一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路制造技术

本发明专利技术涉及一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，包括：放大器100和逐次逼近模数转换器110，其中，放大器100用于将生理电势信号放大，逐次逼近模数转换器110用于将放大后的生理电势信号转换为数字码，输出给数字信号处理平台。本发明专利技术的技术方案，共模通路1001a产生输入共模电压Vcm，Vcm通过共模通路1001b对跨导放大器进行偏置，使跨导放大器的输入晶体管工作在亚阈值区；输入电容Cin1与反馈电容Cf的比值形成放大器的闭环增益；输入电容Cin2将输入共模结点与跨导放大器负向输入端隔离；反馈通路1004与跨导放大器构成闭环增益级结构；反馈通路具有高通特性，滤除了生理电势信号中的直流失调电压，实现了放大器的全集成。

Analog front end circuit for detecting physiological potential signal

The invention relates to a method for analog front-end circuit, physiological potential signal detection includes an amplifier 100 and successive approximation analog-to-digital converter 110, the amplifier 100 for potential physiological signal amplification, successive approximation analog-to-digital converter 110 converts the amplified signal into digital code physiological potential, output to the digital signal processing platform. The technical scheme of the invention, the common mode circuit 1001a input voltage Vcm, Vcm bias of the transconductance amplifier common mode through the 1001b pathway, the input transistor transconductance amplifier in the subthreshold region; and the ratio of input capacitance Cin1 Cf feedback capacitor to form a closed loop gain amplifier; input capacitance Cin2 common mode input node and negative transconductance amplifier isolation to the input end; a closed-loop gain stage structure feedback circuit 1004 and transconductance amplifier; feedback circuit with high DC potential physiological characteristics, filtering the signal in the offset voltage, to achieve a full integrated amplifier.

【技术实现步骤摘要】
一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路
本专利技术涉及涉及CMOS模拟集成电路设计领域，具体涉及一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路。
技术介绍
近年来，穿戴式医用设备随着微电子技术和生物监测技术的发展，逐渐进入到人们的日常生活中。作为穿戴式医用设备核心芯片中的首级电路和重要组成部分，模拟前端电路的功耗、信噪比等性能直接决定了系统的工作时长和检测精度。生理电势信号的频率通常低于500Hz，信号幅度仅有数百微伏。由于生理电势信号中都包含有几十毫伏到数百毫伏的直流失调电压。因此，为了滤除该直流失调电压，传统设计都需要在模拟前端的输入端串联一个隔直电容。但该电容值一般在10微法以上，面积极大，无法实现电容与芯片的单片集成。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，放大器和模数转换器必须进行低功耗设计，以满足长时间的待机需求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，以解决现有技术中：1)由于使用隔直流电容而无法实现电容与芯片的单片集成问题；2)放大器功耗高的问题；3)模数转换器采样精度和低功耗要求之间的矛盾。为实现以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，包括：放大器100和逐次逼近模数转换器110，其中，所述放大器100用于将生理电势信号放大，所述逐次逼近模数转换器110用于将放大后的生理电势信号转换为数字码，输出给一数字信号处理平台；其中，所述放大器100包括跨导放大器、输入电容Cin1、输入电容Cin2、共模通路1001a、共模通路1001b、输入通路1002、输出通路1003、反馈通路1004，其中，输入信号通过输入通路1002与输入电容Cin1的一个极板相连，输入电容Cin1的另一个极板与跨导放大器的正相输入端连接；共模通路1001a的一端外接电源，另一端通过输入电容Cin2与跨导放大器的反相输入端连接；共模通路1001b并联在输入电容Cin2的两端；输出通路1003连接在跨导放大器的输出端，反馈通路1004的一端与跨导放大器的正相输入端连接，另一端与输出通路1003连接。优选地，所述共模通路1001a包括：电阻R1、R2和R3，其中，电阻R1和R2串联在电源和地之间；电阻R3的一端连接在电阻R1和R2之间，另一端与输入电容Cin2连接。优选地，所述电阻R1、R2和R3的阻值相等。优选地，所述共模通路1001b包括：共模输入电容Cb、场效应管M1和M2，其中，场效应管M1和M2串联，串联后的电路与共模输入电容Cb并联。优选地，所述反馈通路1004包括：反馈电容Cf、场效应管M3和M4，其中，场效应管M3和M4串联，串联后的电路与反馈电容Cf并联。优选地，所述跨导放大器包括：NMOS晶体管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5，PMOS晶体管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5，其中，NMOS晶体管NM5的栅极和漏极相连后外接偏置电流Iin，源极接地；NMOS晶体管NM4的栅极与NMOS晶体管NM5的栅极相连，源极接地，漏极与PMOS晶体管PM3的漏极相连；PMOS晶体管PM3的栅极与漏极相连，形成二极管连接，源极接电源VDD；PMOS晶体管PM4的栅极与PM3栅级相连，输入偏置电压，源极接电源VDD，漏极连接到PMOS输入晶体管PM1和PM2的源极；PMOS晶体管PM1和PM2的栅极分别输入负向输入信号VIN和正向输入信号VIP，PMOS晶体管PM1的漏极连接到NMOS晶体管NM1的漏极，PMOS晶体管PM2的漏极连接到NMOS晶体管NM2的漏极；NM1的栅极和漏极相连，构成二极管连接，源极接地；NM2的栅极与NM1的栅极相连，源极接地；PMOS晶体管PM5的源极接电源VDD，栅极与PMOS晶体管PM4的栅极相连，漏极接NMOS晶体管NM3的漏极；NMOS晶体管NM3的漏极与PMOS晶体管PM5的漏极相连，栅极与NM2的漏极相连，源极接地；其中，PMOS晶体管PM5的漏极为所述跨导放大器的输出端Vo。优选地，所述跨导放大器还包括：补偿电容Cc和补偿电阻Rc，其中，补偿电容Cc和补偿电阻Rc串联，串联后的电路一端与NMOS晶体管NM2的漏极相连，另一端与NMOS晶体管NM3的漏极相连。优选地，所述跨导放大器还包括负载电容CL，负载电容CL的一个极板连接在所述跨导放大器的输出端Vo，另一个极板接地；所述负载电容CL用于调节所述跨导放大器的带宽。优选地，所述PMOS晶体管PM1和PM2工作在亚阈值区。优选地，所述NMOS晶体管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5的结构和型号相同，PMOS晶体管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5的结构和型号相同。本专利技术采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：可以理解的是，本专利技术提供的这种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，共模通路1001a产生输入共模电压Vcm，输入共模电压Vcm通过共模通路1001b对跨导放大器进行偏置，使得跨导放大器的输入晶体管工作在亚阈值区；输入电容Cin1与反馈电容Cf的比值形成放大器的闭环增益；输入电容Cin2将输入共模结点与跨导放大器负向输入端隔离；反馈通路1004与跨导放大器构成闭环增益级结构；反馈通路具有高通特性，滤除了生理电势信号中的直流失调电压，解决了芯片外串联隔直电容的问题，实现了放大器的全集成。另外，本专利技术提供的这种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，通过在跨导放大器中使用工作在亚阈值区的输入晶体管PM1和PM2，使得PM1、PM2具有很低的功耗，而其余晶体管又工作在饱和区，保证了电路的稳定性；通过在模拟前端中采用逐次逼近模数转换器，可以在极低的功耗下对生理电势信号直接进行量化、编码，输出至数字信号处理平台进行处理；实践证明，本专利技术提供的这种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，输出信号精度达到78dB以上，在实现电路极低功耗的同时获得了10bit以上的信噪比输出，具有精度高、可靠性强、功耗低等优点，适用于生理电势信号检测芯片的应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术一实施例提供的一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路的电路原理图；图2为本专利技术一实施例提供的跨导放大器的电路原理图；图3为本专利技术一实施例提供的用于生理电势信号检测的模拟前端电路在电源电压为1.8V，输入信号为频率为45Hz、幅度为600μV的正弦信号，时钟频率为1.25kHz时的输出信号频谱图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本专利技术所保护的范围。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。参见本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，包括：放大器100和逐次逼近模数转换器110，其中，所述放大器100用于将生理电势信号放大，所述逐次逼近模数转换器110用于将放大后的生理电势信号转换为数字码，输出给一数字信号处理平台；其中，所述放大器100包括跨导放大器、输入电容Cin1、输入电容Cin2、共模通路1001a、共模通路1001b、输通路1002、输出通路1003、反馈通路1004，其中，输入信号通过输入通路1002与输入电容Cin1的一个极板相连，输入电容Cin1的另一个极板与跨导放大器的正相输入端连接；共模通路1001a的一端外接电源，另一端通过输入电容Cin2与跨导放大器的反相输入端连接；共模通路1001b并联在输入电容Cin2的两端；输出通路1003连接在跨导放大器的输出端，反馈通路1004的一端与跨导放大器的正相输入端连接，另一端与输出通路1003连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，包括：放大器100和逐次逼近模数转换器110，其中，所述放大器100用于将生理电势信号放大，所述逐次逼近模数转换器110用于将放大后的生理电势信号转换为数字码，输出给一数字信号处理平台；其中，所述放大器100包括跨导放大器、输入电容Cin1、输入电容Cin2、共模通路1001a、共模通路1001b、输通路1002、输出通路1003、反馈通路1004，其中，输入信号通过输入通路1002与输入电容Cin1的一个极板相连，输入电容Cin1的另一个极板与跨导放大器的正相输入端连接；共模通路1001a的一端外接电源，另一端通过输入电容Cin2与跨导放大器的反相输入端连接；共模通路1001b并联在输入电容Cin2的两端；输出通路1003连接在跨导放大器的输出端，反馈通路1004的一端与跨导放大器的正相输入端连接，另一端与输出通路1003连接。2.根据权利要求1所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，所述共模通路1001a包括：电阻R1、R2和R3，其中，电阻R1和R2串联在电源和地之间；电阻R3的一端连接在电阻R1和R2之间，另一端与输入电容Cin2连接。3.根据权利要求2所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，所述电阻R1、R2和R3的阻值相等。4.根据权利要求1所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，所述共模通路1001b包括：共模输入电容Cb、场效应管M1和M2，其中，场效应管M1和M2串联，串联后的电路与共模输入电容Cb并联。5.根据权利要求1所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，所述反馈通路1004包括：反馈电容Cf、场效应管M3和M4，其中，场效应管M3和M4串联，串联后的电路与反馈电容Cf并联。6.根据权利要求1～5任一项所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，所述跨导放大器包括：NMOS晶体管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5，PMOS晶体管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈铖颖，陈纲，
申请(专利权)人：高科创芯北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11