JSSC | 复旦大学刘骁团队在集成电路领域顶级期刊发表了最新研究成果

前言

随着可穿戴健康监测技术的快速发展，干电极与非接触电极因其佩戴舒适、适于长期监测等优势，正逐步改变传统心电信号采集的方式。然而，这类高阻抗电极也带来了信号衰减严重、直流偏移大等严峻挑战。如何在极低信号幅度下实现高保真、低噪声的采集，成为制约下一代可穿戴心电监测设备性能的关键瓶颈。

近日，复旦大学生物医学工程与技术学院刘骁教授课题组在集成电路领域顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）上发表了最新研究成果，提出了一款具有超高输入阻抗、噪声可重构的心电模拟前端，为该问题提供了创新的芯片级解决方案。

芯片显微照片

一、研究背景

  传统心电放大器在面对高阻抗干电极及非接触电极时，往往因输入阻抗不足，导致信号在进入放大器前即发生显著衰减。此外，电极与皮肤接触产生的直流偏移电压可达数百毫伏，极易使高增益放大器饱和，失去信号采集能力。现有技术虽采用斩波稳定结构抑制低频噪声，却往往以牺牲输入阻抗为代价，难以兼顾高阻抗匹配与低噪声性能。此外，不同应用场景（如体表心电与皮下心电）对通道数和噪声水平的要求各异，亟需一种可灵活配置、适应性强的前端架构。

二、核心创新点

  本工作围绕“阻抗提升、偏移消除、噪声重构”三个核心目标，提出了一套系统级创新方案：

ECG芯片系统框图

  首先，研究团队提出了“过补偿-泄放”式双级阻抗提升环路，摆脱了传统正反馈结构中闭环增益对阻抗提升因子的限制，在1 Hz下实现了142.8 GΩ的超高输入阻抗。

“过补偿-泄放” 式双级阻抗提升环路

其次，设计了一种基于五相相位交错脉宽调制的直流伺服环路，将谐波能量移至更高频段以便滤除，从而在有效抑制高达350 mV电极直流偏移的同时，保持低频输入阻抗不受影响。

最后，通过时间复用架构与闭环跨导-电容可编程增益放大器的协同设计，实现了通道数与输入参考噪声的灵活权衡：支持1至4通道配置，对应噪声水平分别为0.28、0.35与0.40 μVrms，用户可根据具体应用在通道数量与信号质量之间进行优化选择。

三、实测结果

  芯片采用0.18 μm CMOS工艺流片，核心面积1.7 mm²。在四通道工作模式下，整芯片功耗为121.8 μW，单通道前端功耗仅8.27 μW。实测表明，放大器在1 Hz与50 Hz下的输入阻抗分别超过142.8 GΩ与18.6 GΩ，并能容忍±350 mV的直流偏移。在使用干电极及非接触电极的实际心电测量中，信号波形清晰，QRS波群与T波特征明显，未见因电极阻抗较大导致的幅度衰减，验证了其在真实场景下的可靠性与高性能。

干电极实测ECG波形