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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架构的全动态工频干扰抑制电路。本发明采用两个差分伪电阻将生物电极的输入共模电平采集出来，使用动态运放cascoded FIA对电荷共享电容CS进行充电；充电周期结束后，将该电容上的电荷通过开关管S4耦合到生物电极的输入端产生与工频干扰电平相反的电平位移，从而达到抑制共模扰动的目的；动态运放cascoded FIA仅在充电周期中开启的特点消除了静态电流。本发明这种全动态的工作模式，在克服了双电极工频干扰引起的模拟前端电路饱和影响的同时降低了功耗。

Description

一种适用于双电极架构的全动态工频干扰抑制电路
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架构的全动态工频干扰抑制电路。
背景技术
心电信号ECG（Electrocardiogram）幅值小、频率低（幅值典型值大小为1mV、频谱范围0.1-150Hz），极易受到环境中各种干扰的影响，其中最主要的影响为50/60Hz工频干扰，若不采用专用的共模干扰抑制电路电源线将会在输入端耦合一个幅值大小为数十伏的共模电平，这也会使得后续电路的输入端饱和进而导致其无法正常工作。
由于50/60Hz工频干扰的幅值远大于心电信号的幅值，且其频率处于心电信号的频带之内，很难通过滤波器如模拟陷波器或数字FIR滤波器进行抑制。一种常用的方式是采用带右腿驱动电路的三电极架构，但这种架构会极大地影响佩戴者的舒适度，从而不利于长时间的监测；为了实现更加舒适的可穿戴式心电监测设备，常采用低功耗、具有大共模干扰抑制作用的双电极架构模拟采集前端，但双电极架构的模拟采集前端需要结构更加复杂的共模干扰抑制模块。
发明内容
针对上述存在的问题或不足，本发明为了在克服双电极架构中由工频干扰引起的模拟前端电路饱和影响的同时降低功耗，提出了一种适用于双电极架构的全动态工频干扰抑制电路，该电路将生物电极的输入共模电平采集出来，使用动态运放cascoded FIA对电荷共享电容CS进行充电；充电周期结束后，将该电容上的电荷通过开关管S4耦合到生物电极的输入端产生与工频干扰电平相反的电平位移，从而达到抑制共模扰动的目的。动态运放cascoded FIA仅在充电周期中开启，从而消除了静态电流，这种全动态的工作模式相比较于之前的技术大大降低了功耗。
本发明的技术方案为：
一种适用于双电极架构的全动态工频干扰抑制电路，包括大共模干扰模块101、生物电极阻抗模块102、电荷共享模块103和生物电极输入共模提取模块104。
所述大共模干扰模块101包含共模正弦信号干扰源以及耦合电容CC，共模正弦信号干扰源一端接地，另一端接耦合电容CC，耦合电容CC的另一端同时接生物电极阻抗模块102的两个输入端。
所述生物电极阻抗模块102由于采用双电极架构，为两路相同的支路，其中每条支路将电极等效电容CEL和电极等效电阻REL并联后，以两支路的一端作为输入端接耦合电容CC的输出端，两支路的另一端作为生物电极阻抗模块102的输出端分别接电荷共享模块103的两个输出端以及生物电极输入共模提取模块104的两个输入端。
所述电荷共享模块103包括相同的两支路，每一条支路均包括一个电荷共享电容CS及开关组S1-S4；两支路的两个开关S1的一端分别作为电荷共享模块103的两个输入端并一起与生物电极输入共模提取模块104的输出端连接，两支路的两个开关S4的一端分别作为电荷共享模块103的两个输出端并分别与生物电极输入共模提取模块104的两个输入端连接。
在每条支路中，开关S1的一端作为电荷共享模块103的一路输入端与生物电极输入共模提取模块104的输出端连接，另一端接电荷共享电容CS的上极板；开关S3的一端与电荷共享电容CS的下极板相连，另一端连接至gnd；开关S2的一端与电荷共享电容CS的上极板相连，另一端连接至gnd；开关S4的一端作为电荷共享模块103的一路输出端连接至生物电极输入共模提取模块104的一路输入端，另一端与电荷共享电容CS的下极板相连。
两支路的开关组均由两相非交叠控制信号φ 1 与φ 2 进行控制，φ 1 有效而φ 2 无效时开关S1、S3和S5闭合而S2、S4断开；φ 2 有效而φ 1 无效时开关S2、S4闭合而S1、S3和S5断开。
所述生物电极输入共模提取模块104包括两个差分伪电阻、一个开关S5以及一个单位增益缓冲器；其中两个差分伪电阻的一端分别作为生物电极输入共模提取模块104的两个输入端分别连接至电荷共享模块103的两个输出端S4，另一端均与单位增益缓冲器的输入端连接；单位增益缓冲器的一端作为输入端接两个差分伪电阻，另一端作为输出端接开关S5的一端；开关S5的一端接单位增益缓冲器的输出端，另一端作为生物电极输入共模提取模块104的输出端同时连接至电荷共享模块103的两个输入端。
进一步的，所述单位增益缓冲器采用电压跟随器连接方式的动态运放cascodedFIA实现。
cascoded FIA包括一个存储电容CR，四个由φ 1 控制的开关S11、S12、S13、S14，四个由φ 2 控制的开关S21、S22、S23、S24、S25、S26，两对PMOS管Mp1、Mp2和Mcp1、Mcp2以及两对NMOS管Mn1、Mn2和Mcn1、Mcn2，所有的MOS管均将源极与衬底短接。
其中存储电容CR的上极板接开关S21的输出端及开关S11的输入端，CR的下极板接开关S22的输出端及开关S12的输入端，开关S21的输入端接Vdd，开关S22的输出端接地；PMOS管Mp1和Mp2的源极共同连接至开关S11的输出端、漏极分别连接至Mcp1和Mcp2的源极，NMOS管Mn1和Mn2的源极共同连接至开关S12的输出端、漏极分别连接至Mcn1和Mcn2的源极，输入管Mn1和Mp1的栅极连接在一起后接开关S13的输出端以及开关S23的输入端，另一对输入管Mn2和Mp2的栅极连接在一起后接开关S14的输出端以及开关S24的输入端，开关S13与开关S14的输入端分别接cascoded FIA的正负输入端Vi+与Vi-，开关S23与开关S24的输入端均接共模电平VCM；Mcn1和Mcp1的漏极连接在一起后作为cascoded FIA的负输出端VO-连接至开关S25的输出端，Mcn1和Mcp1的栅极接共模电平VCM；Mcn2和Mcp2的漏极连接在一起后作为cascoded FIA的正输出端VO+连接至开关S26的输出端，Mcn2和Mcp2的栅极接共模电平VCM。
本发明中将cascoded FIA的负输入端Vi-与正输出端VO+短接作为单位增益缓冲器的输出端，将cascoded FIA的正输入端Vi+作为单位增益缓冲器的输入端，对cascoded FIA使用这种电压跟随器的接法来实现动态的单位增益缓冲器。
本发明的控制逻辑是：
充电周期开始（φ 1 有效而φ 2 无效）即开关S1、S3和S5闭合而S2、S4断开时，由单位增益缓冲器对两个电荷共享电容CS充电；
充电周期结束（φ 2 有效而φ 1 无效）即开关S1、S3和S5断开而S2、S4闭合时，两个电荷共享电容Cs中的电荷被分别反馈至生物电极输入共模提取模块104的两个输入端，此工作过程大幅减小了共模干扰的影响。除此之外由cascoded FIA构成的单位增益缓冲器消除了静态功耗从而实现了系统“全动态”的工作模式，这在很大程度上降低了功耗。
综上所述，本发明采用两个差分伪电阻将生物电极的输入共模电平采集出来，使用动态运放cascoded FIA对电荷共享电容CS进行充电；充电周期结束后，将该电容上的电荷通过开关管S4耦合到生物电极的输入端产生与共模干扰电平相反的电平位移，达到了抑制共模扰动的目的。动态运放cascoded FIA仅在充电周期中开启的特点消除了静态电流，本发明中这种全动态的工作模式相比较于现有技术大大降低了功耗。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为实施例cascoded FIA电路原理图；
图3为实施例cascoded FIA PAC仿真结果；
图4为实施例cascoded FIA瞬态仿真结果；
图5为实施例大共模干扰抑制电路输入信号与抑制后输出信号示意图。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图，进一步详细说明本发明。
一种适用于双电极的全动态工频干扰抑制电路（如附图1所示），本实施例中两相非交叠控制信号φ 1 与φ 2 的工作频率设为125kHz，在实际模型中耦合电容CC的容值为220pF、电极等效电容CEL为10nF、电极等效电阻REL阻值为1MΩ；电荷共享电容CS容值设为16pF、伪电阻阻值设为1TΩ。
其中，单位增益缓冲器采用电压跟随器连接方式的cascoded FIA实现，cascodedFIA的电路原理图如附图2所示。
cascoded FIA的工作状态由两相非交叠控制信号φ 1 与φ 2 控制。当φ 1 有效而φ 2 无效时，电源对其存储电容CR（20pF）充电至其两端电压为Vdd，与此同时和两个输入端Vim、Vip相对应的两个cascoded反相器的输入端与输出端均接共模电平VCM=0.5Vdd，此时反相器停止工作。
而当φ 1 无效而φ 2 有效时，存储电容CR进入放电状态，cascoded FIA进入放大状态，但随着放电过程的进行CR上极板的电位逐渐下降而其下极板的电位逐渐上升，放电电流因输入管VGS的逐渐减小至接近VT而逐渐下降至0，放大状态结束前即使φ 1 与φ 2 未翻转cascoded FIA也可能会提前自动关断并停止工作。
本实施例中cascoded FIA的PAC仿真结果如附图3所示，由于本发明所关心的心电信号频谱位于0.5-150Hz以内，因此只需关心cascoded FIA的直流增益，当所有开关都采用NMOS开关来实现时测得其直流增益为35.5dB；附图4为cascoded FIA的瞬态仿真结果，cascoded FIA仅在φ 1 有效而φ 2 无效时产生瞬态功耗，对于峰峰值为30V、频率为60Hz的共模干扰，系统功耗仅为1μW。
图5为实施例大共模干扰抑制电路输入信号与抑制后输出信号示意图。如附图5所示，设定共模干扰输入信号为峰峰值30V的正弦信号，经过大共模干扰抑制电路抑制后输出信号幅值位于±150mV以内，可见实施例中适用于双电极的全动态大共模干扰抑制电路可将共模干扰抑制100倍以上。
通过以上实施例可见，本发明将生物电极的输入共模电平采集出来，使用动态运放cascoded FIA对电荷共享电容CS进行充电；充电周期结束后，将该电容上的电荷通过开关管S4耦合到生物电极的输入端产生与工频干扰电平相反的电平位移，达到抑制共模扰动的目的；动态运放cascoded FIA仅在充电周期中开启，从而消除了静态电流。本发明这种全动态的工作模式，在克服双电极工频干扰引起的模拟前端电路饱和的影响的同时降低功耗，适用于各类生物电信号采集系统。

Claims (3)

1.一种适用于双电极架构的全动态工频干扰抑制电路，其特征在于：包括大共模干扰模块（101）、生物电极阻抗模块（102）、电荷共享模块（103）和生物电极输入共模提取模块（104）；
所述大共模干扰模块（101）包含共模正弦信号干扰源以及耦合电容CC，共模正弦信号干扰源一端接地，另一端接耦合电容CC，耦合电容CC的另一端同时接生物电极阻抗模块（102）的两个输入端；
所述生物电极阻抗模块（102）为两路相同的支路，其中每条支路将电极等效电容CEL和电极等效电阻REL并联后，以两支路的一端作为输入端接耦合电容CC的输出端，两支路的另一端作为生物电极阻抗模块（102）的输出端分别接电荷共享模块（103）的两个输出端以及生物电极输入共模提取模块104的两个输入端；
所述电荷共享模块（103）包括相同的两支路，每一条支路均包括一个电荷共享电容CS及开关组S1-S4；两支路的两个开关S1的一端分别作为电荷共享模块（103）的两个输入端并一起与生物电极输入共模提取模块（104）的输出端连接，两支路的两个开关S4的一端分别作为电荷共享模块（103）的两个输出端并分别与生物电极输入共模提取模块（104）的两个输入端连接；
在每条支路中，开关S1的一端作为电荷共享模块（103）的一路输入端与生物电极输入共模提取模块（104）的输出端连接，另一端接电荷共享电容CS的上极板；开关S3的一端与电荷共享电容CS的下极板相连，另一端连接至gnd；开关S2的一端与电荷共享电容CS的上极板相连，另一端连接至gnd；开关S4的一端作为电荷共享模块（103）的一路输出端连接至生物电极输入共模提取模块（104）的一路输入端，另一端与电荷共享电容CS的下极板相连；
两支路的开关组均由两相非交叠控制信号φ 1 与φ 2 进行控制，φ 1 有效而φ 2 无效时开关S1、S3和S5闭合而S2、S4断开；φ 2 有效而φ 1 无效时开关S2、S4闭合而S1、S3和S5断开；
所述生物电极输入共模提取模块（104）包括两个差分伪电阻、一个开关S5以及一个单位增益缓冲器；其中两个差分伪电阻的一端分别作为生物电极输入共模提取模块（104）的两个输入端分别连接至电荷共享模块（103）的两个输出端S4，另一端均与单位增益缓冲器的输入端连接；单位增益缓冲器的一端作为输入端接两个差分伪电阻，另一端作为输出端接开关S5的一端；开关S5的一端接单位增益缓冲器的输出端，另一端作为生物电极输入共模提取模块（104）的输出端同时连接至电荷共享模块（103）的两个输入端。
2.如权利要求1所述适用于双电极架构的全动态工频干扰抑制电路，其特征在于：所述单位增益缓冲器采用电压跟随器连接方式的cascoded FIA实现；
cascoded FIA包括一个存储电容CR，四个由φ 1 控制的开关S11、S12、S13、S14，四个由φ 2 控制的开关S21、S22、S23、S24、S25、S26，两对PMOS管Mp1、Mp2和Mcp1、Mcp2以及两对NMOS管Mn1、Mn2和Mcn1、Mcn2，所有的MOS管均将源极与衬底短接；
其中存储电容CR的上极板接开关S21的输出端及开关S11的输入端，CR的下极板接开关S22的输出端及开关S12的输入端，开关S21的输入端接Vdd，开关S22的输出端接地；PMOS管Mp1和Mp2的源极共同连接至开关S11的输出端、漏极分别连接至Mcp1和Mcp2的源极，NMOS管Mn1和Mn2的源极共同连接至开关S12的输出端、漏极分别连接至Mcn1和Mcn2的源极，输入管Mn1和Mp1的栅极连接在一起后接开关S13的输出端以及开关S23的输入端，另一对输入管Mn2和Mp2的栅极连接在一起后接开关S14的输出端以及开关S24的输入端，开关S13与开关S14的输入端分别接cascoded FIA的正负输入端Vi+与Vi-，开关S23与开关S24的输入端均接共模电平VCM；Mcn1和Mcp1的漏极连接在一起后作为cascoded FIA的负输出端VO-连接至开关S25的输出端，Mcn1和Mcp1的栅极接共模电平VCM；Mcn2和Mcp2的漏极连接在一起后作为cascoded FIA的正输出端VO+连接至开关S26的输出端，Mcn2和Mcp2的栅极接共模电平VCM；
将cascoded FIA的负输入端Vi-与正输出端VO+短接作为单位增益缓冲器的输出端，将cascoded FIA的正输入端Vi+作为单位增益缓冲器的输入端，对cascoded FIA使用这种电压跟随器的接法来实现动态的单位增益缓冲器。
3.如权利要求1所述适用于双电极架构的全动态工频干扰抑制电路，其特征在于：
充电周期开始时：φ 1 有效而φ 2 无效，即开关S1、S3和S5闭合而S2、S4断开时，由单位增益缓冲器对两个电荷共享电容CS充电；
充电周期结束时：φ 2 有效而φ 1 无效，即开关S1、S3和S5断开而S2、S4闭合时，两个电荷共享电容Cs中的电荷被分别反馈至生物电极输入共模提取模块（104）的两个输入端。
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