CN108134582B - 一种模拟前端电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟前端电路，包括电容耦合运放电路，还包括负反馈运放模块和反馈电容模块；负反馈运放模块的输入端与电容耦合运放电路的输出端连接，负反馈运放模块的输出端与反馈电容模块的输入端连接，反馈电容模块的输出端与电容耦合运放电路的输入端连接；负反馈运放模块用于产生反馈电流，反馈电容模块用于调整反馈电流小于电容耦合运放电路的输入电流。本发明的模拟前端系统通过增加负反馈运放模块和反馈电容模块形成负反馈回路，并由负反馈回路产生的反馈电流来提供流入主放大器的部分电流，可见，本发明通过负反馈回路的分流，使得电极端提供的电流大大减小，有效地增大了模拟前端电路的输入阻抗，提高了模拟前端电路的性能。

Description

一种模拟前端电路
技术领域
本发明涉及信号的提取和检测技术领域，特别是涉及一种模拟前端电路。
背景技术
生物医学信号是很重要的信号，对于人体健康状况的分析有着重要的意义，例如，心电、脑电、体温、血压、脉博和呼吸等。生物医学信号一般都是低频、低幅度电压或电流信号，其频率范围大致分布在几Hz至几KHz，幅度分布范围为几十μV至几十mV。在获取这些生物医学信号时极易受医疗设备、探测台以及周围环境的干扰，因而从伴随着大量噪声的环境中提取有效的生物医学信号具有很大的挑战性。模拟前端电路作为生物医学信号采集的一个非常关键的模块，即将模拟前端电路集成生物医学芯片后采集生物医学信号，其性能直接决定了采集的生物医学信号的质量。因此，基于生物医学信号采集的模拟前端电路的设计对于生物医学的发展有着十分重要的意义。
传统的模拟前端电路为电容耦合运放电路，如图1所示，电容耦合运放电路包括主放大器A和输入电容Cin，生物医学信号经过输入电容Cin滤波，再通过主放大器A将信号放大后输出，电路的输入阻抗可由下式计算。
Figure BDA0001558611800000011
显然，电路的输入阻抗由输入电容Cin决定，当信号频率为50Hz，输入电容Cin设置为350pF时，输入阻抗近似为10MΩ。而由于受集成芯片面积的限制，输入电容不可能做得很大，因此导致电路输入阻抗很低。然而，皮肤与电极界面的接触阻抗也在MΩ量级，即电路的输入阻抗与接触阻抗接近，从而导致模拟前端电路的CMRR(Common Mode RejectionRatio，共模抑制比)下降，当人体运动，例如呼吸或吞咽等，引起皮肤与电极之间的接触变化时就会造成运动伪影，从而影响运放的性能，也就降低了模拟前端电路的性能，最终导致获得的生物医学信号质量变差。可见，由于生物医学信号的独特性，传统的模拟前端电路在生物医学领域难以满足要求。
因此，如何提供一种能解决上述技术问题的方案，是本领域的技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟前端电路，通过增加负反馈运放模块和反馈电容模块形成负反馈回路，并通过负反馈回路的分流，使得电极端提供的电流大大减小，有效地增大了模拟前端电路的输入阻抗，提高了模拟前端电路的性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟前端电路，包括电容耦合运放电路，还包括负反馈运放模块和反馈电容模块；
所述负反馈运放模块的输入端与所述电容耦合运放电路的输出端连接，所述负反馈运放模块的输出端与所述反馈电容模块的输入端连接，所述反馈电容模块的输出端与所述电容耦合运放电路的输入端连接；
所述负反馈运放模块用于产生反馈电流，所述反馈电容模块用于调整所述反馈电流小于所述电容耦合运放电路的输入电流。
优选地，所述反馈电流大于电极端流入所述电容耦合运放电路的电流。
优选地，所述负反馈运放模块包括反馈放大器、第一电阻和第一电容，所述反馈放大器的反相端作为所述负反馈运放模块的输入端，所述反馈放大器的同相端连接参考电压，所述反馈放大器的输出端作为所述负反馈运放模块的输出端；
所述第一电阻的第一端和所述第一电容的第一端均与所述反馈放大器的反相端连接，所述第一电阻的第二端和所述第一电容的第二端均与所述反馈放大器的输出端连接。
优选地，所述负反馈放大器为交流耦合放大器。
优选地，所述反馈电容模块包括第二电容，所述第二电容的第一端作为所述反馈电容模块的输入端，所述第二电容的第二端作为所述反馈电容模块的输出端。
优选地，所述反馈电容模块还包括第三电容，所述第三电容与所述第二电容并联；
所述第二电容的第一端和所述第三电容的第一端的公共端作为所述反馈电容模块的输入端，所述第二电容的第二端和所述第三电容的第二端的公共端作为所述反馈电容模块的输出端。
优选地，所述第三电容与所述第二电容之和小于所述电容耦合运放电路中输入电容与主放大器的增益的比值。
优选地，所述模拟前端电路还包括第四电容，所述第四电容用于对所述负反馈运放模块的输入信号进行滤除直流成分处理，所述第四电容的第一端与所述电容耦合运放电路的输出端连接，所述第四电容的第二端与所述负反馈运放模块的输入端连接。
本发明提供了一种模拟前端电路，包括电容耦合运放电路，还包括负反馈运放模块和反馈电容模块；负反馈运放模块的输入端与电容耦合运放电路的输出端连接，负反馈运放模块的输出端与反馈电容模块的输入端连接，反馈电容模块的输出端与电容耦合运放电路的输入端连接；负反馈运放模块用于产生反馈电流，反馈电容模块用于调整反馈电流小于电容耦合运放电路的输入电流。
本发明的模拟前端系统通过增加负反馈运放模块和反馈电容模块形成负反馈回路，并由负反馈回路产生的反馈电流来提供流入主放大器的部分电流，通过这种方式，可以使得由电极端进入电容耦合运放电路的电流减小，从而相当于模拟前端电路的输入阻抗增大，并通过反馈电容模块调整反馈电流小于电容耦合运放电路的输入电流，以保证反馈电流不会向电极端回流，从而保证模拟前端电路的稳定性，可见，本发明通过负反馈回路的分流，使得电极端提供的电流大大减小，有效地增大了模拟前端电路的输入阻抗，提高了模拟前端电路的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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为现有技术中的一种电容耦合运放电路的结构示意图；
图2为本发明所提供的一种模拟前端电路的结构示意图；
图3为本发明所提供的另一种模拟前端电路的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种模拟前端电路，通过增加负反馈运放模块和反馈电容模块形成负反馈回路，并通过负反馈回路的分流，使得电极端提供的电流大大减小，有效地增大了模拟前端电路的输入阻抗，提高了模拟前端电路的性能。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图2，图2为本发明所提供的一种模拟前端电路的结构示意图，包括电容耦合运放电路，还包括负反馈运放模块1和反馈电容模块2；
负反馈运放模块1的输入端与电容耦合运放电路的输出端连接，负反馈运放模块1的输出端与反馈电容模块2的输入端连接，反馈电容模块2的输出端与电容耦合运放电路的输入端连接；
负反馈运放模块1用于产生反馈电流，反馈电容模块2用于调整反馈电流小于电容耦合运放电路的输入电流。
具体地，如图1所示，电容耦合运放电路中包括主放大器A、输入电容Cin、电阻Rf和电容Cf，将输入电容Cin的第一端作为电容耦合运放电路的输入端，将主放大器A的输出端作为电容耦合运放电路的输出端，电容耦合运放电路能够保证生物医学信号有效地耦合到后续的信号处理电路中，同时能够屏蔽电极端给生物医学信号带来的直流偏压，然而，电容耦合运放电路的输入阻抗会因输入电容而减小，使得模拟前端电路的性能降低，本发明同样采用了交流耦合的主放大器设计，在此基础上解决该电路的缺点。
针对现有技术中电容耦合运放电路的问题，本发明引入了负反馈环路来提高输入阻抗，本发明的负反馈环路如图3所示，该负反馈环路包括负反馈运放模块1以及反馈电容模块2。其工作过程大致如下：由电极端流入电容耦合运放电路的电流记为Iin，主放大器A的输入电流记为I，主放大器A的输出经由负反馈运放模块1放大后产生反馈电流If，上述三种电流的关系如下式所示：
Iin＝I-If
可见，增加负反馈环路后，电流Iin减小，当Vin不变时，模拟前端电路的输入阻抗增大，理想情况下，若负反馈环路产生的反馈电流If与主放大器A的输入电流I相等，则电流由电极端流入电容耦合运放电路的电流为零，也就实现了模拟前端电路的输入阻抗无穷大。为保证负反馈环路的稳定性，If与I并不完全相同，而是输入电流I的一部分，并且通过反馈电容模块2来限制反馈电流If小于输入电流I，这种情况下，虽然Iin不为零，却由于If的分流作用而大大减小，仍然实现了输入阻抗增大的目的。
需要说明的是，负反馈环路形成了分流回路，它的结构可以为但不限于上述结构，本发明在此不做限定。
本发明提供了一种模拟前端电路，包括电容耦合运放电路，还包括负反馈运放模块和反馈电容模块；负反馈运放模块的输入端与电容耦合运放电路的输出端连接，负反馈运放模块的输出端与反馈电容模块的输入端连接，反馈电容模块的输出端与电容耦合运放电路的输入端连接；负反馈运放模块用于产生反馈电流，反馈电容模块用于调整反馈电流小于电容耦合运放电路的输入电流。
本发明的模拟前端系统通过增加负反馈运放模块和反馈电容模块形成负反馈回路，并由负反馈回路产生的反馈电流来提供流入主放大器的部分电流，通过这种方式，可以使得由电极端进入电容耦合运放电路的电流减小，从而相当于模拟前端电路的输入阻抗增大，并通过反馈电容模块调整反馈电流小于电容耦合运放电路的输入电流，以保证反馈电流不会向电极端回流，从而保证模拟前端电路的稳定性，可见，本发明通过负反馈回路的分流，使得电极端提供的电流大大减小，有效地增大了模拟前端电路的输入阻抗，提高了模拟前端电路的性能。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选的实施例，反馈电流大于电极端流入电容耦合运放电路的电流。
具体地，当反馈电流If大于电极端流入电容耦合运放电路的电流Iin时，输入阻抗增大效果更好，实际应用中有多种电极模型，为了减少开发的代价，需要针对最坏的情况(即接触阻抗最大)进行电路设计，即保证采集生物医学信号的前端电路的输入阻抗远远大于最坏情况下人体与电极的接触阻抗，这样接触阻抗就可以忽略不计，有利于提高采集的生物医学信号的质量。因此，为了使输入阻抗远远大于接触阻抗，反馈电流必须尽可能远大于Iin，使得Iin很小，从而大大减小电极端的电流，提高模拟前端电路的性能。
作为一种优选的实施例，负反馈运放模块1包括反馈放大器、第一电阻R1和第一电容C1，反馈放大器的反相端作为负反馈运放模块1的输入端，反馈放大器的同相端连接参考电压，反馈放大器的输出端作为负反馈运放模块1的输出端；
第一电阻R1的第一端和第一电容C1的第一端均与反馈放大器的反相端连接，第一电阻R1的第二端和第一电容C1的第二端均与反馈放大器的输出端连接。
具体地，负反馈模块的一种优选结构如图3所示，其中，反馈放大器将输出信号放大，可以增大反馈电流，第一电阻R1可以给反馈放大器提供合适的直流偏置点，使反馈放大器可以正常工作；第一电容C1可以给反馈放大器提供反馈回路，使负反馈回路稳定。需要说明的是，负反馈运放模块1可以为上述结构，也可以为其它结构，本发明在此不做限定。
可见，本发明由负反馈回路产生的反馈电流来提供流入主放大器的大部分电流，通过这种方式，可以使得由电极端进入电容耦合运放电路的电流大大减小，从而相当于模拟前端电路的输入阻抗很大，提高了模拟前端电路的性能。
作为一种优选的实施例，负反馈放大器为交流耦合放大器。
具体地，考虑到直流分量对模拟前端电路会有影响，从而造成采集的生物医学信号不准确，负反馈放大器采用交流耦合放大器，当然，负反馈放大器也可以为其它，本发明在此不做限定。
作为一种优选的实施例，反馈电容模块2包括第二电容C2，第二电容C2的第一端作为反馈电容模块2的输入端，第二电容C2的第二端作为反馈电容模块2的输出端。
具体地，为了避免负反馈回路的反馈电流过大造成反馈电流向电极端回流，从而导致模拟前端电路不稳定，在负反馈回路中增加反馈电容模块2，相应地，反馈电容模块2的结构可以为一个电容，也可以为其它，本发明在此不做限定。
作为一种优选的实施例，反馈电容模块2还包括第三电容C3，第三电容C3与第二电容C2并联；
第二电容C2的第一端和第三电容C3的第一端的公共端作为反馈电容模块2的输入端，第二电容C2的第二端和第三电容C3的第二端的公共端作为反馈电容模块2的输出端。
具体地，本发明所提供的另一种反馈电容模块2的结构如图3所示，其中，C2为粗调电容，C3为细调电容，C2的电容大于C3的电容。当反馈电容模块2为上述结构时，增加负反馈环路后的电路输入阻抗计算如下：
Figure BDA0001558611800000071
式中，G为主放大器的增益，Zin为原始输入阻抗(背景技术中已说明)，Zin-boost为加入负反馈环路后的电路输入阻抗。由此可知，当电容C2与C3之和与Cin/G相等时，Zin-boost为无穷大。令β为Zin-boost与Zin之比，则β为阻抗增大因子，则β可由下式来表示，
Figure BDA0001558611800000072
可见，当C2与C3之和大于0时，β大于1，因此，本发明有效地增大了模拟前端电路的输入阻抗，提高了模拟前端电路的性能。
需要说明的是，除了上述结构外，反馈电容模块2的结构还可以为其它，本发明在此不做限定。
作为一种优选的实施例，第三电容C3与第二电容C2之和小于电容耦合运放电路中输入电容与主放大器的增益的比值。
具体地，为保证负反馈环路的稳定性，即保证Iin>0，则应使β始终大于零，由上述公式可知，当
Figure BDA0001558611800000081
时，Iin＝0，因此，负反馈环路中反馈电容模块2的电容最大值不超过输入电容与主放大器的增益的比值，这样就可以保证负反馈环路的稳定性。
作为一种优选的实施例，模拟前端电路还包括第四电容C4，第四电容C4用于对负反馈运放模块1的输入信号进行滤除直流成分处理，第四电容C4的第一端与电容耦合运放电路的输出端连接，第四电容C4的第二端与负反馈运放模块1的输入端连接。
具体地，为了避免直流成分的干扰，在负反馈环路的前端增加第四电容C4，此时，增加负反馈环路后的电路输入阻抗计算如下：
Figure BDA0001558611800000082
可见，第四电容C4对输入阻抗的影响可以忽略不计，它可以滤除直流成分的干扰，从而提高模拟前端电路的性能，当然，也可以通过其他方式来滤除直流成分，本发明在此不做限定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个······”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种模拟前端电路，包括电容耦合运放电路，其特征在于，还包括负反馈运放模块和反馈电容模块；
所述负反馈运放模块的输入端与所述电容耦合运放电路的输出端连接，所述负反馈运放模块的输出端与所述反馈电容模块的输入端连接，所述反馈电容模块的输出端与所述电容耦合运放电路的输入端连接；
所述负反馈运放模块用于产生反馈电流，所述反馈电容模块用于调整所述反馈电流小于所述电容耦合运放电路的输入电流；
所述反馈电流大于电极端流入所述电容耦合运放电路的电流；
所述电容耦合运放电路中包括主放大器(A)、输入电容(Cin)、电阻(Rf)和电容(Cf)，所述输入电容(Cin)的第一端作为所述电容耦合运放电路的输入端，所述主放大器(A)的输出端作为所述电容耦合运放电路的输出端，所述输入电容(Cin)的第二端作与所述电容耦合运放电路的反相输入端连接，所述电阻(Rf)和电容(Cf)均并联在所述输入电容(Cin)的第二端与所述主放大器(A)的输出端之间。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述负反馈运放模块包括反馈放大器、第一电阻和第一电容，所述反馈放大器的反相端作为所述负反馈运放模块的输入端，所述反馈放大器的同相端连接参考电压，所述反馈放大器的输出端作为所述负反馈运放模块的输出端；
所述第一电阻的第一端和所述第一电容的第一端均与所述反馈放大器的反相端连接，所述第一电阻的第二端和所述第一电容的第二端均与所述反馈放大器的输出端连接。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述负反馈放大器为交流耦合放大器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电路，其特征在于，所述反馈电容模块包括第二电容，所述第二电容的第一端作为所述反馈电容模块的输入端，所述第二电容的第二端作为所述反馈电容模块的输出端。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述反馈电容模块还包括第三电容，所述第三电容与所述第二电容并联；
所述第二电容的第一端和所述第三电容的第一端的公共端作为所述反馈电容模块的输入端，所述第二电容的第二端和所述第三电容的第二端的公共端作为所述反馈电容模块的输出端。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述第三电容与所述第二电容之和小于所述电容耦合运放电路中输入电容与主放大器的增益的比值。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述模拟前端电路还包括第四电容，所述第四电容用于对所述负反馈运放模块的输入信号进行滤除直流成分处理，所述第四电容的第一端与所述电容耦合运放电路的输出端连接，所述第四电容的第二端与所述负反馈运放模块的输入端连接。
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