差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器制造技术

本发明专利技术公开了一种差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，包括差分前置放大器、差分可变增益放大器及差分四阶开关电容滤波器；其中，差分前置放大器的正向输出端与差分可变增益放大器的反向输入端连接，差分前置放大器的反向输出端与差分可变增益放大器的正向输入端连接；差分可变增益放大器的正向输出端与差分四阶开关电容滤波器的正向输入端连接；差分可变增益放大器的反向输出端与差分四阶开关电容滤波器的反向输入端连接。本申请创新性地提出了在生物医学信号采集领域的前置放大器中使用差分电容反馈网络结构，提高采集电路共模抑制比的同时降低了电容的容量值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电路与系统、微电子学、集成电路设计方法学及生物医疗电子学等交叉
，特别涉及一种差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器。
技术介绍
我国是世界上人口最大的国家，这必然导致对普通医疗服务需求也是最大；而且我国人口老龄化问题越来越突出，给我国现行的医疗体系带来了较重的负担。另一方面，随着人们生活节奏的加快，工作压力越来越大，处于亚健康状态的人群规模也越来越大,心脏病、高血压、糖尿病成为影响人们健康的三大杀手。对突发疾病进行提早诊断和及时治疗，实时监控患者的健康状况，成为了全社会的迫切需求。大多数医疗设 备往往需要对生物医学信号进行观测、分析和处理，这样才能及时和准确地诊断与治疗。而生物医学信号是人体最直接、最原始也是最能反映病症的信号；其幅值小、频率低且极易受外界设备和环境干扰，从而会叠加大量噪声，降低信号信噪比。因此，从人体中正确、有效地提取生物信号往往具有很大挑战性，该环节性能的好坏将直接影响着后续信号地处理和分析，并最终影响对病理特征地发现和诊断。目前，生物医学信号采集主要从三个方面进行研究 一、基于仪表运算放大器的结构，该结构具有良好的共模抑制能力和高输入阻抗特征；但由于电路中需要对两个输入运算放大器进行严格匹配，在集成化设计中，很难做到高精度的匹配；此外，由于结构中运用了三个运算放大器，功耗和噪声都比较大。二、基于斩波放大器结构，该结构具有较低的噪声特性；但由于采用斩波技术，功耗和面积比较大，不适合于植入式体内信号的探测。三、采用传统的比例运算电路结构，对该电路进行改进后，采用交流耦合电容反馈式拓扑结构，很适合对多种生物医学信号进行采集，具有低噪声、低功耗和小面积的特点。目前正在进行这种技术的研究开发。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对现有生物医学信号采集领域的技术不足，提供一种提高采集信号的信噪比的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为 提供一种差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，包括差分前置放大器、差分可变增益放大器及差分四阶开关电容滤波器；其中， 所述差分前置放大器的正向输出端与差分可变增益放大器的反向输入端连接，差分前置放大器的反向输出端与差分可变增益放大器的正向输入端连接； 所述差分可变增益放大器的正向输出端与差分四阶开关电容滤波器的正向输入端连接；差分可变增益放大器的反向输出端与差分四阶开关电容滤波器的反向输入端连接。优选地，所述第一反馈网络包括第一晶体管、第二晶体管、第三电容与第四电容；所述第三电容的一端与全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第三电容的另一端与第四电容的一端连接，第四电容的另一端与全差分跨导运算放大器的反向输出端连接；第一晶体管与第二晶体管的漏极相连；第一晶体管和第二晶体管的源极连接到各自的衬底；第一晶体管的源极与全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第二晶体管的源极还与全差分跨导运算放大器的反向输出端连接； 所述第二反馈网络包括第三晶体管、第四晶体管、第五电容与第六电容；所述第五电容的一端与全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第五电容的另一端与第六电容的一端连接，第六 电容的另一端与全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；第三晶体管与第四晶体管的漏极相连；第三晶体管和第四晶体管的源极连接到各自的衬底；第三晶体管的源极与全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第四晶体管的源极还与全差分跨导运算放大器的正向输出端连接； 第一、二、三和四晶体管的栅极全部连接在一起，与外部调节电压连接。优选地，第三电容及第四电容的连接点与第五电容及第六电容的连接点之间跨接第七电容。差分前置放大器采用交流耦合全差分的形式，利用其输入端的正向耦合电容和反向耦合电容，能有效抑制消除记录电极与参考电极间的直流漂移。差分前置放大器的增益由输入端正向耦合电容和反向耦合电容的容量值与第一反馈网络和第二反馈网络的等效电容的容量值的比值来决定，避免使用电阻比例中电阻带来的热噪声。第一、二、三和四晶体管偏置在亚阈值区形成伪电阻，一方面给跨导运算放大器提供直流偏置，另一方面与反馈回路上的反馈电容网络形成一个高通低频截止点，有效抑制电路中的低频噪声。通过控制伪电阻的栅压可以控制伪电阻的阻值，从而控制了低频截止点的位置。差分前置放大器中的第七电容对于共模输入信号可看成断开，而对差分输入信号可等效为两个二倍值的第七电容，一个跨接在第三电容和第四电容的交接点与共模参考电平之间，另一个跨接在第五电容和第六电容交接点与共模参考电平之间，构成两个对称的T型第一反馈网络与第二反馈网络，此结构提高前置放大器的共模抑制比的同时，较原T型电容反馈网络进一步减小了电容的容量值。差分前置放大器具有带通特性，其高频截止点由差分跨导运算放大器决定；其低频截止点由第一、二、三和四晶体管的栅极外接电压调节。优选地，全差分跨导运算放大器具有低通滤波特性。所述差分可变增益放大器采用全差分输入输出的拓扑结构，包括第二全差分跨导运算放大器、两个可变电阻网络、第一并联反馈网络及第二并联反馈网络；所述其中一个可变电阻网络的输入端与差分前置放大器的正向输出端连接，该可变电阻网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第一并联反馈网络的输入端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第一并联反馈网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；所述另一个可变电阻网络的输入端与差分前置放大器的反向输出端连接，该可变电阻网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第二并联反馈网络的输入端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接；第二并联反馈网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的反向输出端连接。优选地，所述可变电阻网络包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关及第八开关；第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻的一端与差分前置放大器的反向或正向输出端连接，第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻的另一端与第二全差分跨导运算放大器的正向或反向输入端连接；所述差分前置放大器的反向或正向输出端与第二电阻之间跨接第四开关，第二电阻与第二全差分跨导运算放大器的正向或反向输入端之间跨接第一开关，第一电阻与第一开关之间跨接第三开关；所述差分前置放大器的反向或正向输出端与第三电阻之间跨接第二开关，第三电阻与第二全差分跨导运算放大器的正向或反向输入端之间跨接第五开关，第二开关与第四电阻之间跨接第六开关；第五开关与第六开关之间跨接第七开关，第一开关与第二开关之间跨接第八开关；完成八种不同增益的选择。其中，第一电阻的阻值为第三电阻的两倍，第二电阻的阻值为第三电阻的四倍，第四电阻的阻值为第三电阻的六倍。 优选地，所述第一并联反馈网络包括第九电阻及第一电容，第九电阻及第一电容并联，第九电阻及第一电容的一端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第九电阻及第一电容的另一端与第二全差分跨导运算放大器的反向输出端连接； 所述第二并联反馈网络包括第十电阻及第二电容，第十电阻及第二电容并联，第十电阻及第二电容的一端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第十电阻及第二电容的另一端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于：包括差分前置放大器、差分可变增益放大器及差分四阶开关电容滤波器；其中，所述差分前置放大器的正向输出端与差分可变增益放大器的反向输入端连接，差分前置放大器的反向输出端与差分可变增益放大器的正向输入端连接；所述差分可变增益放大器的正向输出端与差分四阶开关电容滤波器的正向输入端连接；差分可变增益放大器的反向输出端与差分四阶开关电容滤波器的反向输入端连接。

【技术特征摘要】
1.一种差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于包括差分前置放大器、差分可变增益放大器及差分四阶开关电容滤波器；其中， 所述差分前置放大器的正向输出端与差分可变增益放大器的反向输入端连接，差分前置放大器的反向输出端与差分可变增益放大器的正向输入端连接； 所述差分可变增益放大器的正向输出端与差分四阶开关电容滤波器的正向输入端连接；差分可变增益放大器的反向输出端与差分四阶开关电容滤波器的反向输入端连接。2.根据权利要求I所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于所述差分前置放大器采用全差分输入输出、交流电容耦合及差分电容反馈的拓扑结构，包括第一全差分跨导运算放大器、正向耦合电容、反向耦合电容、第一反馈网络与第二反馈网络及第七电容；所述第一全差分跨导运算放大器的正向输入端与正向耦合电容连接，第一全差分跨导运算放大器的反向输入端与反向耦合电容连接；所述第一反馈网络的输入端与第一全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第一反馈网络的输出端与第一全差分跨导运算放大器的反向输出端连接；所述第二反馈网络的输入端与第一全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第二反馈网络的输出端与第一全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；第一反馈网络与第二反馈网络之间设有第七电容。3.根据权利要求2所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于所述第一反馈网络包括第一晶体管、第二晶体管、第三电容与第四电容；所述第三电容的一端与全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第三电容的另一端与第四电容的一端连接，第四电容的另一端与全差分跨导运算放大器的反向输出端连接；第一晶体管与第二晶体管的漏极相连；第一晶体管和第二晶体管的源极连接到各自的衬底；第一晶体管的源极与全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第二晶体管的源极还与全差分跨导运算放大器的反向输出端连接； 所述第二反馈网络包括第三晶体管、第四晶体管、第五电容与第六电容；所述第五电容的一端与全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第五电容的另一端与第六电容的一端连接，第六电容的另一端与全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；第三晶体管与第四晶体管的漏极相连；第三晶体管和第四晶体管的源极连接到各自的衬底；第三晶体管的源极与全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第四晶体管的源极还与全差分跨导运算放大器的正向输出端连接； 第一、二、三和四晶体管的栅极全部连接在一起，与外部调节电压连接。4.根据权利要求3所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于第三电容及第四电容的连接点与第五电容及第六电容的连接点之间跨接第七电容。5.根据权利要求I所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于所述差分可变增益放大器采用全差分输入输出的拓扑结构，包括第二全差分跨导运算放大器、两个可变电阻网络、第一并联反馈网络及第二并联反馈网络；所述其中一个可变电阻网络的输入端与差分前置放大器的正向输出端连接，该可变电阻网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第一并联反馈网络的输入端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第一并联反馈网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；所述另一个可变电阻网络的输入端与差分前置放大器的反向输出端连接，该可变电阻网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第二并联反馈网络的输入端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接；第二并联反馈网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的反向输出端连接。6.根据权利要求5所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于所述可变电阻网络包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关及第八开关；第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻的一端与差分前置放大器的反向或正向输出端连接，第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻的另一端与第二全差分跨导运算放大器的正向或反向输入端连接；所述差分前置放大器的反向或正向输出端与第二电阻之间跨接第四开...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴朝晖，梁凯，李斌，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
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