CN111162738A - 一种带纹波抑制功能的仪表放大器 - Google Patents

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彭琬凌
周雄
李强
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    • H03F1/26—Modifications of amplifiers to reduce influence of noise generated by amplifying elements

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Abstract

仪表放大器是生物医疗电子系统模拟前端的最重要的组成部分，负责过滤和预放大其中微弱的生物电信号，它直接影响了采集到的生物电信号的质量。本发明提出一种的带纹波抑制功能的仪表放大器，其应用于生物医疗前端属于模拟集成电路技术领域，具体为核心的放大器中加上一个电容电阻结构实现输入为直流时，核心运放增益为负；输入为交流时核心运放增益为足够高正增益，从而对直流干扰信号实现抑制,在仪表放大器输出端表现为纹波抑制，从而使低频噪声和失调对信号采集的影响最小化，提高了生物电信号采集系统中模拟前端电路的性能。

Description

一种带纹波抑制功能的仪表放大器
技术领域
本发明提出一种应用于生物医疗前端的带纹波抑制功能的仪表放大器，属于模拟集成电路技术领域，具体为一个斩波稳定的仪表放大器，其核心的放大器中加上一个电容电阻结构实现输入为直流时核心运放增益为负、输入为交流时核心运放增益为较高正增益，从而对放大器直流失调信号实现抑制,直流失调信号经过调制后的纹波对仪表放大器输出信号的影响大大降低，在仪表放大器输出端表现为纹波抑制。
背景技术
随着社会总体财富的逐年增长以及个人生活水平的提高，人们的消费观念生活观念也在发生改变，人民对便于携带的小型医疗设备需求日益增长。同时一个典型的例子，对于部分具有突发性的心脏病的监控，需要不间断地对患者的心电信号进行监测，以实时预测病情的发作并及时提供救治。对于传统的医疗机构，对人体生物电信号的检测依赖于笨重的、市电供电的设备，限制了患者的人身自由，同时有较大的使用成本，不能实现普及。最后当前我国存在医疗资源分配严重不均的问题，部分地区医疗资源不完备不发达，人民的需求不能得到满足，远程医疗应需求而生却受限于技术。随着5G技术的日臻成熟，数据的实时性将得到极大的保障，远程医疗的实现成为现实，同时远程医疗对终端硬件设备的需求提升到新的层次，对检测前端的准确性要求进一步上升。
为了满足上述需求，切实有效地解决目前医疗现状中的困点难点，必须有便携式医疗检测设备、可穿戴式医学监控设备及高质量的医疗检测设备。以上三种设备实现的关键在于常的生理信号监控电路的构成主要有电极、模拟前端、模拟信号处理、模数转换器、数字信号处理器和射频模块。用于生物电信号采集的模拟前端决定着整个系统的信号的质量，负责信号检测和预处理是系统中最为重要的部分之一。
在实际中，模拟前端通常由一个专用的仪表放大器实现，其作为生物电信号采集前端中的主要部分，负责过滤和预放大其中微弱的生物电信号。仪表放大器是生物医疗电子系统模拟前端的最重要的组成部分，它直接影响了采集到的生物电信号的质量。生物信号属于低频的微弱自然信号，具有输入阻抗该、幅值小、噪声信号较强、基线漂移影响严重的特点。对仪表放大器有高输入阻抗、高增益、高CMRR、低噪声、低漂移的要求。
在生物电信号采集系统中，模拟前端电路会受到外部的干扰信号的影响。生物电信号一般为几赫兹到几百赫兹的低频信号，而低频下的输入噪声主要为1/f噪声和直流失调。1/f噪声称为闪烁噪声(flicker noise)，主要是由栅氧和衬底界面之间的缺陷引起的。采用斩波技术可以减小放大器的闪烁噪声转角频率，但被调制的直流失调也会在输出产生波纹。波纹会减小模拟前端的可用线性波动范围，影响放大器的正常工作，为了抑制这些波纹，需要引入相应的波纹减小技术。
因此为了使低频噪声和失调对信号采集的影响最小化，需要引入相应的纹波抑制技术，从而提高电路动态范围，提高生物电信号采集系统中模拟前端电路的性能。
发明内容
本发明要解决的是在生物医疗模拟前端中核心运放输入端的直流失调电压和闪烁噪声在放大器输出端产生的显著波纹。这些波纹会减小输出端的可用线性波动范围，影响放大器的正常工作。仪表放大器是模拟前端中最重要的部分，仪表放大器不能正常工作将危及整个模拟前端。本发明通过采用斩波调制技术及创新仪表放大器核心运放的结构，实现了利用斩波器滤除低频噪声的同时，利用仪表放大器核心运放抑制直流失调，免除了外加纹波抑制回路的需要，提升了仪表放大器前端的动态范围。
本发明提出一种应用于生物医疗前端的带纹波抑制功能的仪表放大器，用于提高仪表放大器前端的动态范围。本方法采用的电路包括了带闭环负反馈通路的仪表放大器，斩波器和直流伺服回路。该电路通过在核心运放中接入电阻电容结构，将一个低通的开环运放变成一个直流增益为负的带通运放，同时通过闭环负反馈将通频带高增益的放大器变成一个带有负反馈的通频带稳定增益的仪表放大器。此外，本电路采用斩波调制技术实现对放大器失调和闪烁噪声干扰的消除以及一个负反馈回路消除斩波电路产生的直流剩余失调。
一种应用于生物医疗前端的带纹波抑制功能的仪表放大器，该电路如下所述。
本发明的仪表放大器采用斩波调制技术，使用一个斩波频率为fch的斩波器把输入电压信号转换到失调较小的高频段，调制后的信号和放大器输入失调同时被放大，放大后通过第二级斩波器将信号重新调回至基带，失调留在高频段，最后通过低通滤波器(LPF)滤波，最终的输出电压中不包含失调电压。
本发明的仪表放大器核心运放为具有带通特性的一级运放，在核心运放输出端接入电阻电容结构。此结构的作用是，在核心运放输入信号为直流信号时，电容等效断路，从输出看等效为小电阻，则核心运放的放大倍数也较低；当输入信号为生物信号所在频段时，电容等效短路接地，核心运放等效为一个套筒式运放，则从输出看等效为大电阻，具有较大的放大倍数。经过电阻电容结构的高通特性，实现对放大器直流失调的抑制。
本仪表放大器核心运放外接电容负反馈回路，将所需频率内的仪表放大器的放大倍数稳定在一个固定值。同时，外接一个负反馈回路，消除斩波电路中的非理想性的尖峰会在输出端产生一个直流的剩余失调，以及来自于前方电极的直流失调。
附图说明
图1为带纹波抑制功能的仪表放大器的核心运放的电路图。
图2为带纹波抑制功能的仪表放大器的整体电路图。
具体实施方式
下面结合附图，详述本发明的技术方案和细节。
该方案的核心运放为一个套筒式结构的单级运算放大器如图1所示，运算放大器的正负输出端Voutn和Voutp分别与电阻R1、电阻R2的一端相接，电阻R1、电阻R2的另一端与MOS管M7、MOS管M8的门极相连，MOS管M7、MOS管M8的栅极通过电容C1、C2接到地。因此，本方案在输入Vin+、输入Vin-为直流信号时，电容C1、电容C2可视为断路，由于电阻R1、电阻R2为大电阻，MOS管M7与MOS管M8的栅极电位近似为MOS管M5、 MOS管M6的漏极电位，故等效输出电阻为跨导分之一数量级的小电阻，即核心运放的直流放大倍数为极小，对直流信号表现为抑制。本方案在输入Vin+、输入Vin-输入频率为几十赫兹以上的交流信号时，电容不可视为断路，根据交流小信号模型可得等效输出电阻为大电阻，即在该情况下可提供极高的增益和足够的带宽以满足闭环负反馈的要求。通过该方案，该核心运放体现出带通特性，能对输入的直流信号实现抑制，即可对输入核心运放直流失调进行抑制，最终体现为对输出纹波的抑制，提升电路动态范围。
该方案仪表放大器的整体电路如图2所示，Amp1为图1所示核心运放。生物信号经过一个斩波器Ch1输入Amp1，经过Amp1，输入信号得到放大，直流失调被抑制，再经过输出所接的斩波器Ch2低频噪声被调制到高频，信号被调制回低频。仪表放大器的正输出端 Vo+、负向输出端Vo-分别与斩波器Ch3的正/负输入端相连，Ch3的正/负输出端分别通过电容 C3和电容C4与核心运放的负/正输入端相连，电容C1及电容C2共同构成负反馈回路稳定仪表放大器放大倍数。
该方案仪表放大器含第二条负反馈通路如图2所示，由运算放大器Amp2、电阻R1、电阻R2及电容C3、电容C4构成的积分器和斩波器Ch4、电容C5、电容C6共同构成该负反馈回路(直流伺服回路)。其中积分器放大仪表放大器输出端的直流信号，斩波器Ch4将被放大的直流信号调制，电容C7、电容C8将调制的信号反馈到仪表放大器的虚地端，积分器会持续积分直到仪表放大器输出端的直流失调信号被消除。

Claims (4)

1.本发明提出一种应用于生物医疗前端的带纹波抑制功能的仪表放大器，用于提高生物医疗前端的动态范围，并实现正常的生物信号处理，其特征在于，还包括：
电容构成的闭环负反馈通路，用于提供稳定的增益和带宽；
采用斩波调制技术，消除放大器的低频噪声；
具有带通特性的核心运放，用于抑制仪表放大器的输出纹波；
直流伺服回路，用于消除斩波电路引入的直流剩余失调以及电极直流失调电压。
2.根据权利要求1所述的一种应用于生物医疗前端的带纹波抑制功能的仪表放大器，其特征在于，所述仪表放大器采用斩波调制技术，使用一个斩波频率为fch的斩波器把输入电压信号转换到失调较小的高频段，调制后的信号和放大器输入失调同时被放大，放大后通过第二级斩波器将信号重新调回至基带，失调留在高频段，把低频信号与低频噪声区分开，最后通过低通滤波器(LPF)滤波，最终得到比较干净的经过放大的输入信号。
3.根据权利要求1所述的一种应用于生物医疗前端的带纹波抑制功能的仪表放大器，其特征在于，所述仪表放大器采用一个直流伺服回路，直流伺服回路由积分器、电容及斩波器组成；其中积分器放大仪表放大器输出端的直流信号，斩波器将被放大的直流信号调制，电容将调制的信号反馈到仪表放大器的虚地端，积分器会持续积分直到仪表放大器输出端的直流失调信号被消除。
4.根据权利要求1所述的一种应用于生物医疗前端的带纹波抑制功能的仪表放大器，其特征在于，所述的仪表放大器核心运放具有带通特性，其结构为在核心运放输出端接入一个电容电阻结构，利用电容的导通交流隔绝直流的特性，使核心运放在不同频率呈现出不同的等效输出阻抗，即在不同频率核心运放的放大倍数不同；最终实现当输入为直流信号时，核心运放增益为负，当输入为交流信号时，在所需频段，核心运放为满足要求的较大正增益，同时通过外接电容负反馈电路实现稳定所需频段放大倍数；即，放大器直流失调经过核心运放后得到抑制，而生物信号经过核心运放得到正常放大，因此，放大器直流失调影响大大降低，体现为对输出纹波的抑制。
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CN114533087A (zh) * 2022-04-28 2022-05-27 之江实验室 一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的方法及系统

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