一种无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器及其实现方法技术

本发明专利技术涉及一种无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器及其实现方法，包括第一跨导电路Gm1、第二跨导电路Gm2、跨阻放大器、电荷泵电路、反馈电阻网络以及失调抑制反馈电路。本发明专利技术能够用于便携式设备上的心电检测系统，有效的解决了失调电压干扰发生输出饱和以及满摆幅输入输出的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及心率监护前端领域，特别是一种无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器及其实现方法。
技术介绍
随着便携式设备和运动器械对于心率检测的需求越来越高，这类设备要求心电监测芯片功耗低，外接器件尽可能少，这种需求使得用于心电信号检测的仪表放大器成为工业界研究的热点。仪表放大器一般功能是放大微弱信号，抑制叠加在信号上的大失调电压，心电信号可看做是较弱近直流电压上叠加有较强直流电压的信号，因此用于检测心电信号的仪表放大器共模抑制比要求非常高，同时因为心电信号会带有极化电压和低频漂移，仪表放大器输出端容易出现饱和，所以必须对仪表放大器进行失调电压的抑制同时还可以防止仪表放大器输出饱和，而且用在便携式设备中，因此功耗要求小，外接元件要求少，同时由于心电信号频率较低，属于近直流信号，基于这几点原因无法使用耦合电容隔断直流电压，这就对应用在心电监测的仪表放大器的设计提出了新的要求。所以一种无耦合电容具有直流抑制功能的仪表放大器的设计成为心电监测前端芯片的关键。目前国际上心电监测前端芯片系统设计主要可分为传统三运放结构，即通过两个缓冲器作为差分输入端后接一个差分放大器抵消共模电压(参考：SpinelliE.M，“AC-CoupledFront-EndforBiopotentialMeasurement”，IEEETrans.BiomedicalEngineering，SC-36(11),Vol.50Τpp.391-395,March2003)和动态失调消除技术，即用仪表放大器中插入动态失调消除电路将失调电压消除(参考：J.F.Witte,“Acurrent-feedbackinstrumentationamplifierwith5Voffsetforbidirectionalhighsidecurrent-sensing”，IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.43,no.12,pp.2769–2775,Dec.2008.)，以上仪表放大器芯片在各类电子产品的信号检测中获得广泛的应用。但传统三运放的缺点在于输入共模范围小，无法包含电压轨，其次输出容易饱和，特别在需要低功耗的情况下。在仪表放大器中插入动态失调消除电路优点在于可以将失调电压抑制，共模抑制比可以达到非常高。但电路结构复杂，功耗较大，而且会引入斩波信号的干扰。传统的三运放结构在输入共模电压较大会造成输出偏移过大以至芯片输出饱和。而心电信号输入情况下对于输入共模电压范围的要求非常高。所以这给心电检测芯片的设计提出了挑战。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器及其实现方法，能够用于便携式设备上的心电检测系统，有效的解决了失调电压干扰发生输出饱和以及满摆幅输入输出的问题。本专利技术采用以下方案实现：一种无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器，包括第一跨导电路Gm1、第二跨导电路Gm2、跨阻放大器、电荷泵电路、反馈电阻网络以及失调抑制反馈电路；所述第一跨导电路Gm1与所述第二跨导电路Gm2的输出相连并连接至所述跨阻放大器的输入端，作为所述仪表放大器的主放大器；所述第二跨导电路Gm2的第一输入端与所述失调抑制反馈电路的输出端相连，用以提供直流失调电压；所述失调抑制反馈电路的输入端连接至所述仪表放大器的输出端，用以反馈输出信号；所述第二跨导电路Gm2的第二输入端经电阻分压器连接至所述仪表放大器的输出端，用以设置所述仪表放大器的总增益；所述第一跨导电路Gm1与所述第二跨导电路Gm2的电源电压输入端连接至所述电荷泵电路，用以提升仪表放大器的输入共模范围；所述第一跨导电路Gm1的两个输入端作为所述仪表放大器的输入端；所述跨阻放大器的输出端作为所述仪表放大器的输出端。进一步地，所述失调抑制反馈电路为由运放A、电阻R、电容C组成的反相积分器。进一步地，所述第一跨导电路Gm1与所述第二跨导电路Gm2为相同结构，均为由PMOS和电阻等效成带有源衰减电阻的共源放大器。进一步地，所述跨阻放大器包括输出级级联的电流求和电路与classAB。本专利技术还提供了一种基于上文所述的无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器的实现方法，具体为：所述第一跨导电路Gm1将差分输入信号Vin1、Vin2转换成与差分输入信号成比例的小信号电流；所述第二跨导电路Gm2的两个输入端分别同失调抑制反馈电路的输出以及反馈电阻网络相连接用于监控信号失调电压；将跨阻放大器的输入端分别同第一跨导电路Gm1、第二跨导电路Gm2的输出相连接，作为输出级为后级提供经过处理的信号电压；将失调抑制反馈电路的输入与跨阻放大器的输出连接，用于将任何近直流信号反馈给第二跨导电路Gm2，从而消除失调电压，滤除基线漂移，防止放大器输出饱和；将电荷泵电路的输出与第一跨导电路Gm1、第二跨导电路Gm2的电源电压相连接，用于提升第一跨导电路Gm1、第二跨导电路Gm2的输入共模范围，从而满足电路满摆幅输入的需求；将反馈电阻网络的一端与跨阻放大器的输出连接，用以监控跨阻放大器的输出电压，将这个电压进行分压后送入第二跨导电路Gm2转换成电流，抵消输入信号的失调电压。进一步地，所述失调抑制反馈电路的滤波器截止频率为：其中，A6为反馈电阻网络的电阻比例值，R、C分别为失调抑制反馈电路上连接的电阻值和电容值。进一步地，所述第一跨导电路Gm1与所述第二跨导电路Gm2为相同结构，均为由PMOS和电阻等效成带有源衰减电阻的共源放大器；其中所述第一跨导电路Gm1的跨导值采用下式计算：其中，R为第一跨导电路Gm1中的电阻值。与现有技术相比，本专利技术有以下有益效果：本专利技术可以用于便携式设备上的心电检测系统，其能保持于低功耗环境中，输出电压信号噪声小高增益的基础上，利用失调抑制反馈电路，电荷泵和classAB输出电路，有效的解决了失调电压干扰发生输出饱和和满摆幅输入输出的问题。附图说明图1为本专利技术实施例的无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器电路示意图。图2为本专利技术实施例的无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器电路的失调抑制反馈电路。图3为本专利技术实施例的无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器电路的跨导电路。图4为本专利技术实施例的无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器电路的跨阻放大器。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。本实施例提供了一种无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器，包括第一跨导电路Gm1、第二跨导电路Gm2、跨阻放大器、电荷泵电路、反馈电阻网络以及失调抑制反馈电路；所述第一跨导电路Gm1与所述第二跨导电路Gm2的输出相连并连接至所述跨阻放大器的输入端，作为所述仪表放大器的主放大器；所述第二跨导电路Gm2的第一输入端与所述失调抑制反馈电路的输出端相连，用以提供直流失调电压；所述失调抑制反馈电路的输入端连接至所述仪表放大器的输出端，用以反馈输出信号；所述第二跨导电路Gm2的第二输入端经电阻分压器连接至所述仪表放大器的输出端，用以设置所述仪表放大器的总增益；所述第一跨导电路Gm1与所述第二跨导电路Gm2的电源电压输入端连接至所述电荷泵电路，用以提升仪表放大器的输入共模范围；所述第一跨导电路Gm1的两个输入端作为所述仪表放大器的输入端；所述跨阻放大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器，其特征在于：包括第一跨导电路Gm1、第二跨导电路Gm2、跨阻放大器、电荷泵电路、反馈电阻网络以及失调抑制反馈电路；所述第一跨导电路Gm1与所述第二跨导电路Gm2的输出相连并连接至所述跨阻放大器的输入端，作为所述仪表放大器的主放大器；所述第二跨导电路Gm2的第一输入端与所述失调抑制反馈电路的输出端相连，用以提供直流失调电压；所述失调抑制反馈电路的输入端连接至所述仪表放大器的输出端，用以反馈输出信号；所述第二跨导电路Gm2的第二输入端经电阻分压器连接至所述仪表放大器的输出端，用以设置所述仪表放大器的总增益；所述第一跨导电路Gm1与所述第二跨导电路Gm2的电源电压输入端连接至所述电荷泵电路，用以提升仪表放大器的输入共模范围；所述第一跨导电路Gm1的两个输入端作为所述仪表放大器的输入端；所述跨阻放大器的输出端作为所述仪表放大器的输出端。

【技术特征摘要】
1.一种无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器，其特征在于：包括第一跨导电路Gm1、第二跨导电路Gm2、跨阻放大器、电荷泵电路、反馈电阻网络以及失调抑制反馈电路；所述第一跨导电路Gm1与所述第二跨导电路Gm2的输出相连并连接至所述跨阻放大器的输入端，作为所述仪表放大器的主放大器；所述第二跨导电路Gm2的第一输入端与所述失调抑制反馈电路的输出端相连，用以提供直流失调电压；所述失调抑制反馈电路的输入端连接至所述仪表放大器的输出端，用以反馈输出信号；所述第二跨导电路Gm2的第二输入端经电阻分压器连接至所述仪表放大器的输出端，用以设置所述仪表放大器的总增益；所述第一跨导电路Gm1与所述第二跨导电路Gm2的电源电压输入端连接至所述电荷泵电路，用以提升仪表放大器的输入共模范围；所述第一跨导电路Gm1的两个输入端作为所述仪表放大器的输入端；所述跨阻放大器的输出端作为所述仪表放大器的输出端。2.根据权利要求1所述的一种无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器，其特征在于：所述失调抑制反馈电路为由运放A、电阻R、电容C组成的反相积分器。3.根据权利要求1所述的一种无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器，其特征在于：所述第一跨导电路Gm1与所述第二跨导电路Gm2为相同结构，均为由PMOS和电阻等效成带有源衰减电阻的共源放大器。4.根据权利要求1所述的一种无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大器，其特征在于：所述跨阻放大器包括输出级级联的电流求和电路与classAB。5.一种基于权利要求1所述的无耦合电容具有直流失调抑制功能的仪表放大...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄继伟，李凡阳，寇涛，杨园格，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35