CN106877830B - 一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路 - Google Patents

一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，包括：放大器100和逐次逼近模数转换器110，其中，放大器100用于将生理电势信号放大，逐次逼近模数转换器110用于将放大后的生理电势信号转换为数字码，输出给数字信号处理平台。本发明的技术方案，共模通路1001a产生输入共模电压Vcm，Vcm通过共模通路1001b对跨导放大器进行偏置，使跨导放大器的输入晶体管工作在亚阈值区；输入电容Cin1与反馈电容Cf的比值形成放大器的闭环增益；输入电容Cin2将输入共模结点与跨导放大器负向输入端隔离；反馈通路1004与跨导放大器构成闭环增益级结构；反馈通路具有高通特性，滤除了生理电势信号中的直流失调电压，实现了放大器的全集成。

Description

一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路
技术领域
本发明涉及涉及CMOS模拟集成电路设计领域，具体涉及一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路。
背景技术
近年来，穿戴式医用设备随着微电子技术和生物监测技术的发展，逐渐进入到人们的日常生活中。作为穿戴式医用设备核心芯片中的首级电路和重要组成部分，模拟前端电路的功耗、信噪比等性能直接决定了系统的工作时长和检测精度。
生理电势信号的频率通常低于500Hz，信号幅度仅有数百微伏。由于生理电势信号中都包含有几十毫伏到数百毫伏的直流失调电压。因此，为了滤除该直流失调电压，传统设计都需要在模拟前端的输入端串联一个隔直电容。但该电容值一般在10微法以上，面积极大，无法实现电容与芯片的单片集成。同时为了满足芯片中数字信号处理的要求，模拟前端中的模数转换器需要具有至少10bit的有效精度。更为重要的是，穿戴式设备都采用电池供电，放大器和模数转换器必须进行低功耗设计，以满足长时间的待机需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，以解决现有技术中：1)由于使用隔直流电容而无法实现电容与芯片的单片集成问题；2)放大器功耗高的问题；3)模数转换器采样精度和低功耗要求之间的矛盾。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，包括：放大器100和逐次逼近模数转换器110，其中，
所述放大器100用于将生理电势信号放大，所述逐次逼近模数转换器110用于将放大后的生理电势信号转换为数字码，输出给一数字信号处理平台；
其中，所述放大器100包括跨导放大器、输入电容Cin1、输入电容Cin2、共模通路1001a、共模通路1001b、输入通路1002、输出通路1003、反馈通路1004，其中，输入信号通过输入通路1002与输入电容Cin1的一个极板相连，输入电容Cin1的另一个极板与跨导放大器的正相输入端连接；共模通路1001a的一端外接电源，另一端通过输入电容Cin2与跨导放大器的反相输入端连接；共模通路1001b并联在输入电容Cin2的两端；输出通路1003连接在跨导放大器的输出端，反馈通路1004的一端与跨导放大器的正相输入端连接，另一端与输出通路1003连接。
优选地，所述共模通路1001a包括：电阻R1、R2和R3，其中，电阻R1和R2串联在电源和地之间；电阻R3的一端连接在电阻R1和R2之间，另一端与输入电容Cin2连接。
优选地，所述电阻R1、R2和R3的阻值相等。
优选地，所述共模通路1001b包括：共模输入电容Cb、场效应管M1和M2，其中，场效应管M1和M2串联，串联后的电路与共模输入电容Cb并联。
优选地，所述反馈通路1004包括：反馈电容Cf、场效应管M3和M4，其中，场效应管M3和M4串联，串联后的电路与反馈电容Cf并联。
优选地，所述跨导放大器包括：NMOS晶体管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5，PMOS晶体管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5，其中，
NMOS晶体管NM5的栅极和漏极相连后外接偏置电流Iin，源极接地；NMOS晶体管NM4的栅极与NMOS晶体管NM5的栅极相连，源极接地，漏极与PMOS晶体管PM3的漏极相连；PMOS晶体管PM3的栅极与漏极相连，形成二极管连接，源极接电源VDD；PMOS晶体管PM4的栅极与PM3栅级相连，输入偏置电压，源极接电源VDD，漏极连接到PMOS输入晶体管PM1和PM2的源极；PMOS晶体管PM1和PM2的栅极分别输入负向输入信号VIN和正向输入信号VIP，PMOS晶体管PM1的漏极连接到NMOS晶体管NM1的漏极，PMOS晶体管PM2的漏极连接到NMOS晶体管NM2的漏极；NM1的栅极和漏极相连，构成二极管连接，源极接地；NM2的栅极与NM1的栅极相连，源极接地；PMOS晶体管PM5的源极接电源VDD，栅极与PMOS晶体管PM4的栅极相连，漏极接NMOS晶体管NM3的漏极；NMOS晶体管NM3的漏极与PMOS晶体管PM5的漏极相连，栅极与NM2的漏极相连，源极接地；
其中，PMOS晶体管PM5的漏极为所述跨导放大器的输出端Vo。
优选地，所述跨导放大器还包括：补偿电容Cc和补偿电阻Rc，其中，补偿电容Cc和补偿电阻Rc串联，串联后的电路一端与NMOS晶体管NM2的漏极相连，另一端与NMOS晶体管NM3的漏极相连。
优选地，所述跨导放大器还包括负载电容CL，负载电容CL的一个极板连接在所述跨导放大器的输出端Vo，另一个极板接地；所述负载电容CL用于调节所述跨导放大器的带宽。
优选地，所述PMOS晶体管PM1和PM2工作在亚阈值区。
优选地，所述NMOS晶体管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5的结构和型号相同，PMOS晶体管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5的结构和型号相同。
本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
可以理解的是，本发明提供的这种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，共模通路1001a产生输入共模电压Vcm，输入共模电压Vcm通过共模通路1001b对跨导放大器进行偏置，使得跨导放大器的输入晶体管工作在亚阈值区；输入电容Cin1与反馈电容Cf的比值形成放大器的闭环增益；输入电容Cin2将输入共模结点与跨导放大器负向输入端隔离；反馈通路1004与跨导放大器构成闭环增益级结构；反馈通路具有高通特性，滤除了生理电势信号中的直流失调电压，解决了芯片外串联隔直电容的问题，实现了放大器的全集成。
另外，本发明提供的这种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，通过在跨导放大器中使用工作在亚阈值区的输入晶体管PM1和PM2，使得PM1、PM2具有很低的功耗，而其余晶体管又工作在饱和区，保证了电路的稳定性；通过在模拟前端中采用逐次逼近模数转换器，可以在极低的功耗下对生理电势信号直接进行量化、编码，输出至数字信号处理平台进行处理；实践证明，本发明提供的这种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，输出信号精度达到78dB以上，在实现电路极低功耗的同时获得了10bit以上的信噪比输出，具有精度高、可靠性强、功耗低等优点，适用于生理电势信号检测芯片的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路的电路原理图；
图2为本发明一实施例提供的跨导放大器的电路原理图；
图3为本发明一实施例提供的用于生理电势信号检测的模拟前端电路在电源电压为1.8V，输入信号为频率为45Hz、幅度为600μV的正弦信号，时钟频率为1.25kHz时的输出信号频谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
参见图1，本发明一实施例提供的一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，包括：放大器100和逐次逼近模数转换器110，其中，
所述放大器100用于将生理电势信号放大，所述逐次逼近模数转换器110用于将放大后的生理电势信号转换为数字码，输出给一数字信号处理平台；其中，
参见图2，所述放大器100包括跨导放大器、输入电容Cin1、输入电容Cin2、共模通路1001a、共模通路1001b、输入通路1002、输出通路1003、反馈通路1004，其中，输入信号通过输入通路1002与输入电容Cin1的一个极板相连，输入电容Cin1的另一个极板与跨导放大器的正相输入端连接；共模通路1001a的一端外接电源，另一端通过输入电容Cin2与跨导放大器的反相输入端连接；共模通路1001b并联在输入电容Cin2的两端；输出通路1003连接在跨导放大器的输出端，反馈通路1004的一端与跨导放大器的正相输入端连接，另一端与输出通路1003连接。
可以理解的是，采用逐次逼近模数转换器，能够节约功耗，实现10bit以上的输出信噪比。
优选地，所述共模通路1001a包括：电阻R1、R2和R3，其中，电阻R1和R2串联在电源和地之间；电阻R3的一端连接在电阻R1和R2之间，另一端与输入电容Cin2连接。
优选地，所述电阻R1、R2和R3的阻值相等。
优选地，所述共模通路1001b包括：共模输入电容Cb、场效应管M1和M2，其中，场效应管M1和M2串联，串联后的电路与共模输入电容Cb并联。
优选地，所述反馈通路1004包括：反馈电容Cf、场效应管M3和M4，其中，场效应管M3和M4串联，串联后的电路与反馈电容Cf并联。
可以理解的是，本发明提供的这种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，共模通路1001a产生输入共模电压Vcm，输入共模电压Vcm通过共模通路1001b对跨导放大器进行偏置，使得跨导放大器输入晶体管工作在亚阈值区，具有极小的功耗；输入电容Cin1与反馈电容Cf的比值形成放大器的闭环增益；输入电容Cin2将输入共模结点与跨导放大器负向输入端隔离；反馈通路1004与跨导放大器构成闭环增益级结构；反馈通路具有低频截止频率，形成高通特性，滤除了生理电势信号中的直流失调电压，实现了放大器的全集成。当放大器输入正弦波信号时，反馈通路1004滤除其中的直流成分，只保留其中的交流分量，并通过共模通路1001b施加新的直流共模成分。放大器将正弦波信号放大Cin1/Cf倍，输出以共模电压Vcm为中心的正弦波信号。
优选地，所述跨导放大器包括：NMOS晶体管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5，PMOS晶体管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5，其中，
NMOS晶体管NM5的栅极和漏极相连后外接偏置电流Iin，源极接地；NMOS晶体管NM4的栅极与NMOS晶体管NM5的栅极相连，源极接地，漏极与PMOS晶体管PM3的漏极相连；PMOS晶体管PM3的栅极与漏极相连，形成二极管连接，源极接电源VDD；PMOS晶体管PM4的栅极与PM3栅级相连，输入偏置电压，源极接电源VDD，漏极连接到PMOS输入晶体管PM1和PM2的源极；PMOS晶体管PM1和PM2的栅极分别输入负向输入信号VIN和正向输入信号VIP，PMOS晶体管PM1的漏极连接到NMOS晶体管NM1的漏极，PMOS晶体管PM2的漏极连接到NMOS晶体管NM2的漏极；NM1的栅极和漏极相连，构成二极管连接，源极接地；NM2的栅极与NM1的栅极相连，源极接地；PMOS晶体管PM5的源极接电源VDD，栅极与PMOS晶体管PM4的栅极相连，漏极接NMOS晶体管NM3的漏极；NMOS晶体管NM3的漏极与PMOS晶体管PM5的漏极相连，栅极与NM2的漏极相连，源极接地；
其中，PMOS晶体管PM5的漏极为所述跨导放大器的输出端Vo。
优选地，所述跨导放大器还包括：补偿电容Cc和补偿电阻Rc，其中，补偿电容Cc和补偿电阻Rc串联，串联后的电路一端与NMOS晶体管NM2的漏极相连，另一端与NMOS晶体管NM3的漏极相连。
优选地，所述跨导放大器还包括负载电容CL，负载电容CL的一个极板连接在所述跨导放大器的输出端Vo，另一个极板接地；所述负载电容CL用于调节所述跨导放大器的带宽。
优选地，所述PMOS晶体管PM1和PM2工作在亚阈值区。
可以理解的是，PMOS输入晶体管PM1和PM2设置为工作在亚阈值区，功耗极低，降低了整体电路的功耗，
优选地，所述NMOS晶体管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5的结构和型号相同，PMOS晶体管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5的结构和型号相同。
优选地，所述逐次逼近模数转换器可以例化为10bit/1.25kHz逐次逼近模数转换器结构。其输入信号为被放大Cin/Cf倍的，以共模电压Vcm为中心的正弦波信号，经过逐次逼近模数转换器的量化、编码，输出标准的二进制数字码。
为了进一步阐明本发明的要义以及本发明的有益技术效果，特选取电源电压为1.8V，输入信号频率为45Hz、幅度为600μV的正弦信号，时钟频率为1.25kHz输入到本发明提供的这种用于生理电势信号检测的模拟前端电路进行验证。图3为根据本发明提供的这种用于生理电势信号检测的模拟前端电路输出信号的频谱分析结果。如图3所示，采用本发明提供的这种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，对上述输入信号经过放大后，10bit/1.25kHz逐次逼近模数转换器输出的频谱分析结果显示输出信噪比在78dB以上，有效精度9.4bit，功耗仅有76微瓦，技术效果良好。
综上所述，本发明提供的这种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，具有以下优点：(1)采用放大器以及逐次逼近模数转换器结构，放大器通过内置的反馈通路形成高通信号通路，消除了生理电势信号中的直流失调电压，解决了芯片外串联隔直电容的问题，实现了电路的全集成；(2)通过在跨导放大器中使用工作在亚阈值区的输入晶体管PM1和PM2，使得PM1、PM2具有很低的功耗，而其余晶体管又工作在饱和区，保证了电路的稳定性；(3)通过在模拟前端中采用逐次逼近模数转换器，可以在极低的功耗下对生理电势信号直接进行量化、编码，输出至数字信号处理平台进行处理；(4)整体模拟前端电路输出信号精度达到78dB以上，在实现电路极低功耗的同时获得了10bit以上的信噪比输出，具有精度高、可靠性强、功耗低等优点，适用于生理电势信号检测芯片的应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

Claims (9)

1.一种用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，包括：放大器(100)和逐次逼近模数转换器(110)，其中，
所述放大器(100)用于将生理电势信号放大，所述逐次逼近模数转换器(110)用于将放大后的生理电势信号转换为数字码，输出给一数字信号处理平台；
其中，所述放大器(100)包括跨导放大器、输入电容Cin1、输入电容Cin2、第一共模通路(1001a)、第二共模通路(1001b)、输入通路(1002)、输出通路(1003)、反馈通路(1004)，其中，输入信号通过输入通路(1002)与输入电容Cin1的一个极板相连，输入电容Cin1的另一个极板与跨导放大器的正相输入端连接；第一共模通路(1001a)的一端外接电源，另一端通过输入电容Cin2与跨导放大器的反相输入端连接；第二共模通路(1001b)并联在输入电容Cin2的两端；输出通路(1003)连接在跨导放大器的输出端，反馈通路(1004)的一端与跨导放大器的正相输入端连接，另一端与输出通路(1003)连接；
所述跨导放大器包括：NMOS晶体管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5，PMOS晶体管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5，其中，所述PMOS晶体管PM1和PM2工作在亚阈值区。
2.根据权利要求1所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，所述第一共模通路(1001a)包括：电阻R1、R2和R3，其中，电阻R1和R2串联在电源和地之间；电阻R3的一端连接在电阻R1和R2之间，另一端与输入电容Cin2连接。
3.根据权利要求2所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，所述电阻R1、R2和R3的阻值相等。
4.根据权利要求1所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，所述第二共模通路(1001b)包括：共模输入电容Cb、场效应管M1和M2，其中，场效应管M1和M2串联，串联后的电路与共模输入电容Cb并联。
5.根据权利要求1所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，所述反馈通路(1004)包括：反馈电容Cf、场效应管M3和M4，其中，场效应管M3和M4串联，串联后的电路与反馈电容Cf并联。
6.根据权利要求1～5任一项所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，其中，
NMOS晶体管NM5的栅极和漏极相连后外接偏置电流Iin，源极接地；NMOS晶体管NM4的栅极与NMOS晶体管NM5的栅极相连，源极接地，漏极与PMOS晶体管PM3的漏极相连；PMOS晶体管PM3的栅极与漏极相连，形成二极管连接，源极接电源VDD；PMOS晶体管PM4的栅极与PM3栅级相连，输入偏置电压，源极接电源VDD，漏极连接到PMOS输入晶体管PM1和PM2的源极；PMOS晶体管PM1和PM2的栅极分别输入负向输入信号VIN和正向输入信号VIP，PMOS晶体管PM1的漏极连接到NMOS晶体管NM1的漏极，PMOS晶体管PM2的漏极连接到NMOS晶体管NM2的漏极；NM1的栅极和漏极相连，构成二极管连接，源极接地；NM2的栅极与NM1的栅极相连，源极接地；PMOS晶体管PM5的源极接电源VDD，栅极与PMOS晶体管PM4的栅极相连，漏极接NMOS晶体管NM3的漏极；NMOS晶体管NM3的漏极与PMOS晶体管PM5的漏极相连，栅极与NM2的漏极相连，源极接地；
其中，PMOS晶体管PM5的漏极为所述跨导放大器的输出端Vo。
7.根据权利要求6所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，所述跨导放大器还包括：补偿电容Cc和补偿电阻Rc，其中，补偿电容Cc和补偿电阻Rc串联，串联后的电路一端与NMOS晶体管NM2的漏极相连，另一端与NMOS晶体管NM3的漏极相连。
8.根据权利要求6所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，所述跨导放大器还包括负载电容CL，负载电容CL的一个极板连接在所述跨导放大器的输出端Vo，另一个极板接地；所述负载电容CL用于调节所述跨导放大器的带宽。
9.根据权利要求6所述的用于生理电势信号检测的模拟前端电路，其特征在于，所述NMOS晶体管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5的结构和型号相同，PMOS晶体管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5的结构和型号相同。
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