充与安静斩波技术原理图以及输入阻抗与系统噪声测试结果。

安静斩波技术基于电流反馈型仪表放大器（CFIA）的拓扑结构，通过仅改变开关切换策略，且不引入额外电路开销的方式，巧妙地结合了斩波技术与输入级动态单元匹配技术（Dynamic Element Matching, DEM），并同步其时钟。实现了斩波技术调制放大器低频闪烁噪声（Flicker Noise），同时避免了斩波引入的输入阻抗降低。此外，该技术具有在斩波时保持大信号静态，小信号动态的特点，抑制了大信号输入时读出电路的输入相关信号调制噪声的产生，极大程度地提高了系统的测量精度。

图3.系统框架。

此外，这项工作同时也提出了基于共模反馈原理的偏置控制环路（Bias Control Loop），降低了电流产生模块噪声并解决了其电流失配的问题。同时该技术通过复用读出电路电极，消除了传统系统中需要的偏置电极，促成了低功耗、小尺寸干电极应用，实现了完全意义上的四电极的生物阻抗测量系统。和国内外的最新研究成果相比，该系统测量信噪比达到106 dB，并在50 kHz的信号频率下，实现了100 MΩ的输入阻抗，性能均为最优，为高能效、小尺寸的可穿戴生物阻抗测量设备的市场提供了一个有效的设计思路。

图4. 芯片图与测试环境设置。

第一作者

潘钦竞，复旦大学微电子学院直博生。

通讯作者

徐佳伟，复旦大学微电子学院研究员，博士生导师。

详情请点击论文链接：