可调带内噪声消除环路电路制造技术

本公开提供了一种可调带内噪声消除环路电路，用于直流耦合型神经记录斩波放大器，包括：高通跨导单元，其正、负输入端分别与积分器的正、负输出端相连，所述高通跨导单元的正、负输出端分别与第二级的跨导放大器Gm2的负、正输入端相连；其中，所述高通跨导单元的正、负输入端还分别连接斩波开关，并通过电容Chp分别与第一级跨导放大器Gm1的负、正输入端相连；所述高通跨导单元的正、负输出端还分别通过斩波开关，与第一级跨导放大器的正、负输出端相连，形成噪声消除环路，能抑制更大电极直流失调电压，同时其带内等效输入噪声更小。

【技术实现步骤摘要】
可调带内噪声消除环路电路
本公开涉及生物医疗电子领域，如心电监测、脑电监测等信号采集电路，尤其涉及一种应用于直流耦合型神经记录斩波放大器的低功耗可调带内噪声消除环路。
技术介绍
在心电、脑电等电生理信号监测电路中，电生理信号幅度在几十微伏到几毫伏之间，因此前端放大器要求的带内等效输入噪声要求在几微伏量级，从而保证信号不被噪声淹没。前端放大器放大倍数通常为100倍左右，以降低后续电路的等效输入噪声，其分为交流耦合型和直流耦合型。为了避免几十到几百毫伏的电极直流失调使得前端放大器饱和，并且保证能采集到0.1Hz到0.5Hz以上的信号，交流耦合型采用大电容隔直，直流耦合型在反馈环路中加入大时间常数积分器，从而抑制直流失调，并且保证前端放大器的高通截止频率在0.1Hz到0.5Hz之间。近十年，直流耦合型引入了斩波结构，相对交流耦合型，面积更小，功耗更小，带内噪声更小，CMRR更高，但是其反馈环路的积分器却增大了前端放大器的带内等效输入噪声。2007年，TimD等人使用常规的开关电容积分器，积分电容为100pF或800pF，大电容降低了开关电容的KT/C采样混叠噪声，并且最后得到在0.05Hz～100Hz之间等效输入噪声为0.95μV，功耗为2μW，但是该方案积分器占用面积大，并且前端放大器的放大倍数降低到20倍，需要输出缓冲放大器提供额外5倍增益。为了降低积分器的面积，QinwenFan等人在2011年使用了全差分Nagaraj开关电容积分器，使得积分电容降为15pF。该积分器中放大器的输入端和输出端加入了斩波开关结构，以降低输入管1/f噪声的影响，但是却引入了斩波开关的噪声电流直接输入到输入管的高阻栅极。同时电容的减小也增大了开关电容结构的KT/C采样混叠噪声。该前端放大器在反馈环路加入积分器后，在的情况下，其0.5Hz～100Hz之间的等效输入噪声从0.7μV增大到6.7μV，功耗为2.1μW。由于在RC积分器中不存在开关电容的采样混叠噪声，有研究提出了MOS伪电阻结构和占空比电阻结构，从而在集成电路中实现GΩ以上的阻值。JeraldY等人在2013年使用了关态的PMOS串联来实现积分电阻，阻值大于10TΩ。结合10pF的积分电容，该积分器的单位增益频率很低，增大Chp，时，前端放大器能抑制300mV的电极直流失调，高通截止频率小于0.5Hz。该积分器的输出接了500pF的MOS电容，以降低积分器中放大器引入的带内噪声，其0.5Hz～100Hz之间的等效输入噪声为0.91μV，功耗为2.5μW。然而伪电阻阻值受输出幅度、工艺和温度的影响很大，不能保证高通截止频率的精度。HariprasadC等人使用了占空比电阻，通过调整积分电阻导通时间和时钟周期比值实现大电阻，实现了10GΩ以上的等效电阻，具有很好的线性度和精度，当时，其高通截止频率小于0.5Hz，1Hz～200Hz之间的等效输入噪声为2μV，功耗为2μW。对于具有ADC的整个前端结构，可以结合数字低通滤波器和DAC来实现电极的直流失调消除。RikkyMuller等人将ADC的输出通过数字低通滤波器，先用一个DAC对电极直流消除进行粗调，再将余量通过另一个DAC细调，其300Hz内的等效输入噪声为4.3μV，功耗为5.04μW。ArezuBagheri等人通过一个电流型DAC和斩波开关连接到第一级跨导输出进行电流型反馈，该方法受到输入管尾电流决定的最大输入差分电压的限制，其1Hz～1KHz之间的等效输入噪声为4.2μV，单通道功耗为19.1μW。综上所述，在生理电信号检测领域中，目前大多数直流耦合型斩波放大器的带内等效输入噪声在2μV以上，且都是对直流失调消除环路中的积分器本身进行改进，方法受到限制。减小前端放大器的等效输入噪声有多种途径。可以增加功耗减小积分器或DAC的电压输出噪声；可以减小Chp削弱积分器输出耦合到输入极的噪声，或者减小电流型DAC的参考电流削弱输出电流噪声，但却减小了前端放大器能消除的最大电极直流失调电压；可以通过增大电容减小KT/C采样混叠噪声和积分器中放大器的噪声，但却需要增大功耗保证带宽。可见，噪声、功耗、最大消除的电极直流失调电压相互折衷，限制了前端放大器在低噪声低功耗下抑制电极直流失调电压的能力。鉴于以上背景，需要引入一种新结构，在不影响前端放大器其他性能的情况下，解决其加入直流失调消除环路后带内等效输入噪声增大的现象。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种可调带内噪声消除环路电路，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种可调带内噪声消除环路电路，用于直流耦合型神经记录斩波放大器，包括：高通跨导单元，其正、负输入端分别与积分器的正、负输出端相连，所述高通跨导单元的正、负输出端分别与第二级的跨导放大器Gm2的负、正输入端相连；其中，所述高通跨导单元的正、负输入端还分别连接斩波开关，并通过电容Chp分别与第一级跨导放大器Gm1的负、正输入端相连；所述高通跨导单元的正、负输出端还分别通过斩波开关，与第一级跨导放大器的正、负输出端相连，形成噪声消除环路。在本公开一些实施例中，所述高通跨导单元包括：PMOS共源共栅跨导单元，所述PMOS共源共栅跨导单元将输入交流电压转换成电流反馈到放大器；可调电流源单元，通过开关控制电流源大小改变跨导单元的跨导，调整噪声的消除幅度；可调亚阈值偏置电阻单元，通过开关控制电流镜偏压改变偏置阻值，调整噪声的消除带宽。在本公开一些实施例中，所述PMOS共源共栅跨导单元连接到输入端，包括两对PMOS管，其中PM1和PM2管源极相连构成共源管；PM3和PM4的源极分别连接到所述共源管的漏极构成共栅管。在本公开一些实施例中，PM1和PM2的栅极通过电容C1与输入相连。在本公开一些实施例中，PM1和PM2增大尺寸降低引入的1/f噪声，PM3和PM4用于提高跨导单元的输出阻抗，其栅极连接到偏置电压Vb1。在本公开一些实施例中，可调电流源单元连接到PM1和PM2的源极，包括PMOS阵列和开关阵列，作为跨导单元的可调尾电流源。在本公开一些实施例中，PMOS阵列包括并联的PMOS管MS1～MSn，其漏极连接到PM1和PM2的源极，源极连接到电源VDD，栅极连接两路开关，一路开关连接到电源VDD，另一路连接到偏置电压VB。在本公开一些实施例中，可调亚阈值偏置电阻单元连接到PM1和PM2的栅极，包括电流镜和开关NMOS阵列。在本公开一些实施例中，可调亚阈值偏置电阻单元中包括电流镜Mr1、Mr2及Mr3，所述电流镜Mr1、Mr2及Mr3的栅极相连，Mr1的栅极与漏极相连，电流源使得Mr1、Mr2及Mr3偏置在亚阈值区，Mr2和Mr3的漏极分别连接到PM1和PM2的栅极；开关NMOS阵列由NMOS管M1～Mn和开关构成，M1～Mn各自的栅极和漏极相连，分别通过开关并联到Mr1的栅极；电流镜Mr1、Mr2及Mr3、开关NMOS阵列M1～Mn的源极与参考源Vref相连。在本公开一些实施例中，所述电源VDD为芯片电源电压，PMOS管MS1～MSn连接的偏置电压VB、开关NMOS阵列M1～Mn连接的参考源Vref及共栅管连接的偏置电压Vb1由偏置电路提供，保证尾电流源管、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可调带内噪声消除环路电路，用于直流耦合型神经记录斩波放大器，包括：高通跨导单元，其正、负输入端分别与积分器的正、负输出端相连，所述高通跨导单元的正、负输出端分别与第二级的跨导放大器Gm2的负、正输入端相连；其中，所述高通跨导单元的正、负输入端还分别连接斩波开关，并通过电容Chp分别与第一级跨导放大器Gm1的负、正输入端相连；所述高通跨导单元的正、负输出端还分别通过斩波开关，与第一级跨导放大器的正、负输出端相连，形成噪声消除环路。

【技术特征摘要】
1.一种可调带内噪声消除环路电路，用于直流耦合型神经记录斩波放大器，包括：高通跨导单元，其正、负输入端分别与积分器的正、负输出端相连，所述高通跨导单元的正、负输出端分别与第二级的跨导放大器Gm2的负、正输入端相连；其中，所述高通跨导单元的正、负输入端还分别连接斩波开关，并通过电容Chp分别与第一级跨导放大器Gm1的负、正输入端相连；所述高通跨导单元的正、负输出端还分别通过斩波开关，与第一级跨导放大器的正、负输出端相连，形成噪声消除环路。2.根据权利要求1所述的可调带内噪声消除环路电路，其中，所述高通跨导单元包括：PMOS共源共栅跨导单元，所述PMOS共源共栅跨导单元将输入交流电压转换成电流反馈到放大器；可调电流源单元，通过开关控制电流源大小改变跨导单元的跨导，调整噪声的消除幅度；可调亚阈值偏置电阻单元，通过开关控制电流镜偏压改变偏置阻值，调整噪声的消除带宽。3.根据权利要求2所述的可调带内噪声消除环路电路，其中，所述PMOS共源共栅跨导单元连接到输入端，包括两对PMOS管，其中PM1和PM2管源极相连构成共源管；PM3和PM4的源极分别连接到所述共源管的漏极构成共栅管。4.根据权利要求3所述的可调带内噪声消除环路电路，其中，PM1和PM2的栅极通过电容C1与输入相连。5.根据权利要求3所述的可调带内噪声消除环路电路，其中，PM1和PM2增大尺寸以降低引入的1/f噪声，PM3和PM4提高跨导单元的输出阻抗，其栅极连接到偏置电压Vb1。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泉，王小松，刘昱，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11