CN110581691A

CN110581691A - 生物医疗传感器接口芯片模拟前端泄漏电流补偿电路

Info

Publication number: CN110581691A
Application number: CN201810596349.4A
Authority: CN
Inventors: 赵龙; 其他发明人请求不公开姓名
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-12-17

Abstract

本发明公开了一种属于模拟集成电路领域的用于生物医疗传感器接口芯片模拟前端的泄漏电流补偿电路。其结构包括：输出共模电压检测器、误差放大器、泄漏电流补偿器。误差放大器对泄漏电流进行实时监测，利用反馈回路动态调节泄漏电流补偿器的控制电压，从而实现对多种泄漏电流的补偿，避免因泄漏电流引起错误直流工作点而造成的性能下降。本发明在多种工艺、电压、温度条件下能够保证模拟前端性能稳定，对工艺没有特殊要求，同时，满足较宽的输入共模电压范围要求。

Description

生物医疗传感器接口芯片模拟前端泄漏电流补偿电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种用于生物医疗传感器接口芯片模拟前端的泄漏电流补偿电路。

背景技术

生物医疗接口芯片中，其模拟前端通常需要集成高通滤波功能，以避免由输入直流失调造成的读出电路输出饱和。面对小带宽的生物医疗信号，模拟前端的高通角在1 Hz范围以下，需要很大的RC时间常数。为了减小片上电容面积和芯片面积，需要高达特拉欧姆（TΩ）级别的超高阻值电阻。基于MOS的伪电阻成为了构成TΩ级别电阻的主流方式。

图1展示了一种普遍用于生物医疗接口芯片的带有基于MOS伪电阻的模拟前端电路。此模拟前端由两级构成：仪表放大器（IA级）和可编程增益放大器（PGA级）。IA级采用电容负反馈构成本级的放大，利用伪电阻的超高电阻值将高通滤波器的转角频率设定在1 Hz以下。PGA级与IA采用交流耦合方式连接，进一步减小输入直流失调。PGA级的反馈电容可以采用数字方式控制连入反馈网络的电容值大小，从而对本级增益进行调节。

然而，反馈网络中的超高电阻值使得各种泄漏电流不可忽略。该模拟前端电路中主要存在两种泄漏电流。一种是来自于基于MOS的伪电阻，即I_dio。图2显示了基于MOS的伪电阻电路和二极管连接的MOS器件剖面图。伪电阻采用两个二极管连接的PMOS背靠背连接构成，PMOS的体端与源端相连以改善伪电阻的线性度。从器件剖面图可见，对于PMOS而言，在N阱与P型衬底之间形成了一个寄生二极管，二极管的正极与P型衬底相连，负极与PMOS源级A节点相连，于是产生了从A节点到地的反偏二极管泄漏电流。另一种泄漏电流来自于仪表放大器IA输入差分对MOS器件的栅极漏电，即I_gate-p。在生物医疗信号获取电路中，为减小占有主导因素的闪烁噪声，通常会设计尺寸极大的输入差分对管，因此产生了较大的栅极泄漏电流。两种电流的差为ΔI，将流经伪电阻，从而在仪表放大器IA的负输入端和输出端产生压降。由于伪电阻的超高电阻值，该压降很容易造成仪表放大器IA输出饱和，从而降低了仪表放大器IA的直流增益，使得IA级的闭环增益随之下降。

一种消除伪电阻泄漏电流的方法是在节点A处增加一个冗余的深N阱NMOS器件。该器件与伪电阻的PMOS尺寸相同，偏置相同，连接方式相反，利用其寄生二极管的泄漏电流补偿伪电阻寄生二极管的泄漏。然而这种方法存在一些限制。首先，IA级的输入共模电压被锁定在电源电压的一半，降低了设计自由度，同时增加了低电源电压电路的设计难度。第二，需要工艺提供P阱，这使得该方法不适用与普遍的单N阱工艺。第三，来自于仪表放大器IA的输入差分对栅极泄漏电流无法进行有效地补偿，特别是在不同工艺、电压和温度条件下，难以根据环境情况自发地补偿泄漏电流。

针对上述泄漏电流造成的问题，本发明提出了一种用于生物医疗传感器接口芯片模拟前端的泄漏电流补偿电路。该电路能够同时对伪电阻寄生二极管反偏泄漏电流和仪表放大器IA输入MOS器件栅极泄漏电流进行补偿，在各种工艺、电压和温度条件下表现出稳定的补偿性能，同时，对输入共模电压没有限制。该电路表现出良好的有效性、健壮性以及灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提出用于生物医疗传感器接口芯片模拟前端的泄漏电流补偿电路，有效抑制多种泄漏电流；

另一目的在于消除现存方法对电路的诸多限制，在不同工艺、电压、温度以及输入共模电压条件下，能够稳定地消除泄漏电流。

为实现以上目的，本发明提出如下技术方案：

一种用于生物医疗传感器接口芯片模拟前端的泄漏电流补偿电路，包括第一前馈放大器、第一反馈网络、第二前馈放大器、第二反馈网络、差分输入信号，一个误差放大器、一个泄漏电流补偿器，一个输出共模电压检测器，其中：

所述输出共模电压检测器检测第一前馈放大器和第二前馈放大器的输出端口的电压，产生输出共模电压；

所述误差放大器将输出共模电压和标称输出共模电压的误差放大，产生泄漏电流补偿器的控制电压；

所述泄漏电流补偿器受控制电压控制，产生补偿用泄漏电流，抵消第一前馈放大器和第二前馈放大器负输入端口的泄漏电流。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1 是用于生物医疗接口芯片的带有基于MOS伪电阻的模拟前端电路。

图2 是基于MOS的伪电阻电路和二极管连接的MOS器件剖面图。

图3 是表示本发明的实施例的补偿泄漏电流的电路图。

图4 是未补偿泄漏电流的IA级和带有本发明的实施例的已补偿泄漏电流的IA级的泄漏电流的工艺角仿真。

图5是未补偿泄漏电流的IA级和带有本发明的实施例的已补偿泄漏电流的IA级的闭环增益的工艺角仿真。

图6 是带有本发明的实施例的IA级的泄漏电流、闭环增益与输入共模电压之间的关系。

具体实施方式

一种实施例如附图3所示，其中所有的NMOS管用“NM+数字”代替，所有的PMOS管用“PM+数字”代替，电路中的节点表示均以附图3中的表示为准。

实施例由下列部分构成：

电阻分压器，包括晶体管PM1、PM2；

误差放大器或跨导放大器OTA；

泄漏电流补偿单元构，包括晶体管NM1、NM2；

晶体管PM1、PM2为PMOS管，晶体管NM1、NM2为NMOS管。

一组NMOS器件NM1、NM2的栅极分别与IA1、IA2的负输入端相连，利用NM1、NM2的栅极漏电补偿IA级电路的泄漏电流。泄漏电流的检测等效于对IA输出失调的检测。IA输出的共模电压利用一个电阻分压器进行提取。为了避免仪表放大器IA的直流增益衰减以及对瞬态输出造成的负面影响，电阻分压器中的超高电阻采用二极管连接的PMOS器件PM1和PM2实现。OTA作为误差放大器检测IA的输出失调，并且产生相应的偏置电压控制NM1、NM2。通过负反馈环路，使得I_gate-n=I_gate-p-I_dio，从而消除泄漏电流。

本发明具有以下优点：

（1）输入共模范围宽，仅需保证在不同条件下，NMOS器件NM1、NM2能够提供足够的补偿电流；

（2）电路中的所有器件均可以采用单N阱CMOS工艺实现，避免了对特殊工艺的要求；

（3）能够补偿基于MOS的伪电阻泄漏电流和IA输入差分管栅极泄漏电流；

（4）电路面积和功耗代价低。OTA可以设计在低功耗的亚阈值区。

将本实施例集成在附图1所示的IA级电路中，电容比为49:1，即IA级闭环增益为50（33.98 dB）。为了减小闪烁噪声，IA的输入差分对尺寸为720μm/6μm，产生的栅极泄漏电流约为600 fA。附图4显示了600 mV共模电压输入条件下，IA级泄漏电流的工艺角仿真。工艺角数量为135种，包含5种MOS工艺（tt, ff, ss, fnsp, snfp）、3种电容工艺（mim_tt, mim_ff, mim_ss）、3种电源电压（1.14V, 1.2V, 1.26V）以及3种温度（-40度，27度，125度）。采用本实施例的IA级泄漏电流减小为0.62 fA，标准差为0.36，泄漏电流实现了99.8%的改善。假如伪电阻阻值为10 TΩ，IA的输出失调仅为6.2 mV。IA级闭环增益的工艺角仿真如图5所示。采用本实施例的IA级闭环增益改善为33.53 dB，标准差为0.16。通过工艺角仿真，显示了本发明的可靠性。

IA级泄漏电流、闭环增益与输入共模电压关系的仿真结果如图6所示。采用本实施例时，电源电压1.2V情况下，在输入共模电压400 mV ~ 800 mV范围内，泄漏电流限制在2fA以下。显示了本发明适用于具有较宽输入共模电压范围的设计，能够为低电源电压设计提供更多的自由度。

以上通过实施例对本发明进行了详细说明，不能认为本发明仅限于以上的说明。对于本发明所属的技术领域的人员来说，在不脱离本发明的发明思路的前提下，在具体实施方式及应用场合上均会有改变之处，但均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于生物医疗传感器接口芯片模拟前端的泄漏电流补偿电路，包括：第一前馈放大器、第一反馈网络、第二前馈放大器、第二反馈网络、差分输入信号；所述第一前馈放大器的端口由一个正输入端口、一个负输入端口和一个输出端口组成；所述第二前馈放大器的端口由一个正输入端口、一个负输入端口和一个输出端口组成；所述第一反馈网络的输入端为第一前馈放大器的输出端口，输出端为第一前馈放大器的负输入端口，第一反馈网络中包含一个跨接的伪电阻；所诉第二反馈网络的输入端为第二前馈放大器的输出端口，输出端为第二前馈放大器的负输入端口，第二反馈网络中包含一个跨接的伪电阻；所述差分输入信号的第一信号进入第一前馈放大器的正输入端口，第二信号进入第二前馈放大器的正输入端口；

其特征在于，还包括一个误差放大器、一个泄漏电流补偿器，一个输出共模电压检测器，其中：

所述误差放大器的端口由一个正输入端口、一个负输入端口和一个输出端口组成，输出共模电压进入正输入端口，标称输出共模电压进入负输入端口，输出端口产生泄漏电流补偿器的控制电压；

2.根据权利要求1所述的用于生物医疗传感器接口芯片模拟前端的泄漏电流补偿电路，其特征在于，所述输出共模电压检测器为一个电阻分压器，由第一晶体管和第二晶体管组成；第一晶体管和第二晶体管为同种类型；第一晶体管的栅极、源极、体端相连，同时作为第一输入与第一前馈放大器的输出相连；第二晶体管的栅极、源极、体端相连，同时作为第二输入与第二前馈放大器的输出相连；第一、第二晶体管的漏极相连，作为输出。

3.根据权利要求1所述的用于生物医疗传感器接口芯片模拟前端的泄漏电流补偿电路，其特征在于，所述泄漏电流补偿器，由第一晶体管和第二晶体管组成；第一晶体管和第二晶体管为同种类型；第一、第二晶体管的源极、漏极、体端相连，作为输入接受控制电压；第一晶体管的栅极作为第一输出与第一前馈放大器的负输入端相连；第二晶体管的栅极作为第二输出与第二前馈放大器的负输入端相连。