CN104579183B

CN104579183B - 一种以电容无源放大器作为输入级的生物电信号采集模拟前端

Info

Publication number: CN104579183B
Application number: CN201510006430.9A
Authority: CN
Inventors: 秦文辉; 易婷; 洪志良
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2015-01-07
Filing date: 2015-01-07
Publication date: 2017-11-17
Anticipated expiration: 2035-01-07
Also published as: CN104579183A

Abstract

本发明属于健康监护技术领域，具体为用于便携式健康监护系统的生物电信号采集模拟前端。本发明模拟前端由电容无源放大器和传统模拟前端组成；模拟输入信号VINP、VINN分别与电容无源放大器的输入端vip、vin相连；电容无源放大器的输出端vop、von分别与传统模拟前端的输入端vip2、vin2相连；放大后的模拟输出信号VOUTP、VOUTN分别由传统模拟前端的输出端口vop2、von2提供；所述的电容无源放大器电路结构由6个电容和20个开关组成。本发明既实现了低功耗又实现了低噪声，解决了模拟前端中难以同时优化功耗和噪声的问题。

Description

一种以电容无源放大器作为输入级的生物电信号采集模拟前端

技术领域

本发明属于健康监护技术领域，具体涉及用于便携式健康监护系统的一种生物电信号采集模拟前端。

背景技术

便携式健康监护系统通常会监测人体的心电、肌电和脑电信号。而这几种信号幅度非常小（最大的也只有10毫伏，最小的只有20微伏），这就要求采集这些生物电信号的模拟前端具有极低噪声，例如等效输入噪声密度只有几十纳伏每平方根赫兹。而长时间监护人体又要求健康监护系统的功耗特别低，这就要求该系统需要一个低功耗低噪声的生物电信号采集模拟前端。

传统的模拟前端，通常低功耗的情况下等效输入噪声会比较大。这是由于噪声与功耗的平方根之间存在一个反比关系，所以如何实现一个既低功耗又低噪声的模拟前端是一个挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以电容无源放大器作为输入级的生物电信号采集模拟前端，以降低模拟前端的等效输入噪声，即使得模拟前端在低功耗的前提下可以实现低噪声。

本发明提供的生物电信号采集模拟前端，其电路结构如图1所示。它由电容无源放大器（1）和传统模拟前端（2）组成。模拟输入信号VINP、VINN分别与电容无源放大器（1）的输入端vip、vin相连。电容无源放大器（1）的输出端vop、von分别与传统模拟前端（2）的输入端vip2、vin2相连。放大后的模拟输出信号VOUTP、VOUTN分别由传统模拟前端（2）的输出端口vop2、von2提供。

所述的电容无源放大器（1），其电路结构如图2所示，由6个电容（C1~C6）和20个开关(SW1~SW20)组成；其中：

同相输入端vip与开关SW1、SW3、SW5、SW11、SW13和SW15的一端共点；反相输入端vin与开关SW2、SW4、SW6、SW12、SW14和SW16的一端共点；开关SW1的另一端与电容C1的一端、开关SW9的一端共点；开关SW2的另一端与电容C1的另一端、开关SW7的一端共点；开关SW3的另一端与电容C2的一端、开关SW7的另一端共点；开关SW4的另一端与电容C2的另一端、开关SW8的一端共点；开关SW5的另一端与电容C3的一端、开关SW8的另一端共点；开关SW6的另一端与电容C3的另一端、开关SW10的一端共点；开关SW11的另一端与电容C4的一端、开关SW19的一端共点；开关SW12的另一端与电容C4的另一端、开关SW17的一端共点；开关SW13的另一端与电容C5的一端、开关SW17的另一端共点；开关SW14的另一端与电容C5的另一端、开关SW18的一端共点；开关SW15的另一端与电容C6的一端、开关SW18的另一端共点；开关SW16的另一端与电容C6的另一端、开关SW20的一端共点；开关SW10的另一端与输出端von、开关SW20的另一端共点；开关SW9的另一端与输出端vop、开关SW19的另一端共点。

采用该电容无源放大器有一下几个益处：

1、共模输入阻抗特别大，有利于抑制共模工频干扰；

2、该电容无源放大器放大时引入的噪声很小，只有十几纳伏每平方根赫兹，相对于后级仪表放大器的噪声可以忽略不计，采用该电容无源放大器后，模拟前端的等效输入噪声缩小了3倍。而电容无源放大器基本不消耗功耗，不会增加模拟前端的功耗。所以，电容无源放大器的存在可以在基本不增加功耗的前提下，优化模拟前端的噪声性能降低其噪声效率因素（NEF）。

本发明可应用于可穿戴健康监护系统。

附图说明

图1为以电容无源放大器作为输入级的模拟前端的架构图。

图2为电容无源放大器的内部电路图。

图3为图2中的开关的控制信号波形。

具体实施方式

开关SW1~SW20的控制信号如图3所示。假定节点vip和vin的输入电压分别为Vi+和Vi-，节点vop和von上的输出电压分别为Vo+和Vo-。当控制信号值为逻辑1时，开关SW1~SW6导通，开关SW7~SW10断开，开关SW11~SW16断开，开关SW17~SW20导通。此时，电容C1、C2和C3并联，它们的端电压等于输入电压V_i（Vi+与Vi-的差值）；电容C4、C5和C6串联，并通过导通的开关SW19和SW20与输出端vop和von相连，输出电压V_o等于各个电容的初始电压之和。当控制信号值为逻辑0时，开关SW1~SW6断开，开关SW7~SW10导通，开关SW11~SW16导通，开关SW17~SW20断开。此时，电容C1、C2和C3串联，并通过导通的开关SW9和SW10与输出端vop和von相连，输出电压V_o等于各个电容的初始电压之和，即为3V_i；电容C4、C5和C6并联，它们的端电压等于此时输入电压V_i。通过上述过程可以使电容无源放大器输出电压V_o（Vo+与Vo-的差值）为输入电压的3倍。即电容无源放大器增益为3。若使用更多的电容，电容无源放大器可以设计为更大的增益。

Claims

1.一种以电容无源放大器作为输入级的模拟前端电路，其特征在于由电容无源放大器（1）和传统模拟前端（2）组成；模拟输入信号VINP、VINN分别与电容无源放大器（1）的输入端vip、vin相连；电容无源放大器（1）的输出端vop、von分别与传统模拟前端（2）的输入端vip2、vin2相连；放大后的模拟输出信号VOUTP、VOUTN分别由传统模拟前端（2）的输出端口vop2、von2提供；

所述的电容无源放大器（1），其电路结构由6个电容和20个开关组成；其中：

同相输入端vip与第一开关SW1、第三SW3、第五SW5、第十一SW11、第十三SW13和第十五SW15的一端共点；反相输入端vin与第二开关SW2、第四开关SW4、第六开关SW6、第十二开关SW12、第十四开关SW14和第十六开关SW16的一端共点；第一开关SW1的另一端与第一电容C1的一端、第九开关SW9的一端共点；第二开关SW2的另一端与第一电容C1的另一端、第七开关SW7的一端共点；第三开关SW3的另一端与第二电容C2的一端、第七开关SW7的另一端共点；第四开关SW4的另一端与第二电容C2的另一端、第八开关SW8的一端共点；第五开关SW5的另一端与第三电容C3的一端、第八开关SW8的另一端共点；第六开关SW6的另一端与第三电容C3的另一端、第十开关SW10的一端共点；第十一开关SW11的另一端与第四电容C4的一端、第十九开关SW19的一端共点；第十二开关SW12的另一端与第四电容C4的另一端、第十七开关SW17的一端共点；第十三开关SW13的另一端与第五电容C5的一端、第十七开关SW17的另一端共点；第十四开关SW14的另一端与第五电容C5的另一端、第十八开关SW18的一端共点；第十五开关SW15的另一端与第六电容C6的一端、第十八开关SW18的另一端共点；第十六开关SW16的另一端与第六电容C6的另一端、第二十开关SW20的一端共点；第十开关SW10的另一端与输出端von、第二十开关SW20的另一端共点；第九开关SW9的另一端与输出端vop、第十九开关SW19的另一端共点。