CN105322898B - 前置放大器及信号采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种前置放大器和信号采集装置，该前置放大器用于对采集的微弱信号进行放大，包括：放大模块，所述放大模块包括输入电路和全差分输出电路；所述输入电路的输出端和所述全差分输出电路的输入端连接，且所述全差分输出电路具有两个差模输出端；所述放大模块用于将输入信号放大以获得输出信号；及共模反馈模块，所述共模反馈模块包括共模反馈回路和源极退化结构的共模反馈回路；所述共模反馈模块与所述放大模块相连，用于抑制所述输出信号的共模增益。上述的前置放大器和信号采集装置能够减小芯片的体积、减少了电容匹配对共模抑制比的影响。

Description

前置放大器及信号采集装置
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种前置放大器及信号采集装置。
背景技术
作为生理信号如心电信号等的采集芯片的关键组成部分，模拟前端电路的前置放大器或者仪表放大器(IA)决定了生理信号采集的质量。
目前，已有的IA主要有三种结构。第一种为如图1(a)所示的经典的三运放的结构，能够实现高的输入阻抗，但是共模抑制比(CMRR)会遭受电阻失配的影响。另外为了保证低噪声，就需要高功耗的放大器；而且低功耗的消耗需要大的电阻，增加了芯片面积。第二种为如图1(b)所示的交流耦合-电容负反馈结构，电阻和电容构成的高通滤波能够完全消除电极失调电压，但是由于制造工艺引起的反馈电容的失配导致共模抑制比的下降，而且会增加更多的芯片面积。第三种为图1(c)所示电流反馈结构，该结构通常需要外加一个环路形成高通滤波来消除电极失调电压，然而此环路对消除失调电压的范围有一定的局限性，失调电压引起的差分输入级的操作点失配影响共模抑制比。另外，此结构的功耗不能满足低功耗的要求,低功耗和高增益需要大的电阻值，会占用过多的芯片面积。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种前置放大器及信号采集装置，其能够减小芯片的体积、减少了电容匹配对共模抑制比的影响。
一种前置放大器，用于对采集的微弱信号进行放大，包括：
放大模块，所述放大模块包括输入电路和全差分输出电路；
所述输入电路的输出端和所述全差分输出电路的输入端连接，且所述全差分输出电路具有两个差模输出端；所述放大模块用于将输入信号放大以获得输出信号；及
共模反馈模块，所述共模反馈模块包括共模反馈回路和源极退化结构的共模反馈回路；所述共模反馈模块与所述放大模块相连，用于抑制所述输出信号的共模增益。
在其中一些实施例中，所述前置放大器还包括：高通滤波模块，所述高通滤波模块的输出端与所述输入电路的输入端相连，用于滤除所述微弱信号中的直流失调电压以获取所述输入信号。
在其中一些实施例中，所述前置放大器还包括：第一斩波模块，所述第一斩波模块的输入端输入所述微弱信号，输出端与所述高通滤波模块相连，用于将所述微弱信号中的噪声信号调制成高频。
在其中一些实施例中，所述前置放大器还包括：第二斩波模块，所述第二斩波模块与所述差模输出端相连，用于将所述输出信号解调至基带频率。
在其中一些实施例中，所述前置放大器还包括：正反馈模块，所述正反馈模块的一端与第一斩波模块的输出端相连，另一端与所述两个差模输出端相连，用于增加所述前置放大器的输入阻抗。
在其中一些实施例中，所述输入电路包括基于反相器结构的输入电路；
所述基于反相器结构的输入电路包括第一PMOS管和第二PMOS管，所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的源极连接到电源电压，所述第一PMOS管的漏极连接到第一NMOS管的漏极，所述第二PMOS管的漏极连接到第二NMOS管的漏极；
所述输入电路的第一输入端连接到所述第一PMOS管和所述第一NMOS管的栅极，所述输入电路的第二输入端连接到所述第二PMOS管和所述第二NMOS管的栅极，形成所述基于反相器结构的输入电路；
所述第一PMOS管的漏极和所述第二PMOS管的漏极形成所述两个差模输出端；
所述第一NMOS管的源极连接到第三NMOS管的漏极，所述第二NMOS管的源极连接到第四NMOS管的漏极；
所述第一PMOS管和所述第一NMOS管的共漏极，所述第二PMOS管和所述第二NMOS管的共漏极，以及所述第三NMOS管和所述第四NMOS管共栅极形成所述输入电路的输出端；
所述第三NMOS管的源极、所述第四NMOS管的源极接地。
在其中一些实施例中，所述输入电路还包括PMOS输入电路，所述PMOS输入电路包括：
第六PMOS管和第七PMOS管的源极连接到电源电压Vdd，所述第六PMOS管的漏极连接到第七NMOS管的漏极，所述第七PMOS管的漏极连接到第八NMOS管的漏极；
所述输入电路的第一输入端连接到所述第六PMOS管和所述第七NMOS管的栅极，所述输入电路的第二输入端连接到所述第七PMOS管和所述第八NMOS管的栅极，形成所述PMOS输入电路；
所述第六PMOS管的漏极和所述第七PMOS管的漏极形成所述两个差模输出端；
所述第六PMOS管的漏极、所述第七PMOS管的漏极和所述第七NMOS管与所述第八NMOS管的共栅极形成所述输入电路的输出端；
所述第七NMOS管与所述第八NMOS管的源极接地。
在其中一些实施例中，所述共模反馈回路包括：
第三PMOS管、第四PMOS管和第五PMOS管的源极连接到电源电压；
所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的漏极连接到第五NMOS管的漏极，所述第五PMOS管的漏极连接到第六NMOS管的漏极；
所述第三PMOS管的栅极、所述第四PMOS管的栅极和所述第五PMOS管的漏极形成所述共模反馈回路的输入端；
所述第五NMOS管的漏极和栅极连接；
所述第五NMOS管的源极和所述第六NMOS管的源极接地。
在其中一些实施例中，所述第三NMOS管的栅极连接到所述第一PMOS管和所述第一NMOS管的共漏极，所述第四NMOS管的栅极连接到所述第二PMOS管和所述第二NMOS管的共漏极，形成所述源极退化结构的共模反馈回路。
一种信号采集装置，其特征在于，所述信号采集装置包括上述的前置放大器。上述的前置放大器和信号采集装置，采集的微弱信号如生理信号先通过前置放大器的第一斩波模块把噪声调制到高频，避免放大低频噪声，经高通滤波模块后消除直流失调电压，最后被放大模块的开环增益放大，正反馈回路增强了输入阻抗，减小微弱信号源内阻造成的失真和误差，也减少了电极失配对共模抑制比的影响，有效降低了芯片的体积。
附图说明
图1为背景技术中涉及的已有的仪表放大器的三种结构示意图；
图2为一些实施例中的前置放大器的结构框图；
图3为一些实施例中的基于反相器的输入电路的放大模块的电路结构图；
图4为一些实施例中的PMOS输入电路的放大模块的电路结构图；
图5为一些实施例中的共模反馈回路的电路结构图；
图6为一些实施例中的前置放大器的电路结构框图；
图7为另一些实施例中的前置放大器的电路结构框图；
图8为一些实施例中的源级退化结构的前置放大器的电路结图；
图9为一些实施例中的前置放大器的结构框图；
图10为一些实施例中的前置放大器的差模增益和共模增益示意图；
图11为一些实施例中的前置放大器的输入参考噪声的示意图；
图12为一些实施例中的前置放大器的输入阻抗示意图；
图13为一些实施例中的信号采集装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，在本发明的一些实施例中，提出一种前置放大器100，该前置放大器100设置于信号采集装置中用于对采集的微弱信号进行放大。微弱信号，主要指声信号、光信号或电信号等消息强度低，既小又弱，不易被接收、感觉到或设备接收的信号。微弱信号是指深埋在背景噪声中的极其微弱的有用信号。随着科学技术的不断发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测(如、弱光、微温差、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视。在本发明的一些实施例中，微弱信号可以是心电(ECG)信号、脑电(EEG)信号等。
前置放大器100包括放大模块10、共模反馈模块20。放大模块10包括输入电路102和全差分输出电路104。输入电路102的输出端和全差分输出电路104的输入端电连接，且全差分输出电路104具有两个差模输出端，这种双端输出的电路结构能抑制共模噪声，增大输出电压摆幅，具有高的线性度。放大模块10用于将输入信号放大以获得输出信号。共模反馈模块20包括共模反馈回路和源极退化结构的共模反馈回路。共模反馈模块20与放大模块10相连，用于抑制输出信号的共模增益
在一些实施例中，放大模块10采用开环结构，放大模块10的开环增益作为前置放大器100的倍数。输入信号由放大模块10开环增益放大，其增益为：其中，gM为晶体管跨导，γ0为放大模块10的输出阻抗。前置放大器100的噪声主要由低频的1/f噪声和高频的热噪声组成，整个电路工作于亚阈值区，输入的参考热噪声Vin为：
为放大模块10的输入热噪声，Camp为输入寄生电容。
在一些实施例中，输入电路102包括基于反相器结构的输入电路，如图3所示的基于反相器结构的输入电路包括第一PMOS管Mp1和第二PMOS管Mp2，第一PMOS管Mp1和第二PMOS管Mp2的源极连接到电源电压Vdd。Mp1的漏极连接到第一NMOS管Mn1的漏极，Mp2的漏极连接到第二NMOS管Mn2的漏极。
输入电路102的第一输入端Vin1连接到Mp1和Mn1的栅极，输入电路102的第二输入端Vin2连接到Mp2和Mn2的栅极，形成基于反相器结构的输入电路。Mp1和Mn1的共漏极、Mp2和Mn2的共漏极形成两个差模输出端Vout1和Vout2。
Mn1的源极连接到第三NMOS管Mn3的漏极，Mn2的源极连接到第四NMOS管Mn4的漏极。Mp1和Mn1的共漏极，Mp2和Mn2的共漏极，以及Mn3和Mn4共栅极形成输入电路102的输出端1、2和3。Mn3和Mn4的源极接地。这种基于反相器结构的输入电路具有更高的增益和更低的输入噪声。
在另一些实施例中，如图4所示，输入电路102包括PMOS输入电路。PMOS输入电路包括：第六PMOS管Mp6和第七PMOS管Mp7的源极连接到电源电压Vdd，Mp6的漏极连接到第七NMOS管Mn7的漏极，Mp7的漏极连接到第八NMOS管Mn8的漏极。输入电路的第一输入端Vin1连接到Mp6和Mn7的栅极，输入电路的第二输入端Vin2连接到Mp7和Mn8的栅极，形成所述PMOS输入电路。Mp6的漏极和Mp7的漏极形成两个差模输出端Vout1和Vout2。Mp6的漏极、Mp7的漏极、Mn7和Mn8的共栅极形成输入电路的输出端1、2和3。Mp7和Mn8的源极接地。
在一些实施例中，如图5所示，共模反馈回路包括：第三PMOS管Mp3、第四PMOS管Mp4和第五PMOS管Mp5的源极连接到电源电压Vdd。Mp3和Mp4的漏极连接到第五NMOS管Mn5的漏极，Mp5的漏极连接到第六NMOS管Mn6的漏极。Mp3的栅极、Mp4的栅极和Mp5的漏极形成共模反馈回路的输入端1、2和3；Mn5的漏极和栅极连接；Mn5的源极和Mn6的源极接地。
Mn5、Mn6、Mp3、Mp4和Mp5构成共模反馈回路。通过放大模块10检测共模输出失调电压Δvo。输入信号Vin经过放大Aov倍得到输出差模电压Vout。当检测到共模失调电压Δvo，将共模失调电压Δvo和参考电压进行比较，误差被放大器(Mn5、Mn6、Mp3、Mp4和Mp5)放大，放大的电压偏置Mn3和Mn4，增加了MOS管的电阻，即前置放大器100的负载电阻，从而抑制共模增益，提高共模抑制比。
在一些实施例中，上述的由放大模块，即基于反相器结构的输入电路和全差分输出电路与共模反馈回路组成的前置放大器如图6所示，Mp1和Mn1的共漏极输出端1连接至共模反馈回路的输入端1，即Mp3的栅极；Mp2和Mn2的共漏极输出端2连接至共模反馈回路的输入端2，即Mp4的栅极；Mn3和Mn4共栅极输出端3连接至共模反馈回路的输入端3，即Mp5的漏极。此设计结构具有低的输入参考噪声，高的线性度，及高的共模抑制比。
在另外一些实施例中，上述的PMOS输入电路和全差分输出电路与共模反馈回路组成的前置放大器如图7所示，Mp6的漏极输出端1连接至共模反馈回路的输入端1即Mp3的栅极；Mp7的漏极输出端2连接至共模反馈回路的输入端2，即Mp4的栅极；Mn7和Mn8的共栅极输出端3连接至共模反馈回路的输入端3，即Mp5的漏极。此结构具有高的线性度和高的共模抑制比。
在另一些实施例中，如图8所示，在上述基于反相器结构的输入电路的基础上，第三NMOS管Mn3的栅极连接到第一PMOS管Mp1和第一NMOS管Mn1的共漏极，第四NMOS管Mn4的栅极连接到第二PMOS管Mp2和第二NMOS管Mn2的共漏极，形成源极退化结构的共模反馈回路。此结构具有低噪声，低功耗，面积小的优势。
在一些实施例中，放大模块10连接共模反馈模块20可以构成如图9所示的核心放大电路。放大模块10和共模反馈模块20与其他模块间(如高通滤波模块30)的连接关系也如图9所示。
在一些实施例中，前置放大器100还包括：高通滤波模块30。高通滤波模块30的输出端与输入电路102的输入端相连，用于滤除微弱信号中的直流失调电压以获取输入信号。如图9所示，为避免沟道饱和，前端的电容C-伪电阻R结构构成了高通滤波模块30，能完全消除电极差异引起的失调电压(DEO)，高通截止频率为：“伪”电阻R具有高阻值，整个放大器仅需要小的电容(～10p)，与传统电容反馈结构相比，有效地节约了硅片面积。
在一些实施例中，前置放大器100还包括：第一斩波模块40。第一斩波模块40的输入端输入微弱信号，输出端与高通滤波模块30相连，用于将微弱信号中的噪声信号调制成高频。例如，如图6所示，将采集的生理信号先利用第一斩波模块40调制到高频避免放大1/f噪声，第一斩波模块40置于电容C前，也能有效地消除电容失配对共模抑制比的影响。在本实施例中，第一斩波模块40采用斩波开关技术实现调制功能。
在一些实施例中，前置放大器100还包括：第二斩波模块50。第二斩波模块50与输出端相连，用于将输出信号解调至基带频率，这样就可以有效地移除低频噪声。如图9所示，在本实施例中，第二斩波模块50采用斩波开关技术实现调制功能。在一些实施例中，前置放大器100还包括：正反馈模块60。正反馈模块60的一端与第一斩波模块40的输出端相连，另一端与放大模块10的输出端相连，用于增加前置放大器100的输入阻抗。例如图9所示，电容Cpf组成的正反馈环路(模块)可以增加前置放大器100的输入阻抗，输入阻抗Zin可以表示为：
其中，Iin为前置放大器100的输入电流，Vin为输入电压。
例如，将前置放大器100在SMIC CMOS0.18-um工艺下设计和仿真，整个前置放大器100的片上电容为10pF。供应电压为1.0V，电路消耗电流约为150nA。图10给出电路的增益-频率响应波特图，前置放大器100的增益为41.8dB，带通频率为0.1Hz～10.4kHz，60Hz的模抑制比为126dB。图11给出了前置放大器100的输入参考噪声密度，输入噪声在频段0.1～10.4kHz为1.93uV，噪声效率因子(NEF)为0.282。图12给出了前置放大器100的仿真输入阻抗，80Hz频率下的输入阻抗约为1GΩ。表1给出了已有的前置放大器的各性能参数的比较，从表中可以看出，本发明实施例的前置放大器100实现了低噪声低功耗，做到了最小的噪声效率因子，具有低输入阻抗和高共模抑制比，整个片上电容值仅需要5pF，只消耗最小的硅片面积，整个前置放大器100实现了各性能参数折中的优化设计。需要说明的是，表中的电容耦合[1]、[2]、[3]表示在不同的参数条件下的放大器的仿真结果。
表1各参数对比表
上述实施例的前置放大器，输入的微弱信号如生理信号先通过第一斩波模块把噪声调制到高频，避免放大低频噪声，经高通滤波模块后消除直流失调电压，最后被放大模块的开环增益放大，正反馈回路增强了输入阻抗，减小微弱信号源内阻造成的失真和误差，也减少了电极失配对共模抑制比的影响，有效降低了芯片的体积。
如图13所示，在另一些实施例中，还提出一种信号采集装置200，该信号采集装置200包括：采集装置202、前置放大器100和微处理器204。
前置放大器100可以参见前述的具体描述，这里不再赘述。关于信号采集装置的其他组成，是本领域普通技术人员容易获得的，在这里也不再赘述。
上述实施例的信号采集装置，采集的微弱信号如生理信号先通过前置放大器的第一斩波模块把噪声调制到高频，避免放大低频噪声，经高通滤波模块后消除直流失调电压，最后被放大模块的开环增益放大，正反馈回路增强了输入阻抗，减小微弱信号源内阻造成的失真和误差，也减少了电极失配对共模抑制比的影响，有效降低了芯片的体积，其可以作为可穿戴式设备的信号采集部分。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
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 (10)

1.一种前置放大器，用于对采集的微弱信号进行放大，其特征在于，包括：
放大模块，所述放大模块包括输入电路和全差分输出电路，且所述输入电路和所述全差分输出电路为纯MOS管电路；
所述输入电路的输出端和所述全差分输出电路的输入端连接，且所述全差分输出电路具有两个差模输出端；所述放大模块用于将输入信号放大以获得输出信号；及
共模反馈模块，所述共模反馈模块包括共模反馈回路和源极退化结构的共模反馈回路；所述共模反馈模块与所述放大模块相连，用于抑制所述输出信号的共模增益。
2.根据权利要求1所述的前置放大器，其特征在于，所述前置放大器还包括：高通滤波模块，所述高通滤波模块的输出端与所述输入电路的输入端相连，用于滤除所述微弱信号中的直流失调电压以获取所述输入信号。
3.根据权利要求2所述的前置放大器，其特征在于，所述前置放大器还包括：第一斩波模块，所述第一斩波模块的输入端输入所述微弱信号，输出端与所述高通滤波模块相连，用于将所述微弱信号中的噪声信号调制成高频。
4.根据权利要求1所述的前置放大器，其特征在于，所述前置放大器还包括：第二斩波模块，所述第二斩波模块与所述差模输出端相连，用于将所述输出信号解调至基带频率。
5.根据权利要求3所述的前置放大器，其特征在于，所述前置放大器还包括：正反馈模块，所述正反馈模块的一端与第一斩波模块的输出端相连，另一端与所述两个差模输出端相连，用于增加所述前置放大器的输入阻抗。
6.根据权利要求1所述的前置放大器，其特征在于，所述输入电路包括基于反相器结构的输入电路；
所述基于反相器结构的输入电路包括第一PMOS管和第二PMOS管，所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的源极连接到电源电压，所述第一PMOS管的漏极连接到第一NMOS管的漏极，所述第二PMOS管的漏极连接到第二NMOS管的漏极；
所述输入电路的第一输入端连接到所述第一PMOS管和所述第一NMOS管的栅极，所述输入电路的第二输入端连接到所述第二PMOS管和所述第二NMOS管的栅极，形成所述基于反相器结构的输入电路；
所述第一PMOS管的漏极和所述第二PMOS管的漏极形成所述两个差模输出端；
所述第一NMOS管的源极连接到第三NMOS管的漏极，所述第二NMOS管的源极连接到第四NMOS管的漏极；
所述第一PMOS管和所述第一NMOS管的共漏极，所述第二PMOS管和所述第二NMOS管的共漏极，以及所述第三NMOS管和所述第四NMOS管共栅极形成所述输入电路的输出端；
所述第三NMOS管的源极、所述第四NMOS管的源极接地。
7.根据权利要求1所述的前置放大器，其特征在于，所述输入电路还包括PMOS输入电路，所述PMOS输入电路包括：
第六PMOS管和第七PMOS管的源极连接到电源电压Vdd，所述第六PMOS管的漏极连接到第七NMOS管的漏极，所述第七PMOS管的漏极连接到第八NMOS管的漏极；
所述输入电路的第一输入端连接到所述第六PMOS管和所述第七NMOS管的栅极，所述输入电路的第二输入端连接到所述第七PMOS管和所述第八NMOS管的栅极，形成所述PMOS输入电路；
所述第六PMOS管的漏极和所述第七PMOS管的漏极形成所述两个差模输出端；
所述第六PMOS管的漏极、所述第七PMOS管的漏极和所述第七NMOS管与所述第八NMOS管的共栅极形成所述输入电路的输出端；
所述第七NMOS管与所述第八NMOS管的源极接地。
8.根据权利要求1所述的前置放大器，其特征在于，所述共模反馈回路包括：
第三PMOS管、第四PMOS管和第五PMOS管的源极连接到电源电压；
所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的漏极连接到第五NMOS管的漏极，所述第五PMOS管的漏极连接到第六NMOS管的漏极；
所述第三PMOS管的栅极、所述第四PMOS管的栅极和所述第五PMOS管的漏极形成所述共模反馈回路的输入端；
所述第五NMOS管的漏极和栅极连接；
所述第五NMOS管的源极和所述第六NMOS管的源极接地。
9.根据权利要求6所述的前置放大器，其特征在于，所述第三NMOS管的栅极连接到所述第一PMOS管和所述第一NMOS管的共漏极，所述第四NMOS管的栅极连接到所述第二PMOS管和所述第二NMOS管的共漏极，形成所述源极退化结构的共模反馈回路。
10.一种信号采集装置，其特征在于，所述信号采集装置包括如权利要求1至9任意一项所述的前置放大器。
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