文章导读

在人口老龄化加剧的全球背景下，基于物联网 (IoT) 的医疗监测系统正成为健康管理的关键技术。生物电阻抗 (EBI) 检测凭借其非侵入性、低成本等优势，在体脂分析、慢性病监测等领域展现出巨大潜力。然而，现有生物阻抗检测系统面临两大技术瓶颈：传统仪表放大器 (IA) 的带宽限制 (通常<1 MHz) 难以覆盖β频散区 (100 Hz~1 MHz) 的完整生物阻抗谱；同时，穿戴式设备对电路功耗与集成度有严格的要求。来自西班牙埃斯特雷马杜拉大学的J. Francisco Duque-Carrillo教授团队，在 Journal of Low Power Electronics and Applications (JLPEA) 上发表了一篇题为“A Fully-Differential CMOS Instrumentation Amplifier for Bioimpedance-Based IoT Medical Devices”的研究论文，提出了一种基于间接电流反馈 (ICF) 技术的全差分CMOS仪表放大器。

用于生物医学应用的基于生物阻抗的物联网系统概念框图

研究过程与结果

该研究中提出的全差分CMOS仪表放大器，其设计通过三大技术创新实现性能提升：

• 超源随结构优化

采用超级源随器 (SSF) 构建电压缓冲器，输出阻抗降低至传统结构的1/10；线性化电阻R_I/R_O值可缩小至5 kΩ/20 kΩ，噪声谱密度降低42%；实现电压增益精确控制：A_v=R_O/R_I (理论误差<2%)。

• 全差分电流反馈架构

双通道G_m-I/V转换器实现真正差分信号处理；共模反馈网络 (CMFB) 使输出共模电压稳定在0.9 V (波动<3.6 mV)；带宽提升机制：G_mO/C_L (实测5.83 MHz@1.33 pF)。

• 低功耗工艺优化

采用TSMC 180 nm CMOS工艺，单电源1.8 V供电；创新级联电流镜结构，静态功耗仅266.4 μA；芯片面积0.0304 mm²，适合可穿戴设备集成。

经10组样品测试验证，该仪表放大器展现出卓越性能指标 (见下表)：

实测频率响应特性

该设计的核心突破在于：

• 宽带低噪平衡

通过SSF结构实现跨导线性化，在5 MHz带宽内保持58 dB开环增益，噪声效率因子 (NEF) 达21.3。

• 工艺鲁棒性

蒙特卡洛分析显示，在±10%供电波动、0~80 ℃温漂下，CMRR保持74.8~90.5dB。

• 系统兼容性

集成差分转单端缓冲器，输出驱动能力达30 pF负载。

研究总结

该仪表放大器已成功应用于：多频生物阻抗谱分析系统、可穿戴式心阻抗监测设备、植入式神经信号采集前端。该团队正在开发基于该架构的SoC解决方案，集成12位ADC和BLE 5.0模块，预计可使穿戴设备续航提升40%。这项突破将为下一代智能医疗设备提供关键电路模块，生物阻抗检测技术将向高精度、微型化方向前进。

原文出自 JLPEA 期刊：https://www.mdpi.com/2040180

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/jlpea

JLPEA 期刊介绍

主编：Davide Bertozzi, University of Manchester, UK

期刊旨在发表低功耗电子方向的创新研究和重要成果。期刊范围涵盖的主题包括但不限于新兴电子器件和工艺技术、模拟、数字和混合信号VLSI电路、架构和系统设计、SoC和嵌入式系统、能量采集和无电池系统、综合和优化工具，以及用于低功耗设计的CAD工具和方法。目前被Scopus、ESCI (Web of Science) 等数据库收录。

2023 Impact Factor：1.6   

2023 CiteScore：3.6

Time to First Decision：20 Days

Acceptance to Publication：2.7 Days