心脏起搏器是一种植入于人体内的医疗装置，它通过电极感知人体心电信号的状态，并在需要的情况下通过脉冲发生器发放具有一定能量的电脉冲，刺激电极所接触的心肌，使心脏激动和收缩，从而可以治疗由于某些心律失常所致的心脏功能障碍。心脏起搏器内部通常包含微处理器、实现感知和起搏等功能的专用芯片、通信电路以及必要的外围器件。在电池供电的情况下，如何在提高专用芯片性能的同时，尽可能地降低电路的功耗和面积是该领域集成电路研究的重点和难点。针对起搏器对低功耗、低噪声、小面积和多功能等方面的要求，本文对专用芯片中的感知放大器、电压基准等关键电路分别进行了研究和流片验证，在此基础上实现了起搏器专用芯片，并进行了动物实验。
首先，为了提高感知电路的集成度，并降低其噪声和功耗，本文提出了一种基于电流复用型运算放大器(OTA)的低功耗低噪声电容反馈放大器。为了以尽可能低的功耗获得优异的噪声和线性度特性，在OTA的结构中采用了三种措施：1）采用互补晶体管作为输入级以降低等效输入噪声；2）采用Class-AB输出级提高输出跨导电流效率、输出摆幅以及线性度；3）为进一步提高OTA的电流利用率，将Class-AB输出级的驱动单元嵌入于输入级以共享输入级的偏置电流，从而消除了驱动单元所需的额外偏置电流。感知放大器采用DongBu　0.35μm　CMOS工艺流片，测试结果表明，本文放大器在160nA静态电流消耗下，等效输入噪声为2.05μVrms，相应的NEF为2.29；共模抑制比以及电源抑制比分别大于65dB以及70dB；在20Hz，15mVpp的差分正弦输入条件下，放大器输出的总谐波失真小于1%。此外，人体心电信号测试结果表明，所提出的感知放大器完全满足心脏起搏器感知电路对前端放大滤波器的性能要求。
其次，为了克服传统电阻型电压基准在低功耗应用下电阻阻值大、面积大的缺点，本文提出了一种基于高斜率正温度系数（PTAT）电压产生电路的无电阻型低功耗电压基准。为提高PTAT电压的温度系数，本文的无电阻型PTAT电路结合了两种PTAT电压产生机制。提高PTAT温度系数能够有效减少电压基准所需PTAT产生电路的级数，从而降低了电压基准的功耗。同样采用HHNEC　0.35μm　CMOS工艺流片，所提出的无电阻型电压基准的芯片面积仅为0.019mm2。测试结果表明，在2.8V电源电压下，电压基准的输出参考电压为1.098V，温度系数为31.3ppm/℃，总消耗电流为40nA。
然后，为了提高脉冲产生器的效率并实现脉冲幅度的按需调节，本文提出了一种基于超低频率电荷泵的可编程高压脉冲产生电路。得益于所提出倍压产生器结构的优势，电荷泵的输出负载仅为开关管的寄生电容，因此电荷泵可采用超低频率时钟驱动，从而大大降低了电荷泵的动态功耗，提高了高压脉冲产生器的效率。另外，为了降低体效应以及寄生晶体管泄漏电流对电荷泵传输效率的影响，本文针对交叉耦合电荷泵提出了两种改进措施：1）采用动态衬底偏置；2）利用BCD工艺的隔离特性，合理使用晶体管的衬底连接来避免泄漏电流。更重要的是，所提出的高压脉冲产生器在起搏与充电阶段先后有相反电流流过心脏，这可实现心脏的离子平衡，保证心脏组织的安全。测试结果表明，所提出的可编程高压脉冲产生电路可产生可编程脉冲幅度、脉冲宽度与起搏频率的刺激脉冲。
最后，在关键电路研究的基础上，本文针对现代起搏器对低功耗、多功能的要求，提出并实现了一种应用于三腔起搏器的低功耗多功能混合信号专用芯片。除了包含上述关键电路外，在专用芯片的设计中还提出了一种低功耗控制逻辑，根据心电信号传导的特点，动态控制感知电路的开启与关断，从而降低感知电路的平均功耗。另外，为判断电极与心脏的连接状况并提供额外的心脏生理信息，本文在专用芯片的设计中还提出了一种基于双向短时电流注入的阻抗测量电路。专用芯片采用HHNEC　0.35μm　BCD工艺流片，测试结果表明，该芯片主要实现了对0.25~12.5mV的心电信号实现正确感知，实现0.1-7.5V的可编程脉冲输出，并在250-4000Ω范围内实现线性化的阻抗测量。专用芯片面积为3.8mm×3.8mm，在典型工作条件下，电流消耗为4μA，在单一锂碘电池供电条件下，可满足10年以上的工作寿命要求。目前，搭载该专用芯片的起搏器装置已成功进行了动物实验，为进一步临床应用奠定了基础。