CN104720786A - 用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片 - Google Patents

Abstract

一种用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片采集人体表生物信号后由缓冲器输出给陷波器。同时缓冲器的输出信号经过右腿驱动电路叠加求平均后推回人体表形成负反馈。陷波器滤除接收的人体表生物电信号中的工频噪声。而单端转差分模块将滤除工频噪声的人体表生物电信号转换为180°相位差的输出信号，从而形成单端采集双端输出的电路结构，180°相位差的输出信号由放大电路放大后输出。因而在实现单端采集的同时仅用了两级放大电路结构，使得整体电路结构更为简单，降低了芯片成本。

Description

用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片

技术领域

本发明涉及用于人体表生物信号采集的芯片，特别是涉及一种结构简单、单端采集的用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片。

背景技术

近年来随着集成电路的发展越来越成熟，对于医疗中使用的器械和诊断方法的要求更加人性化。主动电极的诞生意味着传统的人体生理信号采集将变得非常方便，安全，快捷。虽然关于主动电极的设计层出不穷，然而传统的设计方案都存在很多问题。

自从1903年，荷兰科学家发明心电图机以来，在人体生物电信号采集有了很大进步。心电采集的原理就是在心脏运动的每个周期以内，体表的生物电都会发生变化。人体体表信号的采集包括心电信号，肌电信号，脑电信号等等。传统的人体电信号采集是利用信号图机分析仪器作为接收端，在采集端口电极贴片会被直接贴在人体的表面，同时必须保证胶质填充到皮肤与贴片之间来降低体表的电阻。由于生物电信号在传统的传输过程中经过很长的导联线，因而传输的质量将受到外界环境的影响。

当代关于生物电信号采集的进展主要集中在心电采集芯片的设计与创新的阶段。所谓主动电极就是将生物电信号采集芯片直接植入到贴片电极之中，从而避免了在实际采集中胶质的使用，减少了病人的痛苦，同时缩短了准备的时间。由于电极直接附在人体体表，因而采集过程受到外界环境的影响很小。综上所述，要想做成体表生物电信号采集芯片，必须考虑到以下几点难题：人体体表的阻抗非常大、人体生物电信号的幅值很微弱、人体也是一个导体，外界的电信号都会加载到人体、人体生物电信号的在一定频率范围内会有信号及最低截至频率会非常低。

为了能够克服以上几种难点中的一项或者多项，目前的解决方案有：贴片电极中的主动电极大多采用差分输入结构，对于极小数值的高通截至频率，大部分芯片采用了大数值的电阻电容来实现；为了克服人体的极化电压，大多设计的输入部分用了较大数值的电容来进行滤波；为了解决50Hz的工频干扰，50Hz陷波器被夹在两级放大电路的之间。从上述解决方案，不难看出现有的技术需要较大数值的电容和电阻，这就意味，芯片的面积将会增加。同时较大的电容和电阻将会使得电路达到稳定状态的延时时间很大。由于人体50Hz的工频干扰影响很大，因此仅仅使用陷波器是一种形而上学的方法。现有的主动电极为了实现微弱信号的放大，至少使用2级放大电路结构，这无疑增加了电路的复杂程度。最重要的缺点是，现有的技术采用双端采集，然而由于人体体表结构很复杂，因而很难保证这两点采集到的信号是完全相同的。

发明内容

基于此，有必要提供一种结构简单、单端采集的用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片。

一种用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片，包括右腿驱动、用于跟随传输采集的人体表生物电信号的缓冲器及用于滤除人体表生物电信号中的工频噪声的陷波器；还包括用于将人体表生物信号转换为180°相位差的输出信号的单端转差分模块及用于抑制直流偏置的放大电路；

所述缓冲器的输入端接人体表面，用于采集人体表生物电信号，所述缓冲器的输出端接所述陷波器的输入端，所述陷波器的输出端接所述单端转差分模块的输入端，所述单端转差分模块的第一输出端和第二输出端对应接所述放大电路的第一输入端和第二输入端，所述放大电路输出端输出人体表生物电信号；所述右腿驱动的输入端用于与信号采集模块中的缓冲器的输出端连接；

所述缓冲器采集的人体表生物电信号经过与所述右腿驱动电路叠加求平均，再由所述右腿驱动推回人体表形成负反馈，同时所述缓冲器将采集的人体表生物电信号输出给所述陷波器；所述陷波器滤除人体表生物电信号中的工频噪声，所述单端转差分模块将滤除工频噪声的人体表生物电信号转换为180°相位差的输出信号，所述放大电路将180°相位差的输出信号放大后输出。

在其中一个实施例中，所述陷波器为50Hz陷波器。

在其中一个实施例中，所述单端转差分模块包括栅极电阻Rg1、栅极电阻Rg2、反馈电阻Rf1、反馈电阻Rf2及芯片THS4509；

所述栅极电阻Rg1一端为所述单端转差分模块的输入端，另一端与所述芯片THS4509的正相输入端连接，所述栅极电阻Rg2一端接地，另一端接所述芯片THS4509的反相输入端，所述反馈电阻Rf1连接于所述芯片THS4509的正相输入端和负输出端之间，所述反馈电阻Rf2连接于所述芯片THS4509的反相输入端和正输出端之间，所述芯片THS4509的正输出端和负输出端对应为所述单端转差分模块的第一输出端和第二输出端。

在其中一个实施例中，所述放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、放大器AMP1、放大器AMP2、晶体管M1、晶体管M2、电容C0、虚电阻Rc及晶体管M0；

所述电阻R1的一端为所述放大电路的第一输入端，另一端接所述放大器AMP1的反相输入端，所述电阻R5的一端为所述放大电路的第二输入端，另一端接所述放大器AMP1的正相输入端，所述电阻R2的一端接所述放大器AMP1的反相输入端，另一端接所述放大器AMP2的输出端，所述电容C0连接于所述放大器AMP2的输出端和反相输入端之间，所述晶体管M1的源极接所述放大器AMP2的反相输入端，所述晶体管M1的漏极同时接所述晶体管M1的栅极、所述晶体管M2的漏极及所述晶体管M2的栅极，所述晶体管M2的源极输入参考电压；所述电阻R3和所述电阻R4串联于所述晶体管M2的源极和所述放大器AMP1的输出端之间；所述电阻R3和所述电阻R4的公共连接点接所述放大器AMP2的正相输入端；所述虚电阻Rc的一端接所述放大器AMP2的反相输入端，另一端接所述晶体管M0的源极，所述放大器AMP1的输出端和所述电阻R4的公共连接点为所述放大电路的输出端。

在其中一个实施例中，所述放大器AMP1为差分放大器。

在其中一个实施例中，还包括电容Cc、二极管D1、二极管D2、比较器U1、比较器U1、电阻R7、电阻R8及电阻R9；

所述电阻R7、所述电阻R8、所述电阻R9依次串联于输入电源和接地之间，所述电阻R7和所述电阻R8的公共连接点接所述比较器U1的反相输入端；所述电阻R8和所述电阻R9的公共连接点接所述比较器U2的正相输入端；所述比较器U1的正相输入端接所述比较器U2的反相输入端；所述比较器U1的输出端接所述二极管D1的正极，所述比较器U2的输出端接所述二极管D2的正极，所述二极管D1的负极、所述二极管D2的负极和所述电容Cc的一端同时接所述晶体管M0的栅极，所述电容Cc的另一端接地。

上述用于与人体表直接相连接的缓冲器经过采集体表信号以后，被采集到的信号经过右腿驱动电路被叠加求平均后推回人体形成负反馈。陷波器滤除接收的人体表生物电信号中的工频噪声。而单端转差分模块将滤除工频噪声的人体表生物电信号转换为180°相位差的输出信号，从而形成单端采集双端输出的电路结构，180°相位差的输出信号由放大电路放大后输出。因而在实现单端采集的同时仅用了两级放大电路结构，使得整体电路结构更为简单，降低了芯片成本。

附图说明

图1为用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片模块图；

图2（a）为50Hz陷波器的电路原理图；

图2（b）为组合电路a的原理图；

图3为单端转差分模块的电路原理图；

图4为放大电路的原理图。

具体实施方式

如图1所示，为用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片模块图。

一种用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片，包括右腿驱动105、用于跟随传输采集的人体表生物电信号的缓冲器101及用于滤除人体表生物电信号中的工频噪声的陷波器102；还包括用于将人体表生物信号转换为180°相位差的输出信号的单端转差分模块103及用于抑制直流偏置的放大电路104。

所述缓冲器101的输入端接人体表面，用于采集人体表生物电信号，所述缓冲器101的输出端接所述陷波器102的输入端，所述陷波器102的输出端接所述单端转差分模块103的输入端，所述单端转差分模块103的第一输出端和第二输出端对应接所述放大电路104的第一输入端和第二输入端，所述放大电路104输出端输出人体表生物电信号；所述右腿驱动电路105的输入端用于与所述缓冲器101的输出端连接；所述右腿驱动105的输出端同时接人体表面。

所述缓冲器101采集的人体表生物电信号经过叠加求平均，再由所述右腿驱动105推回人体表形成负反馈，同时所述缓冲器101将人体表生物电信号输出给所述陷波器102；所述陷波器102滤除人体表生物电信号中的工频噪声，所述单端转差分模块103将滤除工频噪声的人体表生物电信号转换为180°相位差的输出信号，所述放大电路104将180°相位差的输出信号放大后输出。

缓冲器101采用了简单的放大倍数为1的放大器，由于人体体表阻抗很大，为了能够采集微弱的信号，人体表面信号被直接接到晶体管的栅极，晶体管栅极电阻要远大于人体表面电阻，同时缓冲器101的输出电阻很低，提高了后级电路的驱动能力。当被采集到的信号经过缓冲器101以后，所得到的信号叠加后求平均值，通过右腿驱动105被推回到人体，形成了一个负反馈。

陷波器102为50Hz陷波器。

由于生物电信号中最大的干扰是50Hz工频噪声的干扰，因而一个50Hz陷波器被加在每一路缓冲器的后端。

如图2（a）所示，为50Hz陷波器的电路原理图。

50Hz陷波器包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C10、电容C1、电容C2、电容C3、放大器AMP5、放大器AMP6及两个组合电路a。其中，组合电路a中的电路包括晶体管M3和晶体管M4。电阻R10一端为陷波器的输入端，另一端接组合电路a的输入端。组合电路a的输出端接比较器U2的反相输入端，比较器U2的正相输入端接地，所述电容C10连接于比较器U2的反相输入端和输出端之间，比较器U2的输出端接单位增益反相器的输入端。单位增益反相器的输出端接电阻R12，电阻R12的另一端接组合电路a的输入端，组合电路a的输出端接放大器AMP5的反相输入端，放大器AMP5的正相输入端接地，电容C3连接于放大器AMP5的反相输入端和输出端之间，放大器AMP5为陷波器的输出端。电容C2连接于陷波器的输入端和放大器AMP5的反相输入端之间。电容C1连接于电阻R10与组合电路a的公共连接点和陷波器的输出端之间，电阻R11与电容C1并联。

组合电路a中的晶体管M3的漏极与晶体管M4的漏极公共连接点为组合电路a的输入端，晶体管M3的源极为组合电路a的输出端。晶体管M3的栅极输入电压VB1，晶体管M4的栅极输入电压VB2，晶体管M4的源极接地。

由于主要的放大电路结构为普通的差分对输入，因而单端信号需要转换成差分电路，并且保证人体交流信号的相位差经过这个模块以后为180度，为了保证这个相位差为严格的180度。

如图3所示，为单端转差分模块的电路原理图。

单端转差分模块103包括栅极电阻Rg1、栅极电阻Rg2、反馈电阻Rf1、反馈电阻Rf2及芯片THS4509。

所述栅极电阻Rg1一端为所述单端转差分模块103的输入端，另一端与所述芯片THS4509的正相输入端连接，所述栅极电阻Rg2一端接地，另一端接所述芯片THS4509的反相输入端，所述反馈电阻Rf1连接于所述芯片THS4509的正相输入端和负输出端之间，所述反馈电阻Rf2连接于所述芯片THS4509的反相输入端和正输出端之间，所述芯片THS4509的正输出端和负输出端对应为所述单端转差分模块103的第一输出端和第二输出端。

栅极电阻Rg和反馈电阻Rf为匹配的电阻，经过THS4509模块以后，变成相位差为180的差分信号。其中，Rg1=Rg2，Rf1=Rf2。

如图4所示，为放大电路的原理图。

放大电路104包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、放大器AMP1、放大器AMP2、晶体管M1、晶体管M2、电容C0、虚电阻Rc及晶体管M0。

所述电阻R1的一端为所述放大电路的第一输入端，另一端接所述放大器AMP1的反相输入端，所述电阻R5的一端为所述放大电路的第二输入端，另一端接所述放大器AMP1的正相输入端，所述电阻R2的一端接所述放大器AMP1的反相输入端，另一端接所述放大器AMP2的输出端，所述电容C0连接于所述放大器AMP2的输出端和反相输入端之间，所述晶体管M1的源极接所述放大器AMP2的反相输入端，所述晶体管M1的漏极同时接所述晶体管M1的栅极、所述晶体管M2的漏极及所述晶体管M2的栅极，所述晶体管M2的源极输入参考电压；所述电阻R3和所述电阻R4串联于所述晶体管M2的源极和所述放大器AMP1的输出端之间；所述电阻R3和所述电阻R4的公共连接点接所述放大器AMP2的正相输入端；所述虚电阻Rc的一端接所述放大器AMP2的反相输入端，另一端接所述晶体管M0的源极，所述放大器AMP1的输出端和所述电阻R4的公共连接点为所述放大电路104的输出端。

放大器AMP1为差分放大器。

用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片还包括电容Cc、二极管D1、二极管D2、比较器U1、比较器U1、电阻R7、电阻R8及电阻R9。

所述电阻R7、所述电阻R8、所述电阻R9依次串联于输入电源和接地之间，所述电阻R7和所述电阻R8的公共连接点接所述比较器U1的反相输入端；所述电阻R8和所述电阻R9的公共连接点接所述比较器U2的正相输入端；所述比较器U1的正相输入端接所述比较器U2的反相输入端；所述比较器U1的输出端接所述二极管D1的正极，所述比较器U2的输出端接所述二极管D2的正极，所述二极管D1的负极、所述二极管D2的负极和所述电容Cc的一端同时接所述晶体管M0的栅极，所述电容Cc的另一端接地。

放大器AMP1为主要的放大器，它采用的是标准的差分放大电路，放大器AMP1采用了斩波结构，斩波结构的输入控制端由一个双向非交叠时钟电路所控制。由于芯片供电电压为0～1.8V，Vref为参考电压被定义为0.9V。Vin1和Vin2为被转化后的差分输入。放大电路104的放大倍数由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5控制，其中，R1=R5。放大器AMP2为另外一个放大器，整体构成了放大器AMP1的一个负反馈。正如之前所提到，人体生物电信号的高通截至频率很低，虚电阻Rc和电容C0构成了一个极低的截止频率。Deblocking（解块）技术解决了极低截至频率的响应时间的较长的延迟问题。晶体管Mo为一个N型的晶体管，它决定了虚电阻Rc的开关，由一对比较器U1和U2来控制。

由于斩波放大器采用了差分输入的结构，因而人体的共模极化电压可以被抑制在斩波放大器中。

上述用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片实现了生物信号的单端采集，且最大放大倍数为100倍，高通截止频率用虚电阻Rc代替，使得芯片面积达到最小化，同时滤除了人体50Hz噪声干扰，并且可以抵抗人体的极化电压。

将上述用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片采用流片后的芯片进行测试，所得到的结果与预期效果基本一致。在人体表面形成的负反馈能够抵消人体较大的极化电压。放大电路104放大的信号带宽涵盖了人体不同信号的带宽范围，因而可以用于不同生理信号的采集。放大电路104采用斩波结构，使得电路放大倍数实现了可选的几种范围。

由于本发明没有采取电容滤波，并且在极低的截至频率方面采取了虚电阻Rc的设计方法，因而芯片面积被缩小的最小。

由于虚电阻Rc的应用，使得整个电路的带宽很大，从而满足了人体不同生物电信号的放大。

传统的生理采样信号大多采用了双端采样，本发明采用了单端信号采集。

传统的发明与设计大多是建立在理论的基础上，电路在Cadence软件下的仿真结果和芯片流片后的测试结果相差甚远。而本发明将电路转变成了实物，并且测试成功。

用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片除了能够采集人体生物电信号，还能将主动电极应用到物理化学检测方面，来减小连接数据线的长度。

上述人体表生物电信号由缓冲器101直接采集，采集后的信号直接输出给陷波器102。同时被采集的信号经过叠加求平均后由右腿驱动105推回人体表形成负反馈。陷波器102滤除接收的人体表生物电信号中的工频噪声。而单端转差分模块103将滤除工频噪声的人体表生物电信号转换为180°相位差的输出信号，从而形成单端采集双端输出的电路结构，180°相位差的输出信号由放大电路104放大后输出。因而在实现单端采集的同时仅用了两级放大电路结构，使得整体电路结构更为简单，降低了芯片成本。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片，包括右腿驱动、用于跟随传输采集的人体表生物电信号的缓冲器及用于滤除人体表生物电信号中的工频噪声的陷波器；其特征在于，还包括用于将人体表生物信号转换为180°相位差的输出信号的单端转差分模块及用于抑制直流偏置的放大电路；

所述缓冲器的输入端接人体表面，用于采集人体表生物电信号，所述缓冲器的输出端接所述陷波器的输入端，所述陷波器的输出端接所述单端转差分模块的输入端，所述单端转差分模块的第一输出端和第二输出端对应接所述放大电路的第一输入端和第二输入端，所述放大电路输出端输出人体表生物电信号；所述右腿驱动的输入端用于与所述缓冲器的输出端连接；

所述缓冲器采集的人体表生物电信号经过叠加求平均，再由所述右腿驱动推回人体表形成负反馈，同时所述缓冲器将人体表生物电信号输出给所述陷波器；所述陷波器滤除人体表生物电信号中的工频噪声，所述单端转差分模块将滤除工频噪声的人体表生物电信号转换为180°相位差的输出信号，所述放大电路将180°相位差的输出信号放大后输出。

2.根据权利要求1所述的用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片，其特征在于，所述陷波器为50Hz陷波器。

3.根据权利要求1所述的用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片，其特征在于，所述单端转差分模块包括栅极电阻Rg1、栅极电阻Rg2、反馈电阻Rf1、反馈电阻Rf2及芯片THS4509；

所述栅极电阻Rg1一端为所述单端转差分模块的输入端，另一端与所述芯片THS4509的正相输入端连接，所述栅极电阻Rg2一端接地，另一端接所述芯片THS4509的反相输入端，所述反馈电阻Rf1连接于所述芯片THS4509的正相输入端和负输出端之间，所述反馈电阻Rf2连接于所述芯片THS4509的反相输入端和正输出端之间，所述芯片THS4509的正输出端和负输出端对应为所述单端转差分模块的第一输出端和第二输出端。

4.根据权利要求1所述的用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片，其特征在于，所述放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、放大器AMP1、放大器AMP2、晶体管M1、晶体管M2、电容C0、虚电阻Rc及晶体管M0；

所述电阻R1的一端为所述放大电路的第一输入端，另一端接所述放大器AMP1的反相输入端，所述电阻R5的一端为所述放大电路的第二输入端，另一端接所述放大器AMP1的正相输入端，所述电阻R2的一端接所述放大器AMP1的反相输入端，另一端接所述放大器AMP2的输出端，所述电容C0连接于所述放大器AMP2的输出端和反相输入端之间，所述晶体管M1的源极接所述放大器AMP2的反相输入端，所述晶体管M1的漏极同时接所述晶体管M1的栅极、所述晶体管M2的漏极及所述晶体管M2的栅极，所述晶体管M2的源极输入参考电压；所述电阻R3和所述电阻R4串联于所述晶体管M2的源极和所述放大器AMP1的输出端之间；所述电阻R3和所述电阻R4的公共连接点接所述放大器AMP2的正相输入端；所述虚电阻Rc的一端接所述放大器AMP2的反相输入端，另一端接所述晶体管M0的源极，所述放大器AMP1的输出端和所述电阻R4的公共连接点为所述放大电路的输出端。

5.根据权利要求4所述的用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片，其特征在于，所述放大器AMP1为差分放大器。

6.根据权利要求4所述的用于人体表生物电信号采集的主动电极的芯片，其特征在于，还包括电容Cc、二极管D1、二极管D2、比较器U1、比较器U1、电阻R7、电阻R8及电阻R9；

所述电阻R7、所述电阻R8、所述电阻R9依次串联于输入电源和接地之间，所述电阻R7和所述电阻R8的公共连接点接所述比较器U1的反相输入端；所述电阻R8和所述电阻R9的公共连接点接所述比较器U2的正相输入端；所述比较器U1的正相输入端接所述比较器U2的反相输入端；所述比较器U1的输出端接所述二极管D1的正极，所述比较器U2的输出端接所述二极管D2的正极，所述二极管D1的负极、所述二极管D2的负极和所述电容Cc的一端同时接所述晶体管M0的栅极，所述电容Cc的另一端接地。