一种高共模抑制比的低功耗生物信号仪表放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种高共模抑制比的低功耗生物信号仪表放大器，包括第一跨导放大器、第二跨导放大器、积分器、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻。采用一个跨导放大器作为输入级，采用电容分压网络和另一个跨导放大器作为反馈级来构成负反馈结构。在第一跨导放大器内部的共模反馈回路的作用下，第二跨导放大器以及分压电容不会受到输入共模干扰信号的影响，从而避免第二跨导放大器以及分压电容失配造成的共模抑制比降低。在第一跨导放大器自身的共模抑制比足够时，整个仪表放大器也具有很高的共模抑制比。第二跨导放大器的跨导值可设置为第一跨导放大器跨导值的N分之一，其中N大于1，以降低功耗和噪声。采用积分器和电阻来实现仪表放大器的高通特性，以减小低频干扰和直流失调的影响。

A high CMRR low power amplifier for biological signal instrument

【技术实现步骤摘要】
一种高共模抑制比的低功耗生物信号仪表放大器
此本专利技术属于模拟集成电路设计领域，具体涉及一种具有高共模抑制比的低功耗生物信号仪表放大器电路的设计。
技术介绍
随着微电子学，生物医学以及物联网的飞速发展，越来越多的可穿戴医疗设备出现在人们的生活中。它们极大地给人们带来了便利，降低人们看病的困难和费用，还有助于建立患者和医生之间的远程医疗关系，便于医生及时获取病人的身体状况。这些设备通常需要采集人体的一些生物信号，例如脑电图(Electroencephalography,EEG)、心电图(Electrocardiography,ECG)、肌电图(Electromyography,EMG)等，并将这些信号进行一定的处理后，再传送至上位机以便进行进一步处理和分析。生物信号通常具有低频率，低幅度的特点。例如，心电信号(ECG)的频率在0.5Hz-几百Hz，幅度为几十μV到几mV。而在采集过程中，设备还会受到各种外界信号的干扰，对微弱生物信号的采集带来困难。因此，生物信号采集系统通常需要一个专用的仪表放大器来对生物信号进行采集和放大，而它的性能对整体系统的性能起到决定作用。电路在实际的使用环境中会受到大量的共模信号的干扰，如50/60Hz的市电信号会耦合到人体和电路，可能产生数百毫伏的共模干扰信号，而由于电路本身可能存在系统性或随机性的失配，导致这样大的共模干扰会在电路的输出端产生差模的干扰信号，从而降低信号的质量。因此，为了保证生物信号能被有效地采集，通常需要仪表放大器满足高共模抑制比的特点。采集生物信号时，通常需要将电极接在人体上，再将电极连至采集系统的输入端。电极的阻抗大概为几kΩ到MΩ的级别，为了有效地检测生物信号，需要仪表放大器有较高的输入阻抗。同时，市电信号的共模干扰会由于电极阻抗的失配产生一个差模的干扰，如果放大器的输入阻抗过小，会导致整体共模抑制能力变差。此外，为了满足可穿戴医疗的应用，仪表放大器还应当具有低功耗，低噪声的特点。图1所示是一种传统的三运放仪表放大器结构，其通常由两级放大器组成。第一级需要两个高性能的运算放大器A1、A2以及反馈电阻R1、R21、R22构成，其中R21＝R22。当两个运算放大器匹配时，在这种反馈连接的作用下，第一级对共模信号的增益为1，差模增益为(R21+R1+R22)/R1。由于第一级对共模信号的增益为1，电阻R1、R21、R22上没有共模电流，因此即使R21和R22有失配，也几乎不会产生共模到差模的转变，所以第一级具有很高的共模抑制比。第二级由运算放大器A3以及反馈电阻R3、R4、R5、R6组成，其中R3＝R5，R4＝R6。第二级对共模信号的增益为0，差模增益为R4/R3。由于第一级对共模信号没有抑制作用，且第二级对共模信号的增益为0，电阻R3、R4、R5、R6上有共模电流，因此在R3、R4、R5、R6存在失配时，会有共模到差模的转变。结果是，这种仪表放大器的整体增益为[(R21+R1+R22)*R4]/(R1*R3),且当R3、R4、R5、R6存在失配时，仪表放大器的共模抑制比较低。这种结构的优点是具有很高的输入阻抗，缺点是功耗较高且共模抑制比不够好。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种生物信号仪表放大器，在降低功耗的同时，实现极高的共模抑制比，以克服传统结构中存在的缺陷。为实现以上目的，本专利技术的技术方案是：一种高共模抑制比的低功耗生物信号仪表放大器，包括第一跨导放大器Gm1、第二跨导放大器Gm2、积分器Int、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2。生物信号仪表放大器的正输入信号为Vinp，负输入信号为Vinn；正输出信号为Voutp，负输出信号为Voutn。其中生物信号仪表放大器的正输入信号Vinp与第一跨导放大器Gm1的正输入端相连，仪表放大器的负输入信号Vinn与第一跨导放大器Gm1的负输入端相连。仪表放大器的正输出信号Voutp与第一跨导放大器Gm1的正输出端相连，仪表放大器的负输出信号Voutn与第一跨导放大器Gm1的负输出端相连。积分器Int的正输入端与第一跨导放大器Gm1的负输出端相连，积分器Int的负输入端与第一跨导放大器Gm1的正输出端相连。第一电阻R1的一端与积分器Int的正输出端相连，第一电阻R1的另一端与第二跨导放大器Gm2的正输入端相连。第二电阻R2的一端与积分器Int的负输出端相连，第二电阻R2的另一端与第二跨导放大器Gm2的负输入端相连。其中，第一电阻R1与第二电阻R2的电阻值相同。]第一电容C1的一端与第一跨导放大器Gm1的负输出端相连，第一电容C1的另一端与第二跨导放大器Gm2的正输入端相连。第二电容C2的一端与第二跨导放大器Gm2的正输入端相连，第二电容C2的另一端与电路地相连。第三电容C3的一端与第一跨导放大器Gm1的正输出端相连，第三电容C3的另一端与第二跨导放大器Gm2的负输入端相连。第四电容C4的一端与第二跨导放大器Gm2的负输入端相连，第四电容C4的另一端与电路地相连。其中，第一电容C1与第三电容C3的电容值相同；第二电容C2与第四电容C4的电容值相同。第二跨导放大器Gm2的正输出端与第一跨导放大器Gm1的正输出端相连，第二跨导放大器Gm2的负输出端与第一跨导放大器Gm1的负输出端相连。本专利技术的优点及有益效果如下：采用一个跨导放大器作为输入级，采用电容分压网络和另一个跨导放大器作为反馈级来构成负反馈结构，其优点在于，在第一跨导放大器Gm1内部的共模反馈回路的作用下，仪表放大器输入端的共模干扰信号在第一跨导放大器Gm1的输出端已被消除，因此第二跨导放大器Gm2、电容分压网络上均不会因共模干扰信号而产生共模电流。因此，第二跨导放大器Gm2自身的失配，分压电容之间的失配均不会导致共模干扰信号转化为差模干扰信号。因此，仪表放大器的共模抑制比由第一跨导放大器Gm1决定，而跨导放大器自身可具有极高的共模抑制比，因此仪表放大器也具有极高的共模抑制比。同时，采用跨导放大器的栅极输入端来做仪表放大器的输入端，可使仪表放大器具有极高的输入阻抗，以避免电极阻抗和电极失配的影响。本专利技术中，第二跨导放大器Gm2的跨导值可设置为第一跨导放大器Gm1跨导值的N分之一，其中N大于或等于1。当第二跨导放大器Gm2的跨导值小于第一跨导放大器Gm1跨导值时，可以节省仪表放大器整体的功耗，并减小第二跨导放大器Gm2贡献的噪声，以实现低功耗和低噪声的特点。采用积分器Int和电阻R1、R2来实现仪表放大器的高通特性，以减小低频干扰和直流失调的影响。附图说明图1是传统的三运放仪表放大器电路图。图2是本专利技术实施例提供的一种高共模抑制比的低功耗生物信号仪表放大器电路图。图3是本专利技术实施例提供的一种高共模抑制比的低功耗生物信号仪表放大器中使用的积分器电路图。具体实施方式下面结合实施例及其附图，对本专利技术进行进一步详细说明。一种高共模抑制比的低功耗生物信号仪表放大器，如图2所示，包括第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高共模抑制比的低功耗生物信号仪表放大器，其特征在于，包括：第一跨导放大器G

【技术特征摘要】
1.一种高共模抑制比的低功耗生物信号仪表放大器，其特征在于，包括：第一跨导放大器Gm1、第二跨导放大器Gm2、积分器Int、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2。


2.根据权利要求1所述的高共模抑制比的低功耗生物信号仪表放大器，其特征在于，生物信号仪表放大器的正输入信号为Vinp、负输入信号为Vinn、正输出信号为Voutp、负输出信号为Voutn；其中生物信号仪表放大器的正输入信号Vinp与第一跨导放大器Gm1的正输入端相连，仪表放大器的负输入信号Vinn与第一跨导放大器Gm1的负输入端相连；仪表放大器的正输出信号Voutp与第一跨导放大器Gm1的正输出端相连，仪表放大器的负输出信号Voutn与第一跨导放大器Gm1的负输出端相连。


3.根据权利要求1所述的高共模抑制比的低功耗生物信号仪表放大器，其特征在于，积分器Int的正输入端与第一跨导放大器Gm1的负输出端相连，积分器Int的负输入端与第一跨导放大器Gm1的正输出端相连；第一电阻R1的一端与积分器Int的正输出端相连，第一电阻R1的另一端与第二跨导放...

【专利技术属性】
技术研发人员：高晨，周雄，李强，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51