应用二阶自适应偏置Gm-C低通滤波器的多生物信号采集前端制造技术

本发明专利技术涉及一种应用二阶自适应偏置Gm

【技术实现步骤摘要】
应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端


[0001]本专利技术属于微电子
领域，具体涉及一种应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端。

技术介绍

[0002]随着集成电路、生物科学、信号处理等领域的不断壮大及发展，便携式可穿戴式或植入式生物信号采集设备逐渐渗透到社会生活的方方面面。生物信号获取前端作为采集设备核心的单元，极大程度决定了生物信号的采集准确性。但因为生物信号幅度小和频率低，同时便携式生物信号采集设备需要持续且稳定工作，因此生物前段需要具有低噪声、低功耗的特性。
[0003]现有的生物前端往往使用RC滤波器或开关电容滤波器，然而RC滤波器需要使用大电容和大电阻，还需要使用单独的时钟控制，在相同的RC时间常数下对于降低功耗和噪声性能并不具备优越性。使用Gm
‑
C滤波器(转导电容滤波器)则能够避免大电容和大电阻的使用，同时不需要使用单独的时钟控制，在相同的RC时间常数下实现低功耗与低噪声性能。然而Gm
‑
C滤波器的截止频率正比于Gm/C，其后级的可编程增益放大器通过改变输入电容来进行增益切换，其输入电容则直连在低通滤波器的输出级，在改变输入电容的同时会影响Gm
‑
C滤波器的电容，造成前级低通滤波器的低通截止频率发生较大的偏移，从而在采集不同生物信号时产生信号损失以及噪声性能的下降等问题。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0005]本专利技术提供了一种应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端，包括：依次连接的仪表放大器输入斩波开关、仪表放大器、仪表放大器输出斩波开关、二阶自适应偏置低通滤波器和可编程增益放大器；
[0006]所述仪表放大器输入斩波开关的输入端连接差分输入端；所述可编程增益放大器的输出端连接差分输出端；
[0007]生物信号由所述差分输入端输入至所述输入斩波开关，所述输入斩波开关用于分离生物信号中的噪声和失调的频谱；
[0008]分离噪声和失调频谱后的生物信号由所述仪表放大器进行第一次放大，得到一次放大信号；一次放大信号由所述仪表放大器输出斩波开关进行斩波调制，以分离一次放大信号中的噪声和失调的频谱；
[0009]所述二阶自适应偏置低通滤波器用于滤除被分离出的噪声和失调的频谱，还用于滤除斩波调制中产生的高频毛刺，并将过滤信号输送至所述可编程增益放大器；
[0010]所述可编程增益放大器用于对所述过滤信号进行二次放大，并根据所述过滤信号
的幅度的大小调节放大增益。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0012]本专利技术提供了一种应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端，使用Gm
‑
C低通滤波器，通过控制其开关频率实现大的时间常数，避免了大电容的使用；低通滤波器采用电流分裂技术和源极负反馈电阻极大地减小了跨导，避免了大电阻的使用；同时不需要单独的时钟控制，在相同的RC时间常数下可以实现更低的功耗和噪声性能。
[0013]本专利技术使用可编程增益放大器，通过改变其输入电容进行增益切换，理论上会造成低通滤波器的低通截止频率偏移，而通过二阶自适应低通滤波器根据可编程增益放大器的输入电容的变化自动调节跨导值，弥补了低通滤波器的低通截止频率偏移，从而实现了低通滤波器中低通截止频率点的稳定。
[0014]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
[0015]图1是本专利技术实施例提供的一种应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端的电路原理图；
[0016]图2是本专利技术实施例中的斩波开关的电路原理图及时序信号图；
[0017]图3是本专利技术实施例中的跨导放大器的电路原理图；
[0018]图4是本专利技术实施例中的二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的电路原理图；
[0019]图5是本专利技术实施例中的逻辑控制模块的电路原理图；
[0020]图6是本专利技术实施例中的偏置电压控制模块的电路原理图；
[0021]图7是本专利技术实施例中的二阶Gm
‑
C低通滤波器的电路原理图；
[0022]图8是本专利技术实施例中的Gm跨导单元的电路原理图；
[0023]图9是本专利技术实例提供的二阶自适应偏置低通滤波器的幅频特性仿真图；
[0024]图10为本专利技术实例提供的应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端的频率特性曲线。
具体实施方式
[0025]为了进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本专利技术提出的一种应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端进行详细说明。
[0026]有关本专利技术的前述及其他
技术实现思路
、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本专利技术为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本专利技术的技术方案加以限制。
[0027]实施例一
[0028]请参见图1，图1是本专利技术实施例提供的一种应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端的电路原理图。
[0029]如图所示，本实施例的应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端，包括：依次连接的仪表放大器输入斩波开关11、仪表放大器、仪表放大器输出斩波开关14、二阶自适应偏置低通滤波器15和可编程增益放大器。
[0030]在本实施例中，仪表放大器输入斩波开关11的输入端连接差分输入端10；可编程增益放大器的输出端连接差分输出端20；生物信号由差分输入端10输入至输入斩波开关11，输入斩波开关11用于分离生物信号中的噪声和失调的频谱；分离噪声和失调频谱后的生物信号由仪表放大器进行第一次放大，得到一次放大信号；一次放大信号由仪表放大器输出斩波开关14进行斩波调制，以分离一次放大信号中的噪声和失调的频谱；二阶自适应偏置低通滤波器15用于滤除被分离出的噪声和失调的频谱，还用于滤除斩波调制中产生的高频毛刺，并将过滤信号输送至可编程增益放大器；可编程增益放大器用于对过滤信号进行二次放大，并根据过滤信号的幅度的大小调节放大增益。
[0031]在一个可选的实施方式中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端，其特征在于，包括：依次连接的仪表放大器输入斩波开关(11)、仪表放大器、仪表放大器输出斩波开关(14)、二阶自适应偏置低通滤波器(15)和可编程增益放大器；所述仪表放大器输入斩波开关(11)的输入端连接差分输入端(10)；所述可编程增益放大器的输出端连接差分输出端(20)；生物信号由所述差分输入端(10)输入至所述输入斩波开关(11)，所述输入斩波开关(11)用于分离生物信号中的噪声和失调的频谱；分离噪声和失调频谱后的生物信号由所述仪表放大器进行第一次放大，得到一次放大信号；一次放大信号由所述仪表放大器输出斩波开关(14)进行斩波调制，以分离一次放大信号中的噪声和失调的频谱；所述二阶自适应偏置低通滤波器(15)用于滤除被分离出的噪声和失调的频谱，还用于滤除斩波调制中产生的高频毛刺，并将过滤信号输送至所述可编程增益放大器；所述可编程增益放大器用于对所述过滤信号进行二次放大，并根据所述过滤信号的幅度的大小调节放大增益。2.根据权利要求1所述的应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端，其特征在于，所述仪表放大器输入斩波开关(11)和所述仪表放大器输出斩波开关(14)的实现方式相同，均包括：第一开关管(S10)、第二开关管(S20)、第三开关管(S30)和第四开关管(S40)；其中，所述第一开关管(S10)的输入端连接所述第二开关管(S20)的输入端，所述第三开关管(S30)的输入端连接所述第四开关管(S40)的输入端；所述第一开关管(S1)的输出端连接所述第四开关管(S4)的输出端，所述第二开关管(S2)的输出端连接所述第三开关管(S3)的输出端；所述第一开关管(S1)的高电平有效端连接第一斩波时钟(CLK)，所述第一开关管(S1)的低电平有效端连接第二斩波时钟(CLKB)；所述第二开关管(S2)的高电平有效端连接所述第二斩波时钟(CLKB)，所述第二开关管(S2)的低电平有效端连接所述第一斩波时钟(CLK)；所述第三开关管(S3)的高电平有效端连接所述第一斩波时钟(CLK)，所述第三开关管(S3)的低电平有效端连接所述第二斩波时钟(CLKB)；所述第四开关管(S4)的高电平有效端连接所述第二斩波时钟(CLKB)、所述第四开关管(S4)的低电平有效端连接所述第一斩波时钟(CLK)。3.根据权利要求1所述的应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端，其特征在于，所述仪表放大器包括：仪表放大器输入电容(12)、第一跨导放大器(13)和仪表放大器反馈电容(18)；所述仪表放大器输入电容(12)包括第电容C11和电容C12，所述电容C11连接在所述仪表放大器输入斩波开关(11)的第一输出端与所述第一跨导放大器(13)的同相输入端，所述电容C12连接在所述仪表放大器输入斩波开关(11)的第二输出端与所述第一跨导放大器(13)的反相输入端；所述仪表放大器反馈电容(18)包括电容C13和电容C14，所述电容C13跨接在所述第一跨导放大器(13)的同相输入端与输出端之间，所述电容C14跨接在所述第一跨导放大器
(13)的反相输入端与输出端之间。4.根据权利要求3所述的应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端，其特征在于，所述第一跨导放大器(13)包括：两级放大器(131)和共模反馈电路(132)；其中，所述两级放大器(131)包括：第三十一NMOS管(M
N31
)、第三十二NMOS管(M
N32
)、第三十三NMOS管(M
N33
)、第三十四NMOS管(M
N34
)、第三十五NMOS管(M
N35
)、第三十六NMOS管(M
N36
)；第四十一PMOS管(M
P41
)、第四十二PMOS管(M
P42
)、第四十三PMOS管(M
P43
)、第四十四PMOS管(M
P44
)、第四十五PMOS管(M
P45
)、第四十六PMOS管(M
P46
)、第四十七PMOS管(M
P47
)、第四十八PMOS管(M
P48
)、第四十九PMOS管(M
P49
)、第二十一电阻(R
21
)、第二十二电阻(R
22
)、第二十一电容(C
21
)和第二十二电容(C
22
)；所述第三十一NMOS管(M
N31
)的源极、所述第三十二NMOS管(M
N32
)的源极、所述第三十三NMOS管(M
N33
)的源极和所述第三十四NMOS管(M
N34
)的源极均连接接地端(GND)；所述第三十一NMOS管(M
N31
)的栅极、所述第三十二NMOS管(M
N32
)的栅极、所述第三十三NMOS管(M
N33
)的栅极和所述第三十四NMOS管(M
N34
)的栅极连接，并连接共模电平(V
CMFB
)；所述第三十一NMOS管(M
N31
)的漏极分别连接所述第四十四PMOS管(M
P44
)的漏极和所述第二十一电阻(R
21
)的第一端，所述第三十一NMOS管(M
N31
)的漏极作为所述跨导放大器第二输出端(V
ON
)并连接所述共模反馈电路(132)的第二输入端；所述第三十二NMOS管(M
N32
)漏极分别连接所述第三十五NMOS管(M
N35
)的源极和所述第四十二PMOS管(M
P42
)的漏极；所述第三十三NMOS管(M
N33
)的漏极分别连接所述第三十六NMOS管(M
N36
)的源极和所述第四十三PMOS管(M
P43
)的漏极；所述第三十四NMOS管(M
N34
)的漏极分别连接所述第四十五PMOS管(M
P45
)的漏极和所述第二十二电阻(R
22
)的第二端，所述第三十四NMOS管(M
N34
)的漏极作为跨导放大器第一输出端(VOP)并连接所述共模反馈电路(132)的第一输入端；所述第三十五NMOS管(M
N35
)的栅极连接所述第三十六NMOS管(M
N36
)的栅极，并连接第五偏置电压(V
B5
)；所述第三十五NMOS管(M
N35
)的漏极分别连接所述第四十四PMOS管(M
P44
)的栅极、所述第四十六PMOS管(M
P46
)的漏极和所述第二十一电容(C
21
)的第二极板；所述第二十一电阻(R
21
)的第二端连接所述第二十一电容(C
21
)的第一极板；所述第三十六NMOS管(M
N36
)的漏极分别连接所述第四十五PMOS管(M
P45
)的栅极、所述第四十七PMOS管(M
P47
)的漏极和所述第二十二电容(C
22
)的第一极板；所述第二十二电容(C
22
)的第二极板连接所述第二十二电阻(R
22
)的第一端；所述第四十一PMOS管(M
P41
)的源极连接电源电压端(VDD)，所述第四十一PMOS管(M
P41
)的栅极连接第三偏置电压(V
B3
)，所述第四十一PMOS管(M
P41
)的漏极分别连接所述第四十二PMOS管(M
P42
)的源极和所述第四十三PMOS管(M
P43
)的源极；所述第四十二PMOS管(M
P42
)的栅极作为跨导放大器反相输入端(V
IN1
‑
)，所述第四十三PMOS管(M
P43
)的栅极作为跨导放大同相输入端(V
IN1+
)；所述第四十四PMOS管(M
P44
)的源极、第四十五PMOS管(M
P45
)的源极、所述第四十八PMOS管(M
P48
)的源极和所述第四十九PMOS管(M
P49
)的源极分别连接电源电压端(VDD)；所述第四十六PMOS管(M
P46
)的栅极连接所述第四十七PMOS管(M
P47
)的栅极，并连接第四偏置电压(V
B4
)；所述第四十六PMOS管(M
P46
)的源极连接所述第四十八PMOS管(M
P48
)的漏极；
所述第四十七PMOS管(M
P47
)的源极连接所述第四十九PMOS管(M
P49
)的漏极；所述第四十八PMOS管(M
P48
)的栅极连接所述第四十九PMOS管(M
P49
)的栅极，并连接第三偏置电压(V
B3
)。5.根据权利要求4所述的应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端，其特征在于，所述共模反馈电路(132)包括：第三十七NMOS管(M
N37
)、第三十八NMOS管(M
N38
)、第五十一PMOS管(M
P51
)、第五十二PMOS管(M
P52
)、第五十三PMOS管(M
P53
)、第五十四PMOS管(M
P54
)和第五十五PMOS管(M
P55
)；所述第三十七NMOS管(M
N37
)的源极和所述第三十八NMOS管(M
N38
)源极均连接所述接地端(GND)，所述第三十七NMOS管(M
N37
)的栅极分别连接所述第三十七NMOS管(M
N37
)的漏极、所述第五十一PMOS管(M
P51
)的漏极和所述第五十四PMOS管(M
P54
)的漏极，并连接所述共模电平(V
CMFB
)；所述第三十八NMOS管(M
N38
)的栅极分别连接所述第三十八NMOS管(M
N38
)的漏极、所述第五十二PMOS管(M
P52
)的漏极和所述第五十三PMOS管(M
P53
)的漏极；所述第五十一PMOS管(M
P51
)的栅极连接所述跨导放大器第一输出端(V
OP
)；所述第五十二PMOS管(M
P52
)的栅极连接所述第五十三PMOS管(M
P53
)的栅极，并连接参考基准电压(V
REF
)；所述第五十四PMOS管(M
P54
)的栅极连接所述跨导放大器第二输出端(V
ON
)所述第五十五PMOS管(M
P55
)的漏极分别连接所述第五十一PMOS管(M
P51
)的源极、所述第五十二PMOS管(M
P52
)的源极、所述第五十三PMOS管(M
P53
)的源极和所述第五十四PMOS管(M
P54
)的源极；所述第五十五PMOS管(M
P55
)的栅极连接所述第三偏置电压(V
B3
)，所述第五十五PMOS管(M
P55
)的源极连接所述接地端(GND)。6.根据权利要求5所述的应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端，其特征在于，所述二阶自适应偏置低通滤波器(15)包括逻辑控制单元(151)、偏置电压控制单元(152)和二阶Gm
‑
C低通滤波器(153)；其中，所述逻辑控制单元(151)的输入端连接所述可编程增益放大器，所述逻辑控制单元(151)的输出端连接所述偏置电压控制单元(152)的输入端，所述偏置电压控制单元(152)的输出端连接二阶Gm
‑
C低通滤波器(153)；所述逻辑控制单元(151)根据所述可编程增益放大器产生的变化信号，生成偏置电压控制信号；所述偏置电压控制单元(152)根据所述偏置电压控制信号为所述二阶Gm
‑
C低通滤波器(153)提供偏置电压；所述二阶Gm
‑
C低通滤波器(153)的第一输入端口(1)和第二输入端口(2)作为所述二阶自适应偏置低通滤波器(15)的差分输入端，所述二阶Gm
‑
C低通滤波器(153)的第三输出端口(3)和第四输出端口(4)作为所述二阶自适应偏置低通滤波器(15)的差分输出端；所述二阶Gm
‑
C低通滤波器(153)用于滤除被所述仪表放大器输出斩波开关(14)分离出的噪声和失调的频谱，还用于滤除斩波调制中产生的高频毛刺。7.根据权利要求6所述的应用二阶自适应偏置Gm
‑
C低通滤波器的多生物信号采集前端，其特征在于，所述逻辑控制单元(151)包括：译码器(1511)和反相器(1512)；其中，所述译码器(1511)的输入端输入增益切换第一开关信号(S1)、增益切换第二开关信号(S2)和增益切换第三开关信号(S3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘帘曦，徐嘉希，田宇渊，廖栩锋，仵少飞，
申请(专利权)人：西安电子科技大学重庆集成电路创新研究院，
类型：发明
国别省市：