CN212435654U

CN212435654U - 一种适用于生物医学信号采集模拟前端的可变增益放大器

Info

Publication number: CN212435654U
Application number: CN202021723918.6U
Authority: CN
Inventors: 岳宏卫; 肖鑫
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2021-01-29
Anticipated expiration: 2030-08-18

Abstract

本实用新型公开一种适用于生物医学信号采集模拟前端的可变增益放大器，包括电容C1、C2，NMOS管M1、M2、M5、M6，PMOS管M3、M4、M_FB1、M_FB2、M_FB3、M_FB4，电阻R_cm1、R_cm2、Rs，电流源I_L1、I_L2，以及跨导放大器A1、A2。NMOS管M1、M2作为输入管，PMOS管M3、M4作为有源负载，电阻Rcm不仅为电路输出共模电压Vcm，而且也同时调整PMOS管M3、M4的栅极电压和输出电压Vout，PMOS管MFB1、MFB2以及跨导放大器A1将输出电压转换为小信号电流输出并与NMOS管M5、M6的栅极相连，形成负反馈网络。本实用新型能够实现较高的环路增益和低的总谐波失真，拥有较好的线性度，在输入信号幅度0～30mV范围内，最大输入信号幅度对应的总谐波失真不大于0.5％。

Description

一种适用于生物医学信号采集模拟前端的可变增益放大器

技术领域

本实用新型涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种适用于生物医学信号采集模拟前端的可变增益放大器。

背景技术

随着微电子技术的发展，医疗设备向着便携化方向快速发展。而如何有效的提取生物医学信号是便携式设备研究的重点与难点。生物医学信号采集模拟前端的基本结构如附图1所示。交流耦合电容反馈放大器对从传感器得到的信号进行放大，滤波，同时可以抑制基线漂移。考虑生物医学信号是低频、低幅的信号，低截止点需设置在较低的频率点(0.5Hz)，为了达到大的时间常数，模拟前端中采用伪电阻结构Rpseu，伪电阻结构中的MOS管工作在亚阈值区，伪电阻阻值可达到10¹²Ω以上。生物医学信号经过OTA放大器的放大后进入可变增益放大器(Variable Gain Amplifier,VGA)，可变增益放大器根据输入信号振幅改变增益，以保持相当恒定的输出电压范围，并将信号进行增益放大后送至Buffer放大器进行放大，之后经过ADC将模拟信号转化成数字信号输出，再经过一系列DSP(数字信号处理计算)得到所需的生物医学信号。

在模拟前端中，可变增益放大器起到一个改变增益，稳定输出信号的作用，并保证电路的大带宽，低功耗和高线性度的要求。目前被广泛使用可变增益放大器如图2(a)和(b)所示，这两种可变增益放大器均为带源极负反馈Rs的可变增益放大器，其都能通过改变Rs的阻值来改变增益。但是由于这两种可变增益放大器的环路增益都比较低，因此导致这两种可变增益放大器的线性度都比较低。

实用新型内容

本实用新型所要解决的是现有可变增益放大器线性度和环路增益较低的问题，提供一种适用于生物医学信号采集模拟前端的可变增益放大器。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种适用于生物医学信号采集模拟前端的可变增益放大器，包括电容C1、C2，NMOS管M1、M2、M5、M6，PMOS管M3、M4、M_FB1、M_FB2、M_FB3、M_FB4，电阻R_cm1、R_cm2、Rs，电流源I_L1、I_L2，以及跨导放大器A1、A2。NMOS管M1的栅极形成可变增益放大器的正输入端V_in+；NMOS管M1的源极、电阻Rs的一端和NMOS管M5的漏极相连；NMOS管M1的漏极、PMOS管M3的漏极、电阻R_cm1的一端、PMOS管M_FB1的栅极和电容C₁的一端相连后形成可变增益放大器的正输出端V_out+。PMOS管M2的栅极形成可变增益放大器的负输入端V_in-；PMOS管M2的源极、电阻Rs的另一端和NMOS管M6的漏极相连；PMOS管M2的漏极、PMOS管M4的漏极、电阻R_cm2的一端、PMOS管M_FB2的栅极和电容C₂的一端相连后形成可变增益放大器的负输出端V_out-。跨导放大器A1的正输入端和跨导放大器A2的正输入端接电压VB；PMOS管M_FB1的漏极、PMOS管M_FB3的源极与跨导放大器A1的负输入端相连；PMOS管M_FB2的漏极、PMOS管M_FB4的源极与跨导放大器A2的负输入端相连；PMOS管M_FB3的栅极与跨导放大器A1的输出端相连；PMOS管M_FB4的栅极与跨导放大器A2的输出端相连。PMOS管M3的栅极、PMOS管M4的栅极、电阻R_cm1的一端和电阻R_cm2的一端相连；PMOS管M_FB3的漏极、NMOS管M5的栅极和电流源I_L1的一端相连；PMOS管M_FB4的漏极、NMOS管M6的栅极和电流源I_L2的一端和相连。PMOS管M3的源极、PMOS管M4的源极、MOS管M_FB1的源极和PMOS管M_FB2的源极接电源电压VDD；NMOS管M5的源极、NMOS管M6的源极、电容C₁的另一端、C₂的另一端、电流源I_L1的另一端和电流源I_L2的另一端接地。

上述方案中，电容C₁和C₂的型号相同，电阻R_cm1和R_cm2的型号相同，NMOS管M1和M2的型号相同，NMOS管M5和M6的型号相同，PMOS管M3和M4的型号相同，PMOS管M_FB1和M_FB2的型号相同，PMOS管M_FB3和M_FB4的型号相同，电流源I_L1和I_L2的型号相同。

上述方案中，跨导放大器A1和跨导放大器A2的结构相同，均包括NMOS管M9、M10、M11、M12，PMOS管M7、M8、M13、M14、M15、M16，以及电流源I_L3。PMOS管M7的栅极形成该跨导放大器的正输入端V_in+；PMOS管M8的栅极形成该跨导放大器的负输入端V_in-相连。PMOS管M7的漏极、NMOS管M10的栅极与漏极和NMOS管M9的栅极相连；PMOS管M8的漏极、NMOS管M11的栅极与漏极和NMOS管M12的栅极相连。PMOS管M7的源极与衬底、PMOS管M8的源极与衬底和PMOS管M16的漏极相连；NMOS管M12的漏极与PMOS管的漏极相连后形成该跨导放大器的输出端V_out。NMOS管M9的漏极、PMOS管M13的漏极与栅极和PMOS管M14的栅极相连；PMOS管M16的栅极、PMOS管M15的栅极与漏极和电流源I_L3的一端相连。PMOS管M13的源极、PMOS管M14的源极、PMOS管M15的源极和PMOS管M16的源极接电源电压V_DD。NMOS管M9的源极、NMOS管M10的源极、NMOS管M11的源极、NMOS管M12的源极和电流源I_L3的另一端接地。

上述方案中，PMOS管M7和M8的型号相同，PMOS管M13和M14的型号相同，PMOS管M15和M16的型号相同，NMOS管M9、M10、M11和M12的型号相同。

与现有技术相比，本实用新型的可变增益放大器能够实现较高的环路增益和低的总谐波失真，拥有较好的线性度，在输入信号幅度0～30mV范围内，最大输入信号幅度对应的总谐波失真不大于0.5％。

附图说明

图1为现有生物医学信号采集模拟前端的基本结构图；

图2(a)和(b)为两种现有可变增益放大器的电路示意图；

图3为本实用新型适用于生物医学信号采集模拟前端的可变增益放大器的电路示意图；

图4为图3中跨导放大器A1、A2的电路示意图；

图5为总谐波失真曲线对比图；

图6为双频测试的结果对比图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

一种适用于生物医学信号采集模拟前端的可变增益放大器，其整体电路架构如图3所示，电路包括：电容C1、C2，NMOS管M1、M2、M5、M6，PMOS管M3、M4、M_FB1、M_FB2、M_FB3、M_FB4，电阻R_cm1、R_cm2、Rs，电流源I_L1、I_L2，以及跨导放大器A1、A2。NMOS管M1的栅极形成可变增益放大器的正输入端V_in+。NMOS管M1的源极、电阻Rs的一端和NMOS管M5的漏极相连。NMOS管M1的漏极、PMOS管M3的漏极、电阻R_cm1的一端、PMOS管M_FB1的栅极和电容C₁的一端相连后形成可变增益放大器的正输出端V_out+。PMOS管M2的栅极形成可变增益放大器的负输入端V_in-。PMOS管M2的源极、电阻Rs的另一端和NMOS管M6的漏极相连。PMOS管M2的漏极、PMOS管M4的漏极、电阻R_cm2的一端、PMOS管M_FB2的栅极和电容C₂的一端相连后形成可变增益放大器的负输出端V_out-。跨导放大器A1的正输入端和跨导放大器A2的正输入端接电压VB。PMOS管M_FB1的漏极、PMOS管M_FB3的源极与跨导放大器A1的负输入端相连。PMOS管M_FB2的漏极、PMOS管M_FB4的源极与跨导放大器A2的负输入端相连。PMOS管M_FB3的栅极与跨导放大器A1的输出端相连。PMOS管M_FB4的栅极与跨导放大器A2的输出端相连。PMOS管M3的栅极、PMOS管M4的栅极、电阻R_cm1的一端和电阻R_cm2的一端相连。PMOS管M_FB3的漏极、NMOS管M5的栅极和电流源I_L1的一端相连。PMOS管M_FB4的漏极、NMOS管M6的栅极和电流源I_L2的一端和相连。PMOS管M3的源极、PMOS管M4的源极、MOS管M_FB1的源极和PMOS管M_FB2的源极接电源电压VDD。NMOS管M5的源极、NMOS管M6的源极、电容C₁的另一端、C₂的另一端、电流源I_L1的另一端和电流源I_L2的另一端接地。其中电容C₁和C₂的型号相同，电阻R_cm1和R_cm2的型号相同，NMOS管M1和M2的型号相同，NMOS管M5和M6的型号相同，PMOS管M3和M4的型号相同，PMOS管M_FB1和M_FB2的型号相同，PMOS管M_FB3和M_FB4的型号相同，电流源I_L1和I_L2的型号相同。

上述跨导放大器A1和A2的结构相同，其电路结构如图4所示，电路包括：NMOS管M9、M10、M11、M12，PMOS管M7、M8、M13、M14、M15、M16，以及电流源I_L3。PMOS管M7的栅极形成该跨导放大器的正输入端V_in+-。PMOS管M8的栅极形成该跨导放大器的负输入端V_in-相连。PMOS管M7的漏极、NMOS管M10的栅极与漏极和NMOS管M9的栅极相连。PMOS管M8的漏极、NMOS管M11的栅极与漏极和NMOS管M12的栅极相连。PMOS管M7的源极与衬底、PMOS管M8的源极与衬底和PMOS管M16的漏极相连。NMOS管M12的漏极与PMOS管的漏极相连后形成该跨导放大器的输出端V_out。NMOS管M9的漏极、PMOS管M13的漏极与栅极和PMOS管M14的栅极相连。PMOS管M16的栅极、PMOS管M15的栅极与漏极和电流源I_L3的一端相连。PMOS管M13的源极、PMOS管M14的源极、PMOS管M15的源极和PMOS管M16的源极接电源电压V_DD。NMOS管M9的源极、NMOS管M10的源极、NMOS管M11的源极、NMOS管M12的源极和电流源I_L3的另一端接地。其中PMOS管M7和M8的型号相同，PMOS管M13和M14的型号相同，PMOS管M15和M16的型号相同，NMOS管M9、M10、M11和M12的型号相同。

图2(a)所示的可变增益放大器，其可以通过调节负反馈电阻Rs的阻值来改变放大器的增益。由式(1)可知，负反馈电阻Rs不仅增大放大器的环路增益到gm_1,2Rs,并且还提高了放大器的线性度。

图2(a)所示的可变增益放大器，其源极接两个尾电源I_L是为了降低电阻Rs两端的直流电压之差。但是此电路结构存在一些的问题，即电路的噪声将会比没有负反馈电阻Rs的噪声要更高。因为没有负反馈电阻Rs，尾电源I_L的噪声当作共模信号输出，而有负反馈电阻Rs，每个尾电源都会产生一些噪声。从尾电源I_L向M1源极和负反馈电阻Rs看进去的阻抗分别为1/gm1,2和Rs+1/gm1,2所以输出参考电流噪声等于：

图2(b)所示可变增益放大器，其设计思想是通过额外增加一条通过负反馈电阻Rs的反馈路径来提高环路增益。PMOS管MFB栅极与输出相连，并将小信号电流反馈回输入管M1，M2的源极，其环路增益为：

因为加入了负反馈，图2(b)的可变增益放大器比图2(a)的可变增益放大器具有更低的共模阻抗，因此也不需要额外的共模反馈环路。但是因为加入了PMOS管MFB，电路噪声相比之前会有小幅度的增加。因为晶体管的工作点会随着输入信号的改变而改变，所以随着输入信号的幅度的增大，输出信号的失真也在增加。随着输入信号的幅度的增大，总的谐波失真也在增加。因为图2(a)的可变增益放大器的环路增益低，所以其线性度也就没有图2(b)的可变增益放大器的好，总的谐波失真比图2(b)的可变增益放大器高。

而在本实用新型的可变增益放大器结构中，NMOS管M1、M2作为输入管，PMOS管M3、M4作为有源负载，电阻Rcm不仅为电路输出共模电压Vcm，而且也同时调整PMOS管M3、M4的栅极电压和输出电压Vout，PMOS管MFB1、MFB2以及跨导放大器A1将输出电压转换为小信号电流输出并与NMOS管M5、M6的栅极相连，形成负反馈网络，环路增益为：

LG＝A1·(gmro)₁(gmro)_FB1(gmro)_FB2(gmro)₅ (4)

由(4)式可以看出本实用新型的环路增益提高到A1倍，远高于图2的两种可变增益放大器。由于本实用新型的环路增益远远大于图2(b)的环路增益，因此电路的失真将减小，如式(5)所示：

使用Cadence Spectre模拟设计环境和TSMC 0.18um进行模拟技术参数验证了本实用新型的可行性。

图5为本实用新型的可变增益放大器与图2(a)和(b)所示传统的可变增益放大器的总谐波失真曲线对比图。在输入信号幅度在0～30mV范围内，本实用新型的可变增益放大器在最大信号幅度下的总谐波失真仅为0.44％，图2(a)和(b)的可变增益放大器在最大信号幅度下的总谐波失真分别为4.6％和2.8％。而对于高灵敏度的生物医学信号采集模拟前端来说，最大输入信号幅度对应的总谐波失真应小于2.5％。显然传统的可变增益放大器的线性度不符合生物医学信号采集模拟前端的要求。而本实用新型的可变增益放大器能够实现较高的环路增益和低的总谐波失真，拥有较好的线性度，在输入信号幅度0～30mV范围内，最大输入信号幅度对应的总谐波失真不大于0.5％。

图6为本实用新型的可变增益放大器与图2(b)所示传统的可变增益放大器的双频测试的结果对比图。输入信号分别为9.5kHz和10.5kHz，在频率为11.5kHz上，可以看出本实用新型的可变增益放大器相对于图2(b)的可变增益放大器的三阶谐波失真减少了14dB。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。

Claims

1.一种适用于生物医学信号采集模拟前端的可变增益放大器，其特征是，包括电容C1、C2，NMOS管M1、M2、M5、M6，PMOS管M3、M4、M_FB1、M_FB2、M_FB3、M_FB4，电阻R_cm1、R_cm2、Rs，电流源I_L1、I_L2，以及跨导放大器A1、A2；

NMOS管M1的栅极形成可变增益放大器的正输入端V_in+；NMOS管M1的源极、电阻Rs的一端和NMOS管M5的漏极相连；NMOS管M1的漏极、PMOS管M3的漏极、电阻R_cm1的一端、PMOS管M_FB1的栅极和电容C₁的一端相连后形成可变增益放大器的正输出端V_out+；

PMOS管M2的栅极形成可变增益放大器的负输入端V_in-；PMOS管M2的源极、电阻Rs的另一端和NMOS管M6的漏极相连；PMOS管M2的漏极、PMOS管M4的漏极、电阻R_cm2的一端、PMOS管M_FB2的栅极和电容C₂的一端相连后形成可变增益放大器的负输出端V_out-；

跨导放大器A1的正输入端和跨导放大器A2的正输入端接电压VB；PMOS管M_FB1的漏极、PMOS管M_FB3的源极与跨导放大器A1的负输入端相连；PMOS管M_FB2的漏极、PMOS管M_FB4的源极与跨导放大器A2的负输入端相连；PMOS管M_FB3的栅极与跨导放大器A1的输出端相连；PMOS管M_FB4的栅极与跨导放大器A2的输出端相连；

PMOS管M3的栅极、PMOS管M4的栅极、电阻R_cm1的一端和电阻R_cm2的一端相连；PMOS管M_FB3的漏极、NMOS管M5的栅极和电流源I_L1的一端相连；PMOS管M_FB4的漏极、NMOS管M6的栅极和电流源I_L2的一端和相连；

PMOS管M3的源极、PMOS管M4的源极、MOS管M_FB1的源极和PMOS管M_FB2的源极接电源电压VDD；NMOS管M5的源极、NMOS管M6的源极、电容C₁的另一端、C₂的另一端、电流源I_L1的另一端和电流源I_L2的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的一种适用于生物医学信号采集模拟前端的可变增益放大器，其特征是，电容C₁和C₂的型号相同，电阻R_cm1和R_cm2的型号相同，NMOS管M1和M2的型号相同，NMOS管M5和M6的型号相同，PMOS管M3和M4的型号相同，PMOS管M_FB1和M_FB2的型号相同，PMOS管M_FB3和M_FB4的型号相同，电流源I_L1和I_L2的型号相同。

3.根据权利要求1所述的一种适用于生物医学信号采集模拟前端的可变增益放大器，其特征是，跨导放大器A1和跨导放大器A2的结构相同，均包括NMOS管M9、M10、M11、M12，PMOS管M7、M8、M13、M14、M15、M16，以及电流源I_L3；

PMOS管M7的栅极形成该跨导放大器的正输入端V_in+；PMOS管M8的栅极形成该跨导放大器的负输入端V_in-相连；

PMOS管M7的漏极、NMOS管M10的栅极与漏极和NMOS管M9的栅极相连；PMOS管M8的漏极、NMOS管M11的栅极与漏极和NMOS管M12的栅极相连；

PMOS管M7的源极与衬底、PMOS管M8的源极与衬底和PMOS管M16的漏极相连；NMOS管M12的漏极与PMOS管的漏极相连后形成该跨导放大器的输出端V_out；

NMOS管M9的漏极、PMOS管M13的漏极与栅极和PMOS管M14的栅极相连；PMOS管M16的栅极、PMOS管M15的栅极与漏极和电流源I_L3的一端相连；

PMOS管M13的源极、PMOS管M14的源极、PMOS管M15的源极和PMOS管M16的源极接电源电压V_DD；

NMOS管M9的源极、NMOS管M10的源极、NMOS管M11的源极、NMOS管M12的源极和电流源I_L3的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的一种适用于生物医学信号采集模拟前端的可变增益放大器，其特征是，PMOS管M7和M8的型号相同，PMOS管M13和M14的型号相同，PMOS管M15和M16的型号相同，NMOS管M9、M10、M11和M12的型号相同。