CN114400880A - 一种适用于双电极的大共模干扰抑制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于模拟集成电路技术领域，特别涉及一种适用于双电极的大共模干扰抑制电路，采用模拟方式实现50/60Hz电源线工频干扰抑制的电路结构。本发明将生物电极的输入共模采集出来，对电荷共享电容进行充电；充电周期结束后，将该电容上的电荷通过电荷重分配电容耦合到生物电极的输入端，大幅减少共模干扰对后级运放输入端的影响，达到抑制共模扰动的目的。本发明有效克服了双电极大共模干扰引起的模拟前端电路饱和的影响。

Description

一种适用于双电极的大共模干扰抑制电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，特别涉及一种适用于双电极的大共模干扰抑制电路，采用模拟方式实现50/60Hz电源线工频干扰抑制的电路结构。
背景技术
由于生物电信号处于人体、环境、生物电极以及采集电路之中，因此想要有效的获取生物电信号需要对各种干扰源进行分析，同时在信号采集系统中对干扰进行抑制或消除。双电极ECG设备因其舒适和长时间的心血管健康监测上的优势得到了广泛应用，但由于没有额外偏置电极，耦合到人体的电源线上共模干扰可高达几十伏特。如此高幅度的共模干扰已经超出后续处理电路的电压轨，使后续电路饱和，丧失电路功能。因此，生物电信号采集前端电路必须对大共模干扰进行有效抑制。
由于工频干扰幅值大于生物电信号，同时频率处于生物电信号频带范围之内，很难通过简单的高通、低通滤波器进行消除，一般通过添加右腿驱动、模拟陷波、数字FIR滤波等方式消除50/60Hz电源线上的工频干扰。添加右腿驱动需要增加额外的电极通道，模拟陷波、数字FIR滤波等方式对大幅度共模干扰抑制效果不佳。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为了克服双电极大共模干扰引起的模拟前端电路饱和的影响，本发明提供了一种适用于双电极的大共模干扰抑制电路，将生物电极的输入共模采集出来，对电荷共享电容进行充电；充电周期结束后，将该电容上的电荷通过电荷重分配电容耦合到生物电极的输入端，达到抑制共模扰动的目的。
一种适用于双电极的大共模干扰抑制电路，包括大共模干扰模型101、生物电极阻抗模型102、电荷共享模块103、电荷重分配模块104和生物电极输入共模提取模块105。
所述大共模干扰模型101产生的共模干扰电压经生物电极阻抗模型102采集信号给电荷共享模块103充电；充电周期结束后，将电荷共享模块103中的电荷通过电荷重分配模块104反馈到生物电极输入共模提取模块105的输入端，以大幅减少共模干扰对后级运放输入端的影响。
进一步的，上述适用于双电极的大共模干扰抑制电路，具体电路结构为：
所述大共模干扰模型101包括干扰源和耦合电容Cc；耦合电容Cc一端连接生物电极阻抗模型102的输入端。
所述生物电极阻抗模型102包括2个并联的电容CEL和2个分别与电容CEL并联的电阻REL，用以模拟干电极采集信号；其输出端分别连接电荷重分配模块104的两个输出端和生物电极输入共模提取模块105的两个输入端。
所述电荷重分配模块104包括两个电荷重分配电容CR，两个CR的输入端分别连接电荷共享模块103中两个支电路中S4的输出端，其输出端分别连接生物电极输入共模提取模块105的两个输入端。
所述电荷共享模块103包括两组并联且相同的支电路，一组支电路包括一个电荷共享电容CS和4个开关S1～S4；其中S1的输入端连接生物电极输入共模提取模块105的输出端，S1的输出端连接电荷共享电容CS的下极板与S2的输出端，S2的输入端连接gnd；电荷共享电容CS的上极板连接S3和S4的输入端，S3的输出端连接gnd，S4的输出端连接电荷重分配模块104的输入端；两个S1作为电荷共享模块103的两个输入端，两个S4作为电荷共享模块103的两个输出端。
所述生物电极输入共模提取模块105包括一对差分伪电阻，一个单位增益缓冲器与一个开关S5；其中，差分伪电阻的两个输入端分别连接电荷重分配模块104的两个输出端，伪电阻的输出端连接单位增益缓冲器的输入端，单位增益缓冲器的输出端连接S5的输入端，S5的输出端连接电荷共享模块103的两个输入端。
进一步的，上述适用于双电极的大共模干扰抑制电路，具体控制逻辑为：
所述大共模干扰模型101产生的共模干扰电压给电荷共享模块103充电，此时开关S1、S3和S5闭合；充电周期结束后，开关S1、S3和S5断开，开关S2、S4闭合，将电荷共享模块103中Cs的电荷通过电荷重分配模块104反馈到生物电极输入共模提取模块105的输入端，以大幅减少共模干扰对后级运放输入端的影响。
进一步的，上述适用于双电极的大共模干扰抑制电路，应用于生物电信号采集系统。
综上所述，本发明将生物电极的输入共模采集出来，对电荷共享电容进行充电；充电周期结束后，将该电容上的电荷通过电荷重分配电容耦合到生物电极的输入端，大幅减少共模干扰对后级运放输入端的影响，达到抑制共模扰动的目的。本发明有效克服了双电极大共模干扰引起的模拟前端电路饱和的影响。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明大共模干扰输入信号示意图；
图3为本发明抑制后的输出信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
如附图1所示，在电荷共享模块103中和生物电极输入共模提取模块105中含有开关，其控制时钟可设为100kHz。在实施例中，电荷共享模块103中Cs的容值设计为200pF，电荷重分配模块104中CR的容值设计为10nF。需要注意的是，Cs和CR的容值设计与大共模干扰模型101中电容Cc和生物电极阻抗模型102中电容CEL有关，Cs应与Cc和CEL串联的容值相当，CR应与Cc和CEL并联的容值相当。
首先，开关S1、S3和S5闭合，生物电极输入共模提取模块105将提取的共模电压对电荷共享模块103中Cs充电。充电完成以后，开关S1、S3和S5断开，开关S2、S4闭合，将电荷共享模块103中Cs的电荷通过电荷重分配模块104反馈到生物电极输入共模提取模块105的输入端，从而抑制大共模干扰模型101产生的共模扰动。
如附图2所示，共模干扰输入信号设定为峰峰值30V的正弦信号，经过大共模干扰抑制电路后输出信号如附图3所示，可以看到，实施例中的大共模干扰抑制电路可将共模干扰抑制150倍以上。
上述实施例的大共模干扰抑制电路适用于各类生物电信号采集系统中。
虽然本发明的大共模干扰抑制电路内容已经以实例的形式公开如上，然而并非用以限定本发明，如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种适用于双电极的大共模干扰抑制电路，其特征在于：包括大共模干扰模型101、生物电极阻抗模型102、电荷共享模块103、电荷重分配模块104和生物电极输入共模提取模块105；
所述大共模干扰模型101产生的共模干扰电压经生物电极阻抗模型102采集信号给电荷共享模块103充电；充电周期结束后，将电荷共享模块103中的电荷通过电荷重分配模块104反馈到生物电极输入共模提取模块105的输入端，以大幅减少共模干扰对后级运放输入端的影响。
2.如权利要求1所述适用于双电极的大共模干扰抑制电路，其特征在于：
所述大共模干扰模型101包括干扰源和耦合电容Cc；耦合电容Cc一端连接生物电极阻抗模型102的输入端；
所述生物电极阻抗模型102包括2个并联的电容CEL和2个分别与电容CEL并联的电阻REL；其输出端分别连接电荷重分配模块104的两个输出端和生物电极输入共模提取模块105的两个输入端；
所述电荷重分配模块104包括两个电荷重分配电容CR，两个CR的输入端分别连接电荷共享模块103中两个支电路中S4的输出端，其输出端分别连接生物电极输入共模提取模块105的两个输入端；
所述电荷共享模块103包括两组并联且相同的支电路，一组支电路包括一个电荷共享电容CS和4个开关S1～S4；其中S1的输入端连接生物电极输入共模提取模块105的输出端，S1的输出端连接电荷共享电容CS的下极板与S2的输出端，S2的输入端连接gnd；电荷共享电容CS的上极板连接S3和S4的输入端，S3的输出端连接gnd，S4的输出端连接电荷重分配模块104的输入端；两个S1作为电荷共享模块103的两个输入端，两个S4作为电荷共享模块103的两个输出端；
所述生物电极输入共模提取模块105包括一对差分伪电阻，一个单位增益缓冲器与一个开关S5；其中，差分伪电阻的两个输入端分别连接电荷重分配模块104的两个输出端，伪电阻的输出端连接单位增益缓冲器的输入端，单位增益缓冲器的输出端连接S5的输入端，S5的输出端连接电荷共享模块103的两个输入端。
3.如权利要求2所述适用于双电极的大共模干扰抑制电路，其特征在于：
所述大共模干扰模型101产生的共模干扰电压经生物电极阻抗模型102采集信号给电荷共享模块103充电，此时开关S1、S3和S5闭合；充电周期结束后，开关S1、S3和S5断开，开关S2、S4闭合，将电荷共享模块103中Cs的电荷通过电荷重分配模块104反馈到生物电极输入共模提取模块105的输入端，以大幅减少共模干扰对后级运放输入端的影响。
4.如权利要求1所述适用于双电极的大共模干扰抑制电路，其特征在于：应用于生物电信号采集系统。
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