CN211321301U - 模拟前端电路、信号采集装置 - Google Patents

模拟前端电路、信号采集装置 Download PDF

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CN211321301U CN201990000077.5U CN201990000077U CN211321301U CN 211321301 U CN211321301 U CN 211321301U CN 201990000077 U CN201990000077 U CN 201990000077U CN 211321301 U CN211321301 U CN 211321301U
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Abstract

本实用新型涉及模拟电路技术领域，提供了一种模拟前端电路及信号采集装置。模拟前端电路包括差分放大电路、共模前馈单元、耦合单元以及共模负反馈单元；共模前馈单元从接收到的第一输入信号与第二输入信号获取共模分量；耦合单元将共模分量经分后得到输出共模分量，并将输出共模分量直流耦合至差分放大电路的输入端；耦合单元还将第一输入信号与第二输入信号的差模分量交流耦合至差分放大电路的输入端；共模负反馈单元接收差分放大电路的反馈信号，并根据预设负反馈增益对反馈信号进行调节，以使调节后的反馈信号抑制共模分量。本技术方案解决了现有的普通电路中CMRR效果不理想的技术问题。

Description

模拟前端电路、信号采集装置
【技术领域】
本申请涉及模拟电路技术领域，尤其涉及一种模拟前端电路、信号采集装置。
【背景技术】
在某些采集信号的应用场景中，对模拟前端电路的共模抑制比(Common ModeRejection Ratio，以下简称CMRR)要求极高，例如心电图(Electrocardiogram，以下简称ECG)设备。其中，CMRR的定义为：差分放大电路对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，CMRR越大表明差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。
无论是交流耦合还是直流耦合的普通电路，其CMRR都取决于仪表放大器单元，但现有的普通电路中仪表放大器单元的CMRR效果不理想。普通电路在运算放大器的增益带宽积的限制下，当频率高到一定程度时，幅频响应曲线将不再保持平直，而是在放大器的主极点作用下按一定的斜率滚降。
【实用新型内容】
有鉴于此，本申请实施例提供了一种模拟前端电路、信号采集装置，用以解决现有技术中采集信号的CMRR效果不理想的技术问题。
一方面，本申请实施例提供了一种模拟前端电路，包括差分放大电路、共模前馈单元、耦合单元以及共模负反馈单元；其中，所述共模前馈单元从接收到的第一输入信号与第二输入信号获取共模分量；所述耦合单元将所述共模分量经分压后得到输出共模分量，并将所述输出共模分量直流耦合至所述差分放大电路的输入端；所述耦合单元还将所述第一输入信号与所述第二输入信号的差模分量交流耦合至所述差分放大电路的输入端；所述共模负反馈单元接收所述差分放大电路的反馈信号，并根据预设负反馈增益对所述反馈信号进行调节，以使调节后的反馈信号抑制所述共模分量。
可选的，所述共模前馈单元包括第一运算放大器，第一电阻和第二电阻；其中，所述第一电阻与所述第二电阻的阻值相同；所述第一电阻的一端与所述第二电阻的一端分别连接至所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一电阻的另一端连接至所述共模前馈单元的一个输入端，所述第二电阻的另一端连接至所述共模前馈单元的另一个输入端；所述第一运算放大器的同相输入端连接至所述第一电阻与所述第二电阻之间的分压点、所述第一运算放大器的反相输入端连接至所述第一运算放大器的输出端；所述第一运算放大器的输出端输出所述第一输入信号与所述第二输入信号的共模分量。
可选的，所述耦合单元包括：第一电容器和第二电容器、第三电阻和第四电阻、第五电阻和第六电阻以及第七电阻和第八电阻；其中，所述第一电容器和所述第二电容器的电容相同、所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相同、所述第五电阻和所述第六电阻的阻值相同、所述第七电阻和所述第八电阻的阻值相同；所述第一输入信号的差模分量经由所述第一电容器和所述第五电阻，并通过所述第五电阻与所述第七电阻之间的分压点交流耦合至所述差分放大电路的第一输入端、所述第二输入信号的差模分量经由所述第二电容器和所述第六电阻，并通过所述第六电阻与所述第八电阻之间的分压点交流耦合至所述差分放大电路的第二输入端；
所述第一运算放大器的输出端连接至所述第三电阻与第四电阻之间的分压点；所述第一输入信号与所述第二输入信号的共模分量经所述第三电阻、所述第五电阻和所述第七电阻分压后得到输出共模分量，且所述输出共模分量通过所述第五电阻与所述第七电阻之间的分压点直流耦合至所述差分放大电路的第一输入端；所述第一输入信号与所述第二输入信号的共模分量经所述第四电阻、所述第六电阻和所述第八电阻分压后得到输出共模分量，且所述输出共模分量通过所述第六电阻与所述第八电阻之间的分压点直流耦合至所述差分放大电路的第二输入端。
可选的，所述耦合单元包括用于对所述第一输入信号的差模分量进行滤波的第一高通滤波器；，所述第一高通滤波器由所述第五电阻和所述第七电阻串联，再与所述第三电阻并联，再与所述第一电容器串联所形成；所述耦合单元还包括用于对所述第二输入信号的差模分量进行滤波的第二高通滤波器；所述第二高通滤波器由所述第六电阻和所述第八电阻串联，再与所述第四电阻并联，再与所述第二电容器串联所形成。。
可选的，所述共模负反馈单元包括第二运算放大器、第三运算放大器、第一反馈控制电阻和第二反馈控制电阻；其中，所述第二运算放大器的同相输入端输入所述差分放大电路的反馈信号，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的输出端相连接；所述第一反馈控制电阻的一端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第一反馈控制电阻的另一端与所述第三运算放大器的反相输入端连接；所述第二反馈控制电阻的一端与所述第三运算放大器的反相输入端连接，所述第二反馈控制电阻的另一端与所述第三运算放大器的输出端相连接；所述第三运算放大器的同相输入端连接至参考电压，所述第三运算放大器的输出端输出调节后的反馈信号。
可选的，所述预设负反馈增益根据所述第二反馈控制电阻与所述第一反馈控制电阻的阻值的比值来确定。
可选的，所述差分放大电路包括：第四运算放大器、第五运算放大器、第六运算放大器、第九电阻和第十电阻、第十一电阻和第十二电阻、第十三电阻和第十四电阻、第十五电阻和第十六电阻；其中，第九电阻和第十电阻的阻值相同、第十一电阻和第十二电阻的阻值相同、第十三电阻和第十四电阻的阻值相同、第十五电阻和第十六电阻的阻值相同；所述第四运算放大器的同相输入端为所述差分放大电路的第一输入端、所述第五运算放大器的同相输入端为所述差分放大电路的第二输入端；
所述第九电阻的一端与所述第十电阻的一端分别连接至所述第二运算放大器的同相输入端，且所述第九电阻的另一端连接至所述第四运算放大器的反相输入端、所述第十电阻的另一端连接至所述第五运算放大器的反相输入端；所述差分放大电路的反馈信号为所述第九电阻与所述第十电阻之间的分压电压；
所述第十一电阻的一端连接至所述第四运算放大器的反相输入端、所述第十一电阻的另一端连接至所述第四运算放大器的输出端；所述第十二电阻的一端连接至所述第五运算放大器的反相输入端、所述第十二电阻的另一端连接至所述第五运算放大器的输出端；
所述第十三电阻的一端连接至所述第四运算放大器的输出端、所述第十三电阻的另一端连接至所述第六运算放大器的反相输入端；所述第十四电阻的一端连接至所述第五运算放大器的输出端、所述第十四电阻的另一端连接至所述第六运算放大器的同相输入端；
所述第十五电阻的一端连接至所述第六运算放大器的反相输入端、所述第十五电阻的另一端连接至所述第六运算放大器的输出端；所述第十六电阻的一端连接至所述第六运算放大器的同相输入端、所述第十六电阻的另一端连接至参考电压。
可选的，模拟前端电路还包括前置缓冲单元；所述前置缓冲单元分别将接收到的第一信号源发出的第一模拟信号和第二信号源发出的第二模拟信号经电压跟随后得到所述第一输入信号和所述第二输入信号，并将所述第一输入信号和所述第二输入信号传递至所述共模前馈单元。
可选的，所述前置缓冲单元包括：第七运算放大器、第八运算放大器、第十七电阻和第十八电阻；其中，第十七电阻和第十八电阻的阻值相同；所述第七运算放大器的同相输入端连接至所述第十七电阻的一端、所述第七运算放大器的反相输入端连接至所述第七运算放大器的输出端；所述第十七电阻的另一端连接至第一模拟信号；所述第八运算放大器的同相输入端连接至所述第十八电阻的一端、所述第八运算放大器的反相输入端连接至所述第八运算放大器的输出端；所述第十八电阻的另一端连接至第二模拟信号；所述第七运算放大器的输出端输出所述第一输入信号至所述共模前馈单元、所述第八运算放大器的输出端输出所述第二输入信号至所述共模前馈单元。
另一方面，本申请实施例还提供了一种信号采集设备，包括上述模拟前端电路。
与现有技术相比，本技术方案至少具有如下有益效果：
根据本申请实施例提供的模拟前端电路，通过共模前馈单元从第一输入信号与第二输入信号中获取共模分量，再经由耦合单元将共模分量经分压后得到输出共模分量，并将输出共模分量直流耦合至差分放大电路的输入端。耦合单元还将所述第一输入信号与所述第二输入信号的差模分量交流耦合至所述差分放大电路的输入端。通过“差模分量交流耦合，共模分量直流耦合”的设计，使本申请的模拟前端电路具有了普通交流耦合电路的高通滤波器特性，同时避免了普通直流耦合电路“共模偏差转化为差模信号，导致差模增益不能太高”的缺点。
通过共模负反馈单元接收差分放大电路的反馈信号，并根据预设负反馈增益对反馈信号进行调节，以使调节后的反馈信号抑制共模分量。通过“共模前馈结合共模负反馈”的方式，自动实现了共模分量直接相减，从而极大的提升了模拟前端电路的CMRR。
【附图说明】
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对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实用新型的一些实施例，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它的附图。
图1是本申请的一种模拟前端电路的电路模块结构示意图；
图2是本申请的一实施例中模拟前端电路的具体电路结构示意图；
图3是本申请的一实施例中模拟前端电路与普通电路的差模幅频响应曲线效果对比图；
图4是本申请的一实施例中模拟前端电路与普通电路的共模幅频响应曲线效果对比图；
图5是本申请的一实施例中模拟前端电路与普通电路的输入电压与输出电压Vout对比效果图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
图1是本申请的一种模拟前端电路的电路模块结构示意图。
参考图1，所述模拟前端电路1包括：前置缓冲单元11、共模前馈单元12、耦合单元13、共模负反馈单元14以及差分放大电路15。其中，所述前置缓冲单元11分别将接收到的第一信号源(图1中未示出)发出的第一模拟信号和第二信号源(图1中未示出)发出的第二模拟信号经电压跟随后得到第一输入信号和第二输入信号，并将所述第一输入信号和所述第二输入信号传递至所述共模前馈单元12。所述共模前馈单元12从接收到的第一输入信号与第二输入信号获取共模分量。所述耦合单元13将所述共模分量经分压后得到输出共模分量，并将所述输出共模分量直流耦合至所述差分放大电路15的输入端。所述耦合单元13还将所述第一输入信号与所述第二输入信号的差模分量交流耦合至所述差分放大电路15的输入端。所述共模负反馈单元14接收所述差分放大电路15的反馈信号，并根据预设负反馈增益对所述反馈信号进行调节，以使调节后的反馈信号抑制所述共模分量。
本实施例所述的模拟前端电路1可以应用于信号采集设备(例如心电图设备)，通常这类信号采集设备所采集的信号幅度较小(例如0.1mV～5mV)、频率较低(例如0.05Hz～100Hz)，是一种低频率的微弱模拟信号，存在较大的共模干扰，因此通过模拟前端电路对接收到模拟信号中的差模分量放大并抑制共模分量，以提高采集信号的精确度。
如背景技术中所述，无论是直流耦合还是交流耦合的普通电路，其抑制共模分量的效果主要取决于普通电路中差分放大电路的共模抑制比。其中，交流耦合(AC Coupling)是指通过隔直电容耦合去掉直流分量；直流耦合(DC Coupling)是指保留直流分量和交流分量，并不去掉交流分量。但是普通电路中差分放大电路的共模抑制比效果不佳，不能很好地抑制共模分量。
因此，发明人经过研究，对现有的普通电路进行改进。如图1所示，在模拟前端电路1中增加了前置缓冲单元11、共模前馈单元12、耦合单元13以及共模负反馈单元14。
具体来说，所述前置缓冲单元11具有高阻抗特性，因此即使第一信号源(图1中未示出)发出的第一模拟信号和第二信号源(图1中未示出)发出的第二模拟信号很微弱也能驱动所述前置缓冲单元11，并经过电压跟随后得到稳定的所述第一输入信号和所述第二输入信号。
通过所述共模前馈单元12从所述第一输入信号和所述第二输入信号获取共模分量，再经由所述耦合单元13将所述共模分量经分压后得到输出共模分量，并将所述输出共模分量直流耦合至所述差分放大电路15的输入端。所述耦合单元13还将所述第一输入信号与所述第二输入信号的差模分量交流耦合至所述差分放大电路15的输入端。
例如，所述第一输入信号为V1、所述第二输入信号为V2，所述第一输入信号和所述第二输入信号的共模分量为VCom，差模分量为VDiff。本领域技术人员理解，无论第一输入信号还是第二输入信号都可以表示为差模分量和共模分量之和，其中共模分量就是两个信号共同拥有的部分，即所述第一输入信号和所述第二输入信号的共模分量VCom＝(V1+V2)/2。对于所述第一输入信号，其差模分量为：V1-(V1+V2)/2＝(V1-V2)/2；对于所述第二输入信号，其差模分量为：V2-(V1+V2)/2＝-(V1-V2)/2。
在实际电路实现时，所述耦合单元13在将所述第一输入信号和所述第二输入信号的共模分量传递至所述差分放大电路15的输入端过程中，所述共模分量会经过电阻分压后得到所述耦合单元13的输出共模分量，然后将所述输出共模分量传递至所述差分放大电路15。因此，所述输出共模分量并不完全等于所述第一输入信号和所述第二输入信号的共模分量，在下文的实施例中将结合所述耦合单元13的具体电路结构描述所述输出共模分量与所述第一输入信号和所述第二输入信号的共模分量之间的关系。
进一步，在实际电路实现时，所述耦合单元13中通过电容和电阻组成一个仅对差模分量有效的1阶高通滤波器，从而可以降低模拟前端电路输出端的带外噪声。
通过所述共模负反馈单元14从所述差分放大电路15获取反馈信号。在实际电路实现时，所述共模负反馈单元14获取到的所述反馈信号等于所述输出共模分量。然后，所述共模负反馈单元14通过设置运算放大器的预设负反馈增益对所述反馈信号进行调节，使得调节后的反馈信号尽量逼近所述第一输入信号和所述第二输入信号的共模分量，从而达到抑制所述共模分量的效果。
下面结合具体的电路结构示意图对本申请实施例提供的模拟前端电路的工作原理进行描述。
图2是本申请的一实施例中模拟前端电路的具体电路结构示意图。
参考图2，所述模拟前端电路2包括：前置缓冲单元21、共模前馈单元22、耦合单元23、共模负反馈单元24以及差分放大电路25。
所述模拟前端电路2接收第一信号源26发出的第一模拟信号Vi1和第二信号源27发出的第二模拟信号Vi2，经由所述前置缓冲单元21、所述共模前馈单元22、所述耦合单元23、所述共模负反馈单元24以及所述差分放大电路25处理后，通过所述差分放大电路25的输出端输出信号Vout。
具体来说，所述前置缓冲单元21包括：第七运算放大器211、第八运算放大器212、第十七电阻R1和第十八电阻R2；其中，第十七电阻R1和第十八电阻R2的阻值相同。
所述第七运算放大器211的同相输入端连接至所述第十七电阻R1的一端、所述第七运算放大器211的反相输入端连接至所述第七运算放大器211的输出端；所述第十七电阻R1的另一端连接至第一模拟信号Vi1。
所述第八运算212放大器的同相输入端连接至所述第十八电阻R2的一端、所述第八运算放大器212的反相输入端连接至所述第八运算放大器212的输出端；所述第十八电阻R2的另一端连接至第二模拟信号Vi2。
在本实施例中，所述第七运算放大器211的反相输入端与所述第七运算放大器211的输出端之间还连接有第十九电阻R3。所述第八运算放大器212的反相输入端与所述第八运算放大器212的输出端之间还连接有第二十电阻R4，且所述第十九电阻R3和所述第二十电阻R4的阻值相同。
所述第七运算放大器211的输出端输出所述第一输入信号U1至所述共模前馈单元22、所述第八运算放大器212的输出端输出所述第二输入信号U2至所述共模前馈单元22。
所述第七运算放大器211和所述第八运算放大器212是电压跟随器。本领域技术人员知晓，电压跟随器的作用是输出电压随着输入电压的变化而变化(即输出电压＝输入电压)。具体到本实施例中，所述第一信号源26发出的第一模拟信号Vi1通过所述第七运算放大器211经电压跟随后输出的所述第一输入信号U1与第一模拟信号Vi1相同、所述第二信号源27发出的第二模拟信号Vi2通过所述第八运算放大器212经电压跟随后输出的所述第二输入信号U2与第二模拟信号Vi2相同。由于第一模拟信号Vi1和第二模拟信号Vi2较微弱，经过电压跟随后可以得到较为稳定的所述第一输入信号U1和所述第二输入信号U2。
所述共模前馈单元22包括第一运算放大器221，第一电阻R5和第二电阻R6；其中，所述第一电阻R5与所述第二电阻R6的阻值相同。
所述第一电阻R5的一端与所述第二电阻R6的一端分别连接至所述第一运算放大器221的同相输入端，所述第一电阻R5的另一端连接至所述第七运算放大器211的输出端(即所述共模前馈单元22的一个输入端)，所述第二电阻R6的另一端连接至所述第八运算放大器212的输出端(即所述共模前馈单元22的另一个输入端)。
所述第一运算放大器221的同相输入端连接至所述第一电阻R5与所述第二电阻R6之间的分压点、所述第一运算放大器221的反相输入端连接至所述第一运算放大器221的输出端。在本实施例中，所述第一运算放大器221的反相输入端与所述第一运算放大器221的输出端之间还连接有电阻R7。
由于所述第一电阻R5与所述第二电阻R6的阻值相同，因此，所述第一运算放大器221的同相输入端输入的电压为(U1+U2)/2。根据运算放大器的虚短性质可知，所述第一运算放大器221的输出端输出的电压也为(U1+U2)/2。因此，所述第一运算放大器221的输出端输出的是所述第一输入信号U1与所述第二输入信号U2的共模分量。
所述耦合单元23包括：第一电容器C1和第二电容器C2、第三电阻R8和第四电阻R9、第五电阻R10和第六电阻R11以及第七电阻R12和第八电阻R13；其中，所述第一电容器C1和所述第二电容器C2的电容相同、所述第三电阻R8和所述第四电阻R9的阻值相同、所述第五电阻R10和所述第六电阻R11的阻值相同、所述第七电阻R12和所述第八电阻R13的阻值相同。
所述第一输入信号U1的差模分量经由所述第一电容器C1和所述第五电阻R10，并通过所述第五电阻R10与所述第七电阻R12之间的分压点VP1交流耦合至所述差分放大电路25的第一输入端。所述第二输入信号U2的差模分量经由所述第二电容器C2和所述第六电阻R11，并通过所述第六电阻R11与所述第八电阻R13之间的分压点VP2交流耦合至所述差分放大电路25的第二输入端。
可以看出，所述耦合单元23分别通过所述第一电容器C1和所述第二电容器C2将所述第一输入信号U1与所述第二输入信号U2的差模分量交流耦合至所述差分放大电路25的输入端。其中，所述第一电容器C1和所述第二电容器C2作为隔直电容，去除第一输入信号U1与所述第二输入信号U2中的直流分量。
进一步，在所述耦合单元23中，所述第五电阻R10和所述第七电阻R12串联，再与所述第三电阻R8并联，再与所述第一电容器C1串联形成所述第一输入信号U1的差模分量的第一高通滤波器(即C1和R8//(R10+R12))。
所述第六电阻R11和所述第八电阻R13串联，再与所述第四电阻R9并联，再与所述第二电容器C2串联形成所述第二输入信号U2的差模分量的第二高通滤波器(即C2和R9//(R11+R13))。
通过高通滤波器可以滤除低频信号，从而降低模拟前端电路输出端的带外噪声。其中，所述第一高通滤波器的高通截止频率为：fc1＝1/(2×π×C1×[R8//(R10+R12)])；所述第一高通滤波器的高通截止频率为：fc2＝1/(2×π×C2×[R9//R11+R13)])。
所述第一运算放大器221的输出端连接至所述第三电阻R8与第四电阻R9之间的分压点VFW。所述第三电阻R8和所述第五电阻R10之间的分压点为VC1、所述第四电阻R9和所述第六电阻R11之间的分压点为VC2。
所述第一输入信号U1与所述第二输入信号U2的共模分量经所述第三电阻R8、所述第五电阻R10和所述第七电阻R12分压后得到输出共模分量，且所述输出共模分量通过所述第五电阻R10与所述第七电阻R12之间的分压点VP1直流耦合至所述差分放大电路25的第一输入端。
所述第一输入信号U1与所述第二输入信号U2的共模分量经所述第四电阻R9、所述第六电阻R11和所述第八电阻R13分压后得到输出共模分量，且所述输出共模分量通过所述第六电阻R11与所述第八电阻R13之间的分压点VP2直流耦合至所述差分放大电路25的第二输入端。
根据电路对称性可知，所述第三电阻R8和所述第五电阻R10之间的分压点为VC1的电压与所述第四电阻R9和所述第六电阻R11之间的分压点为VC2的电压相同。所述第五电阻R10与所述第七电阻R12之间的分压点VP1的电压与所述第六电阻R11与所述第八电阻R13之间的分压点VP2的电压相同。
所述共模负反馈单元24包括第二运算放大器242、第三运算放大器241、第一反馈控制电阻R15和第二反馈控制电阻R14。其中，所述第二运算放大器242的同相输入端输入所述差分放大电路25的反馈信号，所述第二运算放大器242的反相输入端与所述第二运算放大器242的输出端相连接。本实施例中，所述第二运算放大器242的反相输入端与所述第二运算放大器242的输出端之间还连接有电阻R16。
所述第一反馈控制电阻R15的一端与所述第二运算放大器242的输出端连接，所述第一反馈控制电阻R15的另一端与所述第三运算放大器241的反相输入端连接。
所述第二反馈控制电阻R14的一端与所述第三运算放大器241的反相输入端连接，所述第二反馈控制电阻R14的另一端与所述第三运算放大器241的输出端相连接。所述第三运算放大器241的同相输入端连接至参考电压VREF。其中，所述预设负反馈增益根据所述第二反馈控制电阻R14与所述第一反馈控制电阻R15的阻值的比值来确定，即所述预设负反馈增益G＝-R14/R15。
具体来说，所述第二运算放大器242对同相输入端输入的所述差分放大电路25的反馈信号起到电压跟随作用，因此所述第二运算放大器242的输出端输出的信号电压为所述反馈信号。
所述第三运算放大器241的同相输入端连接至参考电压VREF，所述第三运算放大器241的反相输入端接收所述第二运算放大器242的输出端输出的反馈信号，根据预设负反馈增益对反馈信号进行调节后，通过所述第三运算放大器241的输出端输出调节后的反馈信号。所述调节后的反馈信号的极性与所述第三运算放大器241的反相输入端接收到的反馈信号的极性相反，即预设负反馈增益G＝-R14/R15。
所述差分放大电路25包括：第四运算放大器251、第五运算放大器252、第六运算放大器253、第九电阻R17和第十电阻R18、第十一电阻R19和第十二电阻R20、第十三电阻R21和第十四电阻R22、第十五电阻R23和第十六电阻R24；其中，第九电阻R17和第十电阻R18的阻值相同、第十一电阻R19和第十二电阻R20的阻值相同、第十三电阻R21和第十四电阻R22的阻值相同、第十五电阻R23和第十六电阻R24的阻值相同。
所述第四运算放大器251的同相输入端为所述差分放大电路25的第一输入端、所述第五运算放大器252的同相输入端为所述差分放大电路25的第二输入端。
所述第九电阻R17的一端与所述第十电阻R18的一端分别连接至所述第二运算放大器242的同相输入端，且所述第九电阻R17的另一端连接至所述第四运算放大器251的反相输入端、所述第十电阻R18的另一端连接至所述第五运算放大器252的反相输入端。
所述第十一电阻R19的一端连接至所述第四运算放大器251的反相输入端、所述第十一电阻R19的另一端连接至所述第四运算放大器251的输出端。所述第十二电阻R20的一端连接至所述第五运算放大器252的反相输入端、所述第十二电阻R20的另一端连接至所述第五运算放大器252的输出端。
所述第十三电阻R21的一端连接至所述第四运算放大器251的输出端、所述第十三电阻R21的另一端连接至所述第六运算放大器253的反相输入端；所述第十四电阻R22的一端连接至所述第五运算放大器252的输出端、所述第十四电阻R22的另一端连接至所述第六运算放大器253的同相输入端。
所述第十五电阻R23的一端连接至所述第六运算放大器253的反相输入端、所述第十五电阻R23的另一端连接至所述第六运算放大器253的输出端。所述第十六电阻R24的一端连接至所述第六运算放大器253的同相输入端、所述第十六电阻R24的另一端连接至参考电压VREF。
在本实施例中，所述差分放大电路25的反馈信号为所述第九电阻R17与所述第十电阻R18之间的分压电压。
具体来说，所述第四运算放大器251的同相输入端的输入电压为VP1，所述第五运算放大器252的同相输入端的输入电压为VP2。根据运算放大器虚短性质，所述第四运算放大器251的反相输入端的电压也为VP1、所述第五运算放大器252的反相输入端的电压也为VP2。由于所述第九电阻R17与所述第十电阻R18的阻值相同，因此所述第九电阻R17与所述第十电阻R18之间的分压电压为(VP2-VP1)/2+VP1或者(VP1-VP2)/2+VP2，两种计算方式得到的结果均为(VP2+VP1)/2。根据电路对称性得到VP1＝VP2，因此所述差分放大电路25的反馈信号为VP1(或者VP2)。
因此，以VC1和VP1为例，根据电阻分压以及欧姆定律可以得到如下表达式：
(1)VC1＝(VFW-VFB)×β1，其中β1＝(R10+R12)/(R8+R10+R12)；
(2)VP1＝(VC1-VFB)β2，其中β2＝R12/(R10+R12)；
又因为，(3)VFB＝G×VP1，其中反馈增益G＝-R14/R15；
因此，综合上述(1)、(2)和(3)，可以得到：
Figure GDA0002254959220000141
因此，要减少输出共模分量VP1(以及VP2)，可以通过减小β1、β2，或者增大G来实现。由于在信号采集设备(例如心电图设备)中高通截止频率fc1和fc2的频率极低，因此不可将R8、R10、R12(R9、R11、R13)设计得太小，因此实际应用中，只需调整G值即可调节输出共模分量的抵消效果。
发明人采用本申请的模拟前端电路进行仿真实验得到差模幅频响应曲线和共模幅频响应曲线。其中，预设负反馈增益G＝-10。
图3是本申请的一实施例中模拟前端电路与普通电路的差模幅频响应曲线效果对比图。
参考图3，仿真发现，图中差模增益幅频曲线在400Hz以内，本申请的模拟前端电路和普通电路并无二致，当频率高到一定程度时，普通电路幅频曲线在放大器的主极点作用下按-20dB/Dec的斜率滚降，而本申请的模拟前端电路会提供一个额外的极点，使高频段的幅频曲线按-40dB/Dec的斜率滚降，从而使模拟前端电路的输出端的噪声更低。
图4是本申请的一实施例中模拟前端电路与普通电路的共模幅频响应曲线效果对比图。
参考图4，图中共模增益幅频曲线在整个通带范围内，本申请的模拟前端电路的共模分量的增益都比普通电路低21.6dB，因为差模分量的增益相同，所以相当于本申请的模拟前端电路的CMRR比普通电路提升了21.6dB。
在实际应用中，若进一步提高预设负反馈增益G值，CMRR的提升量将会更大。
进一步，相比于直流耦合的普通电路，本申请的模拟前端电路通过共模前馈单元将共模分量经过分压后传递至差分放大电路，这样即使模拟前端电路的两个输入信号源的模拟信号(即第一信号源输出的第一模拟信号Vi1和第二信号源输出的第二模拟信号Vi2)存在直流偏差，差分放大电路也看不到，而直流耦合的普通电路却会将此直流偏差直接看成了差模信号，这将导致无法设置太大的差模增益且输出极易饱和，而本申请的模拟前端电路则不存在这个问题，如图5所示的是本申请的一实施例中模拟前端电路与普通电路的输入电压与输出电压Vout对比效果图。
本申请实施例还提供了一种信号采集装置，所述信号采集装置包括上述实施例所述的模拟前端电路。在实际应用中，所述信号采集装置可以是ECG、各类传感器或者其他包含需要较高CMRR的小信号放大电路的信号采集装置。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟前端电路，包括差分放大电路，其特征在于，所述模拟前端电路还包括：共模前馈单元、耦合单元以及共模负反馈单元；其中，
所述共模前馈单元从接收到的第一输入信号与第二输入信号获取共模分量；
所述耦合单元将所述共模分量经分压后得到输出共模分量，并将所述输出共模分量直流耦合至所述差分放大电路的输入端；所述耦合单元还分别将所述第一输入信号的差模分量与所述第二输入信号的差模分量交流耦合至所述差分放大电路的输入端；
所述共模负反馈单元接收所述差分放大电路的反馈信号，并根据预设负反馈增益对所述反馈信号进行调节，以使调节后的反馈信号抑制所述共模分量。
2.如权利要求1所述的模拟前端电路，其特征在于，所述共模前馈单元包括第一运算放大器，第一电阻和第二电阻；其中，所述第一电阻与所述第二电阻的阻值相同；
所述第一电阻的一端与所述第二电阻的一端分别连接至所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一电阻的另一端连接至所述共模前馈单元的一个输入端，所述第二电阻的另一端连接至所述共模前馈单元的另一个输入端；
所述第一运算放大器的同相输入端连接至所述第一电阻与所述第二电阻之间的分压点、所述第一运算放大器的反相输入端连接至所述第一运算放大器的输出端；所述第一运算放大器的输出端输出所述第一输入信号与所述第二输入信号的共模分量。
3.如权利要求2所述的模拟前端电路，其特征在于，所述耦合单元包括：第一电容器和第二电容器、第三电阻和第四电阻、第五电阻和第六电阻以及第七电阻和第八电阻；
其中，所述第一电容器和所述第二电容器的电容相同、所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相同、所述第五电阻和所述第六电阻的阻值相同、所述第七电阻和所述第八电阻的阻值相同；
所述第一输入信号的差模分量经由所述第一电容器和所述第五电阻，并通过所述第五电阻与所述第七电阻之间的分压点交流耦合至所述差分放大电路的第一输入端；
所述第二输入信号的差模分量经由所述第二电容器和所述第六电阻，并通过所述第六电阻与所述第八电阻之间的分压点交流耦合至所述差分放大电路的第二输入端；
所述第一运算放大器的输出端连接至所述第三电阻与第四电阻之间的分压点；
所述第一输入信号与所述第二输入信号的共模分量经所述第三电阻、所述第五电阻和所述第七电阻分压后得到输出共模分量，且所述输出共模分量通过所述第五电阻与所述第七电阻之间的分压点直流耦合至所述差分放大电路的第一输入端；
所述第一输入信号与所述第二输入信号的共模分量经所述第四电阻、所述第六电阻和所述第八电阻分压后得到输出共模分量，且所述输出共模分量通过所述第六电阻与所述第八电阻之间的分压点直流耦合至所述差分放大电路的第二输入端。
4.如权利要求3所述的模拟前端电路，其特征在于，所述耦合单元包括用于对所述第一输入信号的差模分量进行滤波的第一高通滤波器；所述第一高通滤波器由所述第五电阻和所述第七电阻串联，再与所述第三电阻并联，再与所述第一电容器串联所形成；
所述耦合单元还包括用于对所述第二输入信号的差模分量进行滤波的第二高通滤波器；所述第二高通滤波器由所述第六电阻和所述第八电阻串联，再与所述第四电阻并联，再与所述第二电容器串联所形成。
5.如权利要求3所述的模拟前端电路，其特征在于，所述共模负反馈单元包括第二运算放大器、第三运算放大器、第一反馈控制电阻和第二反馈控制电阻；其中，
所述第二运算放大器的同相输入端连接所述差分放大电路的反馈信号，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的输出端相连接；
所述第一反馈控制电阻的一端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第一反馈控制电阻的另一端与所述第三运算放大器的反相输入端连接；
所述第二反馈控制电阻的一端与所述第三运算放大器的反相输入端连接，所述第二反馈控制电阻的另一端与所述第三运算放大器的输出端相连接；
所述第三运算放大器的同相输入端连接至参考电压，所述第三运算放大器的输出端输出调节后的反馈信号。
6.如权利要求5所述的模拟前端电路，其特征在于，所述预设负反馈增益根据所述第二反馈控制电阻与所述第一反馈控制电阻的阻值的比值来确定。
7.如权利要求5所述的模拟前端电路，其特征在于，所述差分放大电路包括：第四运算放大器、第五运算放大器、第六运算放大器、第九电阻和第十电阻、第十一电阻和第十二电阻、第十三电阻和第十四电阻、第十五电阻和第十六电阻；
其中，第九电阻和第十电阻的阻值相同、第十一电阻和第十二电阻的阻值相同、第十三电阻和第十四电阻的阻值相同、第十五电阻和第十六电阻的阻值相同；
所述第四运算放大器的同相输入端为所述差分放大电路的第一输入端、所述第五运算放大器的同相输入端为所述差分放大电路的第二输入端；
所述第九电阻的一端与所述第十电阻的一端分别连接至所述第二运算放大器的同相输入端，且所述第九电阻的另一端连接至所述第四运算放大器的反相输入端，所述第十电阻的另一端连接至所述第五运算放大器的反相输入端；所述差分放大电路的反馈信号为所述第九电阻与所述第十电阻之间的分压电压；
所述第十一电阻的一端连接至所述第四运算放大器的反相输入端，所述第十一电阻的另一端连接至所述第四运算放大器的输出端；所述第十二电阻的一端连接至所述第五运算放大器的反相输入端，所述第十二电阻的另一端连接至所述第五运算放大器的输出端；
所述第十三电阻的一端连接至所述第四运算放大器的输出端，所述第十三电阻的另一端连接至所述第六运算放大器的反相输入端；所述第十四电阻的一端连接至所述第五运算放大器的输出端，所述第十四电阻的另一端连接至所述第六运算放大器的同相输入端；
所述第十五电阻的一端连接至所述第六运算放大器的反相输入端，所述第十五电阻的另一端连接至所述第六运算放大器的输出端；所述第十六电阻的一端连接至所述第六运算放大器的同相输入端，所述第十六电阻的另一端连接至参考电压。
8.如权利要求1所述的模拟前端电路，其特征在于，还包括前置缓冲单元；所述前置缓冲单元分别将接收到的第一信号源发出的第一模拟信号和第二信号源发出的第二模拟信号经电压跟随后得到所述第一输入信号和所述第二输入信号，并将所述第一输入信号和所述第二输入信号传递至所述共模前馈单元。
9.如权利要求8所述的模拟前端电路，其特征在于，所述前置缓冲单元包括：第七运算放大器、第八运算放大器、第十七电阻和第十八电阻；其中，第十七电阻和第十八电阻的阻值相同；
所述第七运算放大器的同相输入端连接至所述第十七电阻的一端，所述第七运算放大器的反相输入端连接至所述第七运算放大器的输出端；所述第十七电阻的另一端连接至第一模拟信号；
所述第八运算放大器的同相输入端连接至所述第十八电阻的一端，所述第八运算放大器的反相输入端连接至所述第八运算放大器的输出端；所述第十八电阻的另一端连接至第二模拟信号；
所述第七运算放大器的输出端输出所述第一输入信号至所述共模前馈单元，所述第八运算放大器的输出端输出所述第二输入信号至所述共模前馈单元。
10.一种信号采集装置，其特征在于，包括权利要求1～9中任一项所述的模拟前端电路。
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