一种用于心电信号检测芯片的模拟前端电路制造技术

本实用新型专利技术涉及CMOS模拟集成电路设计领域，特别地涉及一种用于心电信号检测芯片的模拟前端电路。本实用新型专利技术公开了一种用于心电信号检测芯片的模拟前端电路，包括全集成、高通型的电容放大器和Sigma‑Delta调制器，所述电容放大器用于利用反馈电阻和反馈电容构成的高通通路滤除心电信号中的直流电压分量，并通过全差分跨导放大器构成的全差分结构将心电电压信号进行放大，Sigma‑Delta调制器将放大后的心电电压信号转换为数字码，并输出至数字信号处理平台进行处理。本实用新型专利技术集成度高、功耗低且检测精度高。

An analog front-end circuit for ECG signal detection chip

The utility model relates to the design field of CMOS analog integrated circuits, in particular to an analog front-end circuit for an ECG signal detection chip. The utility model discloses an analog front end circuit for a ECG signal detection chip, which includes a complete set, a high pass capacitive amplifier and a Sigma Delta modulator. The capacitive amplifier is used to filter the DC voltage component in a cardiac signal by a high pass channel composed of a feedback resistor and a feedback capacitance, and through a total difference. The full differential structure of the transconductance amplifier amplifies the ECG signal, and the Sigma Delta modulator converts the amplified ECG signal to digital code, and outputs it to the digital signal processing platform for processing. The utility model has the advantages of high integration, low power consumption and high detection accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种用于心电信号检测芯片的模拟前端电路
本技术属于CMOS模拟集成电路设计领域，具体地涉及一种用于心电信号检测芯片的模拟前端电路。
技术介绍
随着人们对自身健康状况监测以及疾病预防意识的不断提高，穿戴式心电检测设备得到越来越多的重视和发展。作为检测芯片中的第一级电路和重要组成部分，模拟前端电路的功耗、噪声、信噪比等性能直接决定了系统的工作时长和检测精度，因此模拟前端也成为了工业界和学术界研究的热点。心电信号的频率范围通常在0至500Hz的范围左右，信号幅度在100μV至5mV之间。为了从背景噪声中提取微弱的信号，模拟前端电路产生的输入参考噪声必须低于10μVrms。此外，在探测电极和皮肤的界面处会产生300mV的直流电压，对输入信号产生干扰。因此，模拟前端电路还应该具有直流消除机制，避免使用片外隔直电容，进而实现电路的全集成。同时为了满足芯片中数字信号处理的要求，模拟前端中的模数转换器需要具有至少10bit的有效精度。更为重要的是，穿戴式设备都采用电池供电，芯片必须进行低功耗设计，以满足长时间的待机需求。目前已有的心电检测模拟前端大都使用隔直流电容滤除心电信号中的直流分量，电容值处于微法量级，面积极大，无法实现电容与芯片的单片集成；同时目前的设计还采用单端输出结构，限制了输出信号的动态范围；此外，为了降低电路功耗，都采用逐次逼近模数转换器进行模数转换，无法实现10bit以上的信噪比输出，增加了数字信号处理平台的处理难度。。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种用于心电信号检测芯片的模拟前端电路用以解决上述问题。为实现上述目的，本技术采用的技术方案为：一种用于心电信号检测芯片的模拟前端电路，包括全集成、高通型的电容放大器和Sigma-Delta调制器，所述电容放大器用于利用反馈电阻和反馈电容构成的高通通路滤除心电信号中的直流电压分量，并通过全差分跨导放大器构成的全差分结构将心电电压信号进行放大，Sigma-Delta调制器将放大后的心电电压信号转换为数字码，并输出至数字信号处理平台进行处理。进一步的，所述电容放大器包括输入电容Cin1、输入电容Cin2、共模输入电容Cb1、共模输入电容Cb2、共模输入电阻M1a、共模输入电阻M1b、共模输入电阻M2a、共模输入电阻M2b、反馈电容C1、反馈电容C2、反馈电阻M3a、反馈电阻M3b、反馈电阻M4a、反馈电阻M4b与全差分跨导放大器，心电信号in通过输入电容Cin1接全差分跨导放大器的同相输入端，输入共模电压vcm通过输入电容Cin2接全差分跨导放大器的反相输入端，共模输入电容Cb1与串联的共模输入电阻M1a和M2a并联后接在输入共模电压vcm与全差分跨导放大器的同相输入端之间，共模输入电容Cb2与串联的共模输入电阻M1b和M2b并联后接在输入共模电压vcm与全差分跨导放大器的反相输入端之间，反馈电容C1与串联的反馈电阻M3a和M4a并联后接在全差分跨导放大器的同相输入端与负输出端之间，反馈电容C2与串联的反馈电阻M3b和M4b并联后接在全差分跨导放大器的反相输入端与正输出端之间，全差分跨导放大器的正输出端和负输出端分别与Sigma-Delta调制器的两输入端连接。进一步的，所述Sigma-Delta调制器为2阶Sigma-Delta调制器。更进一步的，所述Sigma-Delta调制器为2阶反相器型Sigma-Delta调制器，包括一个2阶调制器和一个量化器，所述2阶调制器由两个一阶积分器串联而成，所述一阶积分器采用2个共源共栅反相器来实现。更进一步的，所述量化器包括NMOS晶体管M1-M9、M15和M17以及PMOS晶体管M10-M14和M16，NMOS晶体管M1和M2的栅极分别连接至2阶调制器的两个输出端，源极都连接地，NMOS晶体管M1和M2的漏极分别连接到NMOS晶体管M6和M7的源极，NMOS晶体管M4的栅极与时钟信号clk2相连，源极和漏极分别与NMOS晶体管M3的源极和NMOS晶体管M5的漏极相连，NMOS晶体管M3的源极与漏极短接，NMOS晶体管M3的漏极连接至NMOS晶体管M1的漏极，栅极接时钟信号clk1，NMOS晶体管M5的源极与漏极短接，NMOS晶体管M5的源极连接至NMOS晶体管M7的源极，栅极接时钟信号clk1，NMOS晶体管M6的栅极连接到PMOS晶体管M10的栅极以及NMOS晶体管M9的漏极，NMOS晶体管M6的漏极连接到NMOS晶体管M8的源极，NMOS晶体管M7的栅极连接到PMOS晶体管M12的栅极以及NMOS晶体管M8的漏极，NMOS晶体管M7的漏极连接到NMOS晶体管M9的源极；NMOS晶体管M8的栅极连接时钟信号clk1，NMOS晶体管M8的漏极连接到PMOS晶体管M10的漏极，NMOS晶体管M9的栅极连接时钟信号clk1，NMOS晶体管M9的漏极连接到PMOS晶体管M12的漏极，PMOS晶体管M10和M12的源极都连接到电源上，PMOS晶体管M11的漏极连接到PMOS晶体管M10的漏极，PMOS晶体管M11的栅极连接到时钟信号clk1，PMOS晶体管M11的源极接电源；PMOS晶体管M13的漏极连接到PMOS晶体管M12的漏极，PMOS晶体管M13的栅极连接到时钟信号clk1，PMOS晶体管M13的源极接电源，PMOS晶体管M14和NMOS晶体管M15构成反相器，PMOS晶体管M14和NMOS晶体管M15的栅极连接至PMOS晶体管M10的漏极，输出比较信号Voutp1；PMOS晶体管M16和NMOS晶体管M17构成反相器，PMOS晶体管M16和NMOS晶体管M17的栅极连接至PMOS晶体管M12的漏极，输出比较信号Voutn1；时钟信号clk1和clk2为两相非交叠时钟信号，比较信号Voutp1和Voutn1经过RS锁存器输出最终的比较器结果Doutb和Dout。本技术的有益技术效果：本技术采用全集成、高通型的电容放大器以及Sigma-Delta调制器的结构，通过反馈电容和反馈电阻并联的方式，滤除了心电信号中的直流分量，解决需要片外隔直流电容滤除心电信号直流分量的问题，实现了电路的全集成；通过在电路中使用全差分的跨导放大器结构，增大了输出信号的摆幅，提高了输出信号的动态范围，解决了电路输出动态范围不足的问题；通过模拟前端中采用反相器型Sigma-Delta调制器，对心电检测电压信号直接进行量化、编码，降低了电路复杂度，在实现电路极低功耗的同时获得了10bit以上的信噪比输出，因此，本技术具有集成度高、功耗低和检测精度高的优点。附图说明图1为本技术具体实施例的电路结构图；图2为本技术具体实施例的反相器型Sigma-Delta调制器的电路结构图；图3为本技术具体实施例的量化器的电路结构图；图4为本技术具体实施例输出的频谱分析结果示意图。具体实施方式现结合附图和具体实施方式对本技术进一步说明。如图1所示，一种用于心电信号检测芯片的模拟前端电路，包括全集成、高通型的电容放大器100和Sigma-Delta调制器110，所述电容放大器100用于利用反馈电阻和反馈电容构成的高通通路滤除心电信号中的直流电压分量，并通过全差分跨导放大器构成的全差分结构将心电电压信号进行放大，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于心电信号检测芯片的模拟前端电路，其特征在于：包括全集成、高通型的电容放大器和Sigma‑Delta调制器，所述电容放大器用于利用反馈电阻和反馈电容构成的高通通路滤除心电信号中的直流电压分量，并通过全差分跨导放大器构成的全差分结构将心电电压信号进行放大，Sigma‑Delta调制器将放大后的心电电压信号转换为数字码，并输出至数字信号处理平台进行处理。

【技术特征摘要】
1.一种用于心电信号检测芯片的模拟前端电路，其特征在于：包括全集成、高通型的电容放大器和Sigma-Delta调制器，所述电容放大器用于利用反馈电阻和反馈电容构成的高通通路滤除心电信号中的直流电压分量，并通过全差分跨导放大器构成的全差分结构将心电电压信号进行放大，Sigma-Delta调制器将放大后的心电电压信号转换为数字码，并输出至数字信号处理平台进行处理。2.根据权利要求1所述的用于心电信号检测芯片的模拟前端电路，其特征在于：所述电容放大器包括输入电容Cin1、输入电容Cin2、共模输入电容Cb1、共模输入电容Cb2、共模输入电阻M1a、共模输入电阻M1b、共模输入电阻M2a、共模输入电阻M2b、反馈电容C1、反馈电容C2、反馈电阻M3a、反馈电阻M3b、反馈电阻M4a、反馈电阻M4b与全差分跨导放大器，心电信号in通过输入电容Cin1接全差分跨导放大器的同相输入端，输入共模电压vcm通过输入电容Cin2接全差分跨导放大器的反相输入端，共模输入电容Cb1与串联的共模输入电阻M1a和M2a并联后接在输入共模电压vcm与全差分跨导放大器的同相输入端之间，共模输入电容Cb2与串联的共模输入电阻M1b和M2b并联后接在输入共模电压vcm与全差分跨导放大器的反相输入端之间，反馈电容C1与串联的反馈电阻M3a和M4a并联后接在全差分跨导放大器的同相输入端与负输出端之间，反馈电容C2与串联的反馈电阻M3b和M4b并联后接在全差分跨导放大器的反相输入端与正输出端之间，全差分跨导放大器的正输出端和负输出端分别与Sigma-Delta调制器的两输入端连接。3.根据权利要求1或2所述的用于心电信号检测芯片的模拟前端电路，其特征在于：所述Sigma-Delta调制器为2阶Sigma-Delta调制器。4.根据权利要求3所述的用于心电信号检测芯片的模拟前端电路，其特征在于：所述Sigma-Delta调制器为2阶反相器型Sigma-Delta调制器，包括一个2阶调制器和一个量化器，所述2阶调制器由两个一阶积分器串联而成，所述一阶积分器采用2个共源共栅反相器来实现。5.根据权利要求4所述的用于心电信号检测芯片的模拟前端电路，其特征在于：所述量化器包括NMOS晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈铖颖，尹华一，黄新栋，易璐茗，魏聪，许新愉，张琳，
申请(专利权)人：厦门理工学院，
类型：新型
国别省市：福建,35