スマートフォンのセンサ拡張のための簡易型センサコンディショナICの設計と試作

用于智能手机传感器扩展的简单传感器调节器 IC 的设计和原型

• 批准号: 25918013
• 负责人: 外山 貴子
• 金额: $ 0.32万
• 依托单位: University of Miyazaki
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013-04-01 至 2014-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-25918013/
• 关键词: 簡易型センサコンディショナIC

本研究では、スマートフォンの機能を活用した、外部に接続するセンサのためのインターフェースICの作成を目指した。このようなICを簡易型センサコンディショナICと呼び、ここでは、増幅器、フィルタ、その他の回路を1つのICで実現するものをさす。今回、センシング対象を表面筋電位信号とし、簡易型センサコシディショナICの初段で用いられ、かつその中でも特に重要な超低ノイズアンプの設計と試作に取り組むことを目的とした。はじめに、センサから信号を取り込む際に多く用いられている計装アンプの設計を行った。まずオペアンプ単体の設計を行い、そのオペアンプを用いて計装アンプを設計した。表面筋電位信号は、非常に微弱で低周波な信号であるため、通常のアンプで増幅すると、低周波域においてIC内部で発生する雑音で信号が埋もれてしまう。そこで、これらの雑音を低減させるため、チョッパースタビライゼーション技術を付加した計装アンプを設計した。IC内部で発生するノイズを意図的に加えて回路シミュレーションを行い、通常の計装アンプとノイズ対策を付加した計装アンプの出力のFFT解析結果をみると、表面筋電位信号の低周波数領域において、ノイズが低減できていることが確認できた。次に、CMOS 0.6umプロセスを用いてマスクレイアウトを行い、ICの試作を行った。試作したICを使い評価を行ったところ、計装アンプとしての動作は確認できたが、シミュレーション結果以上のオフセット電圧が出力に発生したため、利得を持たせた評価を行うことが出来なかった。IC内に計装アンプを構成する回路ブロックを個別に組み込んでいたため、個別の回路ブロックの測定を行ったところ、計装アンプの出力に用いたオペアンプでオフセット電圧が発生していることがわかった。今後の課題として、出力段に用いるオペアンプの回路構成を検討することがあげられる。

在这项研究中，我们旨在使用智能手机的功能为外部连接传感器创建一个接口IC。这样的IC称为简单的传感器调节器IC，在这里是指将放大器，过滤器和其他电路带有一个IC的一个。这次，感应的目的是使用表面肌电势信号，并在超低噪声放大器的设计和原型上工作，这些功能和原型在简单传感器化合物IC的第一阶段使用，其中尤其重要。首先，我们设计了一个仪表放大器，通常用于捕获传感器的信号。首先，我们仅设计了一个操作放大器，然后使用操作放大器设计仪器放大器。表面肌电势信号非常弱和低频信号，因此，如果用正常放大器放大，该信号将被低频范围内IC内部产生的噪声掩埋。因此，为了减少这些噪声，通过添加斩波器稳定器技术设计了仪表放大器。进行了电路模拟，并确认添加噪声对策的正常仪器放大器的输出和仪器的输出，以减少表面肌电势信号的低频范围内的噪声。接下来，使用CMOS 0.6UM过程进行掩码布局，并进行IC原型。当我们使用原型IC进行评估时，我们能够确认它是作为仪器放大器运行的，但是由于偏移电压超过了输出中的仿真结果，因此我们无法用增益执行评估。由于构成仪器放大器的电路块分别合并到IC中，因此在单个电路块进行测量时，发现在用于仪器放大器输出的操作放大器中产生了偏移电压。未来的问题将是考虑输出阶段中使用的操作放大器的电路配置。

项目成果

生体信号計測のための計装アンプの設計と試作

用于生物信号测量的仪表放大器的设计和原型

• 发表时间: 2014
• 期刊: 平成25年度核融合科学研究所技術研究会予稿集
• 作者: Tomoyuki Araya;Kazuo Kasahara;Shingo Nishikawa;Hideharu Kimura;Takashi Sone;Hideo Nagae;Yoshio Ikehata;Isamu Nagano;Masaki Fujimura;屋良 朝康;上杉一秀;屋良 朝康;一条 洋和;稲守 栄;稲守 栄;齊藤 作義;桟敷 剛;桟敷 剛;中村 淳也;外山貴子
• 通讯作者: 外山貴子