KR101190811B1 - A tunable band-pass filter for multi-biopotential signal processing system - Google Patents

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이석
정병호
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Abstract

PURPOSE: A tunable band pass filter for processing a multi-bio signal is provided to reduce an occupied area using one load capacitor instead of an array of a load capacitor occupying a large area. CONSTITUTION: A tunable band pass filter for processing a multi-bio signal comprises an amplifier(100) and a variable constant-voltage rectifier(200) for controlling a bandwidth. The band pass filter comprises first and second feedback loops(300a,300b), first and second input capacitors(Cin1,Cin2), and first and second load capacitors(CL1,CL2). The amplifier controls output resistance. The amplifier comprises a differential amplification part generating an output current and a bias part generating a bias current. [Reference numerals] (200) Variable constant-voltage rectifier

Description

다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터{A TUNABLE BAND-PASS FILTER FOR MULTI-BIOPOTENTIAL SIGNAL PROCESSING SYSTEM}Band-Adjustable Bandpass Filter for Multi-Bio Signal Processing {A TUNABLE BAND-PASS FILTER FOR MULTI-BIOPOTENTIAL SIGNAL PROCESSING SYSTEM}

본 발명은 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 여러 생체 신호를 하나의 칩으로 구현하고자 할 때 각 신호의 주파수 대역에 맞게 회로의 주파수 특성을 조절할 수 있도록 한 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터에 관한 것이다.
The present invention relates to a band-adjustable band pass filter for processing multiple bio-signals, and more particularly, to adjust the frequency characteristics of a circuit according to a frequency band of each signal when implementing multiple bio-signals in one chip. A band-adjustable band pass filter for multiple biosignal processing.

일반적으로, 생체 신호 중 뇌파(Electroencephalogram), 심전도(Electrocardiogram), 근전도(Electromyogram)를 모두 측정할 수 있는 생체 신호 측정 시스템의 아날로그 프론트-앤드(Analog Front-End) 칩 회로는 초기 증폭단과 대역 조정 가능한 대역 통과 필터단, 그리고 가변 이득 증폭단으로 구성할 수 있다.In general, the analog front-end chip circuit of a biosignal measurement system capable of measuring electroencephalogram, electrocardiogram, and electromyogram in a biosignal is capable of initial amplification and band adjustment. It can be configured as a band pass filter stage and a variable gain amplifier stage.

이들 생체 신호는 각각의 신호 크기와 주파수 대역이 조금씩 다르다. 뇌파 신호는 약 0.1Hz~100Hz의 주파수 대역에 존재하며 약 1uV~100uV의 크기를 갖는다. 심전도 신호는 약 0.1Hz~500Hz에 존재하며 약 100uV~5mV의 크기를 갖는다. 근전도 신호는 약 20Hz~1KHz의 주파수 대역에 존재하여 다소 높은 주파수 특성을 갖지만 약 20uV~3mV의 크기로 심전도 신호보다 낮은 크기를 갖는다. 그러므로, 각 신호 특성에 맞는 이득 대역폭을 선정하기 위해서는 대역 통과 필터단에 대역폭 조절 기능이 필요하다.These biosignals differ slightly in signal size and frequency band. EEG signals exist in the frequency range of about 0.1Hz to 100Hz and have a magnitude of about 1uV to 100uV. The ECG signal is present at about 0.1Hz to 500Hz and has a size of about 100uV to 5mV. The EMG signal is present in the frequency band of about 20Hz to 1KHz, and has a slightly higher frequency characteristic, but is about 20uV to 3mV, which is lower than the ECG signal. Therefore, in order to select a gain bandwidth for each signal characteristic, a bandwidth adjustment function is required at the band pass filter stage.

도 1은 종래의 일 실시예에 따른 대역 조정 가능한 대역 통과 필터를 나타낸 회로도로서, 이러한 대역 통과 필터는 부하 커패시터 열(array)(CL열)을 사용하여 대역폭을 조절한다.1 is a circuit diagram illustrating a band-adjustable band pass filter according to a conventional embodiment, which uses a load capacitor array (C L column) to adjust bandwidth.

각 생체 신호의 주파수 특성을 살펴보면, 저대역 -3dB 통과 주파수(fL)의 대역이 약 0.1Hz~0.3Hz부터 시작하는 것을 알 수 있다. 그러므로, 대역 통과 필터에서 이러한 특성을 만들어 내기 위해 큰 저항이나 큰 커패시터가 필요하다. 이를 구현하기 위해서는 일반적으로 피모스(PMOS)를 이용한 가상 저항(pseudo resistor)(Rpseudo)을 사용한다. 도 1에서 형성되는 저대역 -3dB 통과 주파수(fL)는 하기의 식 1과 같이 결정된다. Rpseudo는 가상 저항의 저항 수치이며, CF는 귀환 루프에 사용된 커패시터의 값이다.Looking at the frequency characteristics of each biological signal, it can be seen that the band of the low band -3dB pass frequency (f L ) starts from about 0.1Hz to 0.3Hz. Therefore, large resistors or large capacitors are needed to produce these characteristics in a band pass filter. To accomplish this, a pseudo resistor (R pseudo ) using PMOS is generally used. The low band -3dB pass frequency f L formed in FIG. 1 is determined by Equation 1 below. R pseudo is the resistance value of the virtual resistor, and C F is the value of the capacitor used in the feedback loop.

(식 1)(Equation 1)

Figure 112011039197667-pat00001
Figure 112011039197667-pat00001

고대역 -3dB 차단 주파수(fH)는 하기의 식 2와 같이 나타낼 수 있다. RO는 증폭기(OTA)의 출력 저항이고, CL은 부하 커패시터 값이다.The high band -3 dB cutoff frequency f H can be expressed by Equation 2 below. R O is the output resistance of the amplifier (OTA) and C L is the load capacitor value.

(식 2)(Equation 2)

Figure 112011039197667-pat00002
Figure 112011039197667-pat00002

본 발명의 생체 신호 측정 시스템 칩 설계에서 커패시터의 크기는 칩 면적의 큰 부분을 차지한다. 그러므로, 작은 크기의 커패시터는 저면적 설계의 주요 목표가 되겠다. 대역 통과 필터를 칩으로 구현하기 위해 커패시터 열(CL열)을 사용할 경우, 고대역 -3dB 차단 주파수를 설정하기 위한 커패시터의 값은 증폭기 출력 저항 RO를 1.24MΩ으로 가정했을 때 도 2의 그래프를 통해 알 수 있다.In the biosignal measurement system chip design of the present invention, the size of the capacitor occupies a large part of the chip area. Therefore, small capacitors will be the main goal of low area design. When using a capacitor column (C L column) to implement a band pass filter as a chip, the value of the capacitor to set the high-band -3 dB cutoff frequency is assumed in the graph of Figure 2, assuming the amplifier output resistance R O of 1.24 MΩ. This can be seen through.

한편, 주파수 대역이 가장 낮은 뇌파의 경우 약 100Hz의 매우 낮은 fH가 필요하므로 RO가 약 1.24MΩ일 경우 대략 1.28nF에 해당하는 부하 커패시터 값이 필요하다. 이때, 상기 부하 커패시터는 금속과 금속 사이의 절연층을 내장하는 엠아이엠(MIM:Metal-Insulator-Metal) 커패시터를 이용하거나 상층 폴리(poly)층과 하층 폴리(poly)층 사이에 절연층을 내장하는 이중 폴리(Poly)(poly 1층과 poly 2층)를 이용하여 구현할 수 있다. 이 커패시터를 칩 내에 내장하여 커패시터 열(array)(CL열)로 사용하게 되면 회로 구성에 사용되는 칩의 대부분 면적을 커패시터가 차지하게 되어 경제성이 없어지는 문제점이 있다.On the other hand, the EEG with the lowest frequency band requires very low f H of about 100 Hz, so a load capacitor value of approximately 1.28 nF is required when R O is about 1.24 MΩ. In this case, the load capacitor may use a metal-insulator-metal (MIM) capacitor having an insulating layer therebetween, or may include an insulating layer between an upper poly layer and a lower poly layer. It can be implemented by using a double poly (poly 1 layer and poly 2 layers). If the capacitor is embedded in the chip and used as a capacitor array (C L column), the capacitor occupies most of the chip used in the circuit configuration, and thus there is a problem in that the economic efficiency is lost.

이러한 문제를 해결하기 위해 현재 알려진 방법으로는 MOSFET 트랜지스터의 게이트와 채널 사이에 형성되는 절연층을 이용한 모스캡(MOSCAP)을 사용한 방법이 있다.In order to solve this problem, currently known methods include MOSCAP using an insulating layer formed between the gate and the channel of the MOSFET transistor.

도 3은 종래의 다른 실시예에 따른 모스캡을 사용하여 설계한 대역폭 조절이 가능한 대역 통과 필터를 나타낸 회로도이다.3 is a circuit diagram illustrating a band-adjustable band pass filter designed using a MOS cap according to another exemplary embodiment.

도 3을 참조하면, 모스캡을 사용한 방법과 기존의 엠아이엠(MIM:Metal-Insulator-Metal) 커패시터를 사용한 방법의 정확한 비교를 위해 부하 커패시터(CL)열로써 모스캡을 사용한 대역 통과 필터를 구성한 방식은 도 4와 같은 특성이 나타난다. 이때, 증폭기의 가상 저항(Rpseudo) 등은 동일한 조건으로 가정하였다. 증폭기의 출력 저항 Ro가 약 1.24MΩ라고 가정할 때 약 100Hz의 fH를 만들기 위해서는 약 100u/20u 크기의 피모스(PMOS)나 엔모스(NMOS) 트랜지스터가 약 38개가 필요함을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, a band pass filter using a MOS cap as a load capacitor (C L ) column for an accurate comparison between a method using a MOS cap and a conventional method using a metal-insulator-metal (MIM) capacitor is used. The configured method has the characteristics as shown in FIG. In this case, it is assumed that the virtual resistance (R pseudo ) of the amplifier is the same. Assuming the amplifier's output resistance, R o, is about 1.24 MΩ, we need about 38 PMOS or NMOS transistors of about 100 u / 20 u to make f H of about 100 Hz.

이 결과를 미루어 보아, 부하 커패시터 열(CL열)을 구현할 때 모스캡을 이용한다면 엠아이엠(MIM:Metal-Insulator-Metal) 커패시터보다는 면적을 작게 구현할 수 있음을 알 수 있다. 그러나, 이것조차도 칩 안에 내장하기에는 아직 많이 크다는 문제점이 있다.
From these results, it can be seen that if MOS cap is used to implement the load capacitor column (C L column), the area can be smaller than that of MIM (Metal-Insulator-Metal) capacitor. However, there is a problem that even this is still too large to be embedded in the chip.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 여러 생체 신호를 하나의 칩으로 구현하고자 할 때 각 신호의 주파수 대역에 맞게 회로의 주파수 특성을 조절할 수 있도록 한 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터를 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, an object of the present invention is to implement a multi-biological signal to adjust the frequency characteristics of the circuit according to the frequency band of each signal when trying to implement a plurality of bio-signals in one chip To provide a band-adjustable band pass filter for processing.

본 발명의 다른 목적은 대역 통과 필터의 고대역 -3dB 차단 주파수를 조절하기 위해, 기존의 방법과 같이 칩 면적이 커지는 부하 커패시터 열을 사용하지 않고 대역폭 조절을 하는 대역 통과 필터를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a band pass filter that adjusts the bandwidth without using a load capacitor array in which the chip area is increased, as in the conventional method, to adjust the high band -3 dB cutoff frequency of the band pass filter.

이를 위해 -3dB 차단 주파수는 증폭기(OTA)의 출력 저항 RO에 비례함(식 2)을 이용하여 증폭기(OTA)의 트랜스 컨덕턴스(gm)를 조절함으로써 증폭기 출력 저항

Figure 112011039197667-pat00003
을 조절하여 회로 면적을 최소화하면서 대역폭 조절이 가능한 대역 통과 필터를 제안한다. 이러한 방법을 사용하면 칩 면적을 많이 차지하게 되는 여러 개의 커패시터 열(array)이 하나로 대치되어 칩 면적을 현저히 줄일 수 있고, 이 커패시터 열을 구동하는 증폭기 구동능력도 최소화할 수 있어 전력 소모가 적은 칩 회로 구현이 가능하다.
To do this, the -3 dB cutoff frequency is proportional to the output resistance R O of the amplifier (OTA) (Equation 2), which adjusts the transconductance (g m ) of the amplifier (OTA).
Figure 112011039197667-pat00003
We propose a band pass filter with adjustable bandwidth while minimizing circuit area. This method replaces several capacitor arrays that occupy a large area of the chip with a single chip, thereby significantly reducing the chip area and minimizing the amplifier driving ability to drive the capacitor array. Circuit implementation is possible.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 비반전 및 반전 입력/출력단자를 갖으며, 외부의 바이어스 전압에 따라 트랜스컨덕턴스의 값이 변경되어 출력저항을 조절하는 증폭기; 상기 바이어스 전압을 선택적으로 변경하여 상기 증폭기에 공급하는 가변 정전압 정류기; 상기 증폭기의 비반전 입력단자와 반전 출력단자 사이에 제1 귀환 커패시터 및 제1 저항이 병렬 연결되어 형성되는 제1 귀환 루프; 상기 증폭기의 반전 입력단자와 비반전 출력단자 사이에 제2 귀환 커패시터 및 제2 저항이 병렬 연결되어 형성되는 제2 귀환 루프; 상기 증폭기의 비반전 및 반전 입력단자에 직렬로 각각 하나씩 연결된 제1 및 제2 입력 커패시터; 및 상기 증폭기의 반전 및 비반전 출력단자와 접지 사이에 직렬로 각각 하나씩 연결된 제1 및 제2 부하 커패시터를 포함하며, 상기 증폭기의 비반전 및 반전 입력단자로 입력되는 다중 생체 신호에 따라 이득 대역폭을 조절하여 상기 증폭기의 비반전 및 반전 출력단자로 출력되는 것을 특징으로 하는 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터를 제공하는 것이다.One aspect of the present invention to achieve the above object, an amplifier having a non-inverting and inverting input / output terminal, the transconductance value is changed according to the external bias voltage to adjust the output resistance; A variable constant voltage rectifier for selectively changing the bias voltage to supply the amplifier; A first feedback loop formed by connecting a first feedback capacitor and a first resistor in parallel between a non-inverting input terminal and an inverting output terminal of the amplifier; A second feedback loop formed by connecting a second feedback capacitor and a second resistor in parallel between an inverting input terminal and a non-inverting output terminal of the amplifier; First and second input capacitors each connected in series to non-inverting and inverting input terminals of the amplifier; And first and second load capacitors respectively connected in series between the inverting and non-inverting output terminals of the amplifier and the ground, respectively, and obtaining a gain bandwidth according to multiple bio signals inputted to the non-inverting and inverting input terminals of the amplifier. The present invention provides a band-adjustable band pass filter for multiple biosignal processing, which is controlled and output to the non-inverting and inverting output terminals of the amplifier.

여기서, 상기 제1 및 제2 입력 커패시터는 상기 제1 및 제2 귀환 커패시터와 동일한 크기로 이루어짐이 바람직하다.Here, the first and second input capacitors preferably have the same size as the first and second feedback capacitors.

바람직하게, 상기 가변 정전압 정류기로부터 출력되는 가변 바이어스 전압에 의해 고대역 -3dB 차단 주파수가 변화할 수 있다.Preferably, the high band −3 dB cutoff frequency may be changed by the variable bias voltage output from the variable constant voltage rectifier.

바람직하게, 상기 증폭기의 고대역 -3dB 차단 주파수(fH)는 하기의 식 6에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터.Preferably, the high band -3 dB cutoff frequency f H of the amplifier is calculated by Equation 6 below.

(식 6)(Equation 6)

Figure 112011039197667-pat00004
Figure 112011039197667-pat00004

여기서, 상기 gmOTA는 상기 증폭기의 트랜스컨덕턴스 값이며, 상기 CL은 상기 제1 또는 제2 부하 커패시터의 값이다.Here, gm OTA is a transconductance value of the amplifier, and C L is a value of the first or second load capacitor.

바람직하게, 상기 증폭기는, 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(Operational Transconductance Amplifier, OTA)로서, 제1 및 제2 입력단자를 통해 입력받은 두 신호의 차이에 따라 바이어스 전류를 분배하고 증폭하여 출력 전류를 생성하는 차동증폭부; 및 상기 차동증폭부에 상기 가변 정전압 정류기로부터 출력된 가변 바이어스 전압을 이용하여 상기 바이어스 전류를 생성하는 바이어스부를 포함할 수 있다.Preferably, the amplifier is an operational transconductance amplifier (OTA), which differentially distributes and amplifies a bias current according to a difference between two signals received through the first and second input terminals to generate an output current. Amplification unit; And a bias unit configured to generate the bias current by using the variable bias voltage output from the variable constant voltage rectifier in the differential amplifier.

바람직하게, 상기 가변 정전압 전류기는, 반전(-) 및 비반전(+) 입력단자와 하나의 출력단자를 갖으며, 반전(-) 입력단자를 통해 외부의 입력전압(Vin)을 제공받는 증폭 수단; 상기 증폭 수단의 출력단자에 게이트 단자가 연결되고, 그 소오스 단자에 전원전압 단자(VDD)가 연결됨과 아울러 그 드레인 단자에 상기 증폭 수단의 비반전(+) 입력단자가 연결되는 트랜지스터(M14); 상기 증폭 수단의 비반전(+) 입력단자에 그 소오스 단자가 각각 병렬로 연결되며, 그 게이트 및 드레인 단자가 서로 공통으로 연결되는 다수의 트랜지스터(M15~M19); 다수의 트랜지스터(M15~M19)의 드레인 단자에 각각 하나씩 스위치의 일단이 연결되어 선택적으로 스위칭(Switching)하는 스위치부; 및 외부의 바이어스(Bias)와 게이트 단자가 연결됨과 아울러 그 소오스 단자가 상기 스위치부에 구비된 각 스위치의 타단 및 바이어스 전압(VC) 단자에 연결되며, 그 드레인 단자는 접지에 연결되는 트랜지스터(M20)가 포함될 수 있다.
Preferably, the variable constant voltage ammeter has an inverting (-) and non-inverting (+) input terminal and one output terminal, and an amplification receiving an external input voltage (V in ) through the inverting (-) input terminal. Way; A transistor (M14) having a gate terminal connected to an output terminal of the amplifying means, a power supply voltage terminal (VDD) connected to the source terminal thereof, and a non-inverting (+) input terminal of the amplifying means connected to a drain terminal thereof; A plurality of transistors M15 to M19 having their source terminals connected in parallel to the non-inverting (+) input terminals of the amplifying means, and their gate and drain terminals being connected to each other in common; A switch unit having one end of a switch connected to each of the drain terminals of the plurality of transistors M15 to M19 and selectively switching; And an external bias and gate terminal, the source terminal of which is connected to the other end of each switch and the bias voltage (VC) terminal of the switch, and the drain terminal of which is connected to ground (M20). ) May be included.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터에 따르면, 큰 면적을 차지하는 커패시터를 수십 개의 부하 커패시터 열(array)로 배열하여 구현하지 않고 하나의 부하 커패시터를 사용함으로써 적은 면적으로 구현할 수 있는 이점이 있다.According to the band-adjustable band pass filter for multi-body signal processing according to the present invention as described above, it is possible to use a single load capacitor instead of implementing a capacitor that occupies a large area by arranging dozens of load capacitor arrays. There is an advantage that can be realized in area.

또한, 본 발명에 따르면, 가변 정전압 정류기내의 스위치 동작으로 인한 바이어스 전압(VC)의 변화를 통해 증폭기의 트랜스컨덕턴스를 조정하여 증폭기 출력 저항

Figure 112011039197667-pat00005
을 변경함으로써 대역폭을 조절하게 되어 회로의 면적을 최소화할 수 있으며, 실제 스위치가 내장된 정전압 정류기가 추가되지만 부하 커패시터에 비하면 현저하게 작은 면적을 차지하므로 전체적인 면적을 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.Further, according to the present invention, the amplifier output resistance by adjusting the transconductance of the amplifier through the change of the bias voltage (VC) due to the switch operation in the variable constant voltage rectifier
Figure 112011039197667-pat00005
By changing the bandwidth, the circuit area can be adjusted to minimize the area of the circuit. In addition, the constant voltage rectifier with the built-in switch is added, but since it occupies a significantly smaller area than the load capacitor, the overall area can be greatly reduced.

또한, 본 발명에 따르면, 커패시터 열(array)을 구동하지 않아도 되므로 증폭기의 구동 전류를 작게 설계해도 무방하므로 저전력 소모의 대역 통과 필터의 구현이 가능한 이점이 있다.
In addition, according to the present invention, since it is not necessary to drive the capacitor array (array), it is possible to design a small drive current of the amplifier, there is an advantage that can be implemented a low-power consumption band pass filter.

도 1은 종래의 일 실시예에 따른 대역 조정 가능한 대역 통과 필터를 나타낸 회로도이다.
도 2는 도 1의 회로도에 대한 교류 실험 결과의 예를 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래의 다른 실시예에 따른 모스캡을 사용하여 설계한 대역폭 조절이 가능한 대역 통과 필터를 나타낸 회로도이다.
도 4는 도 3의 회로도에 대한 교류 실험 결과의 예를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터를 나타낸 회로도이다.
도 6은 도 5의 증폭기를 구체적으로 설명하기 위한 회로도이다.
도 7은 도 5의 가변 정전압 정류기를 구체적으로 설명하기 위한 회로도이다.
도 8은 도 7의 회로도에 대한 스위칭 동작에 따른 출력 바이어스 전압(VC)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 7의 가변 정전압 정류기의 출력 바이어스 전압(VC)에 따른 대역 통과 필터의 고대역 -3dB 차단 주파수의 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is a circuit diagram illustrating a band-adjustable band pass filter according to a conventional embodiment.
FIG. 2 is a graph showing an example of an AC test result for the circuit diagram of FIG. 1.
3 is a circuit diagram illustrating a band-adjustable band pass filter designed using a MOS cap according to another exemplary embodiment.
4 is a graph showing an example of an AC test result for the circuit diagram of FIG. 3.
5 is a circuit diagram illustrating a band-adjustable band pass filter for processing multiple biosignals according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a circuit diagram for describing in detail the amplifier of FIG. 5.
FIG. 7 is a circuit diagram for describing in detail the variable constant voltage rectifier of FIG. 5.
FIG. 8 is a graph illustrating an output bias voltage VC according to a switching operation of the circuit diagram of FIG. 7.
FIG. 9 is a graph illustrating a change in the high band −3 dB cutoff frequency of the band pass filter according to the output bias voltage VC of the variable constant voltage rectifier of FIG. 7.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터는, 크게 종래의 부하 커패시터 열(array)이 없고 하나의 부하 커패시터만을 갖는 대역 통과 필터 회로와 바이어스 전압(VC)으로 트랜스컨덕턴스(gm)의 값을 변경할 수 있는 증폭기, 그리고 바이어스 전압(VC)을 변경할 수 있는 정전압 정류기(regulator)로 구성된다. 이 구조는 부하 커패시터가 추가적으로 사용되지 않는 것과 증폭기의 고대역 -3dB 차단 주파수가 컨덕턴스(

Figure 112011039197667-pat00006
)와 관계 있음을 응용하여 이득 대역폭을 조절하는 것을 특징으로 한다.
First, a band-adjustable band pass filter for processing multiple bio signals according to an embodiment of the present invention includes a band pass filter circuit and a bias voltage VC having only one load capacitor without a conventional load capacitor array. It consists of an amplifier that can change the value of the transconductance (g m ), and a constant voltage regulator that can change the bias voltage (VC). This architecture eliminates the need for additional load capacitors and the high-band -3dB cutoff frequency of the amplifier.
Figure 112011039197667-pat00006
) To adjust the gain bandwidth.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터를 나타낸 회로도이고, 도 6은 도 5의 증폭기를 구체적으로 설명하기 위한 회로도이며, 도 7은 도 5의 가변 정전압 정류기를 구체적으로 설명하기 위한 회로도이다.FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a band-adjustable band pass filter for processing multiple biosignals according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a circuit diagram for explaining the amplifier of FIG. 5 in detail. It is a circuit diagram for demonstrating concretely a constant voltage rectifier.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터는, 크게 증폭기(100), 대역폭 조절을 위한 가변 정전압 정류기(regulator)(200), 제1 및 제2 귀환 루프(300a 및 300b), 제1 및 제2 입력 커패시터(Cin1 및 Cin2), 제1 및 제2 부하 커패시터(CL1 및 CL2) 등을 포함하여 이루어진다.5 to 7, a band-adjustable band pass filter for processing multiple biosignals according to an embodiment of the present invention includes an amplifier 100, a variable constant voltage rectifier 200 for bandwidth adjustment, And first and second feedback loops 300a and 300b, first and second input capacitors C in1 and C in2 , first and second load capacitors C L1 and C L2 , and the like.

여기서, 증폭기(100)는 비반전(+) 및 반전(-) 입력/출력단자를 갖으며, 외부의 바이어스 전압(VC)에 따라 트랜스컨덕턴스(gm)의 값이 변경되어 출력저항(RO)을 조절하는 기능을 수행한다.Here, the amplifier 100 has non-inverting (+) and inverting (-) input / output terminals, and the value of the transconductance (g m ) is changed according to the external bias voltage (VC) so that the output resistance R O ) To adjust the function.

이러한 증폭기(100)는 도 6에 도시된 바와 같이, 폴디드 캐스코드 증폭기(Folded Cascade Amplifier)라고 하는 것으로서 일반적으로 큰 이득을 갖고 큰 출력 저항 값을 갖는 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(Operational Transconductance Amplifier, OTA)이며, 바이어스 전압(VC)이 변하면 트랜지스터(M1)의 드레인에 흐르는 전류(ID)가 상기의 식 3에 의해 변하고 이 전류에 의해 증폭기 전체 트랜스컨덕턴스(gm) 값 즉, 출력 저항(RO) 값이 변한다.As shown in FIG. 6, the amplifier 100 is referred to as a folded cascade amplifier and generally has an operational transconductance amplifier (OTA) having a large gain and a large output resistance value. When the bias voltage VC changes, the current I D flowing in the drain of the transistor M1 is changed by Equation 3 above, and the current total transconductance (g m ) of the amplifier, that is, the output resistance R O. ) Value changes.

즉, 증폭기(100)는 제1 및 제2 입력단자(Vin+ 및 Vin-)를 통해 입력받은 두 신호의 차이에 따라 바이어스 전류를 분배하고 증폭하여 출력 전류를 생성하는 차동증폭부(110)와, 차동증폭부(110)에 가변 정전압 정류기(200)로부터 출력된 가변 바이어스 전압(VC)을 이용하여 상기 바이어스 전류를 생성하는 바이어스부(120)로 구성되어 있다.That is, the amplifier 100 divides and amplifies a bias current according to a difference between two signals received through the first and second input terminals V in + and V in− , and generates a differential current 110. And a bias unit 120 generating the bias current using the variable bias voltage VC output from the variable constant voltage rectifier 200 to the differential amplifier 110.

즉, 차동증폭부(110)는 제1 및 제2 입력단자(Vin+ 및 Vin-)를 통해 입력된 두 신호의 차이에 따라 바이어스부(120)를 통해 공급되는 바이어스 전류를 각각 트랜지스터(M2)의 드레인 전류 및 트랜지스터(M3)의 드레인 전류로 나누어서 증폭한다.That is, the differential amplifier 110 applies the bias current supplied through the bias unit 120 according to the difference between the two signals input through the first and second input terminals V in + and V in− , respectively, to the transistor M2. Amplify by dividing by the drain current of the transistor and the drain current of the transistor M3.

이러한 차동증폭부(110)는 제1 및 제2 입력단자(Vin+ 및 Vin-)의 차동 전압을 입력받는 트랜지스터(M2 및 M3), 출력 전류 증폭을 위한 다수의 트랜지스터(M4 내지 M13)를 포함한다.The differential amplifier 110 may include transistors M2 and M3 that receive differential voltages of the first and second input terminals V in + and V in− , and a plurality of transistors M4 to M13 for amplifying the output current. Include.

바이어스부(120)는 직류 바이어스 전압(VC)에 의해 전류원 역할을 하는 트랜지스터(M1)를 포함하고, 바이어스 전압(VC)을 이용하여 소정의 전류를 차동증폭부(110)로 공급하며, 트랜지스터(M1)가 이 역할을 담당한다.The bias unit 120 includes a transistor M1 serving as a current source by the DC bias voltage VC, supplies a predetermined current to the differential amplifier 110 using the bias voltage VC, and M1) plays this role.

한편, 미설명부호 VDD는 전원전압 단자이고, VSS는 접지단자이며, Vout+ 및 Vout-는 각각 제1 및 제2 출력전압 단자이다.Meanwhile, reference numeral VDD denotes a power supply voltage terminal, VSS denotes a ground terminal, and V out + and V out− denote first and second output voltage terminals, respectively.

그리고, 가변 정전압 정류기(200)는 바이어스 전압(VC)을 선택적으로 변경하여 증폭기(100)에 공급하는 기능을 수행한다.In addition, the variable constant voltage rectifier 200 selectively changes the bias voltage VC to supply the amplifier 100.

이러한 가변 정전압 정류기(200)는 도 7에 도시된 바와 같이, 반전(-) 및 비반전(+) 입력단자와 하나의 출력단자를 갖으며, 반전(-) 입력단자를 통해 외부의 입력전압(Vin)을 제공받는 증폭기(210)와, 증폭기(210)의 출력단자에 게이트 단자가 연결되고, 그 소오스 단자에 전원전압 단자(VDD)가 연결됨과 아울러 그 드레인 단자에 증폭기(210)의 비반전(+) 입력단자가 연결되는 트랜지스터(M14)와, 증폭기(210)의 비반전(+) 입력단자에 그 소오스 단자가 각각 병렬로 연결되며, 그 게이트 및 드레인 단자가 서로 공통으로 연결되는 다수의 트랜지스터(M15~M19)와, 다수의 트랜지스터(M15~M19)의 드레인 단자에 각각 하나씩 스위치의 일단이 연결되어 선택적으로 스위칭(Switching)하는 스위치부(220) 및 외부의 바이어스(Bias)와 게이트 단자가 연결됨과 아울러 그 소오스 단자가 스위치부(220)에 구비된 각 스위치의 타단 및 바이어스 전압(VC) 단자에 연결되며, 그 드레인 단자는 접지에 연결되는 트랜지스터(M20) 등을 포함하여 구성되어 있다.As shown in FIG. 7, the variable constant voltage rectifier 200 has an inverting (-) and non-inverting (+) input terminal and one output terminal, and an external input voltage ( V in ) and the gate terminal is connected to the output terminal of the amplifier 210, the power supply voltage terminal (VDD) is connected to its source terminal and the ratio of the amplifier 210 to the drain terminal thereof. A plurality of source terminals are connected in parallel to a transistor M14 to which an inverting (+) input terminal is connected, and a non-inverting (+) input terminal of an amplifier 210, respectively, and the gate and drain terminals thereof are commonly connected to each other. One end of the switch is connected to each of the transistors M15 to M19 and the drain terminals of the plurality of transistors M15 to M19, and a switch unit 220 for selectively switching and an external bias and gate The terminal is connected and the source terminal It is connected to the other end of each switch and the bias voltage (VC) terminal provided in the switch unit 220, the drain terminal is configured to include a transistor (M20) and the like connected to the ground.

제1 귀환 루프(300a)는 증폭기(100)의 비반전(+) 입력단자(Vin)와 반전(-) 출력단자(Vout) 사이에 제1 귀환 커패시터(CF1)와 이 제1 귀환 커패시터(CF1)와 병렬 연결된 가상 저항(Rpseudo)인 제1 저항(R1)으로 형성되어 있다.The first feedback loop 300a includes a first feedback capacitor C F1 and the first feedback between the non-inverting (+) input terminal (V in ) and the inverting (-) output terminal (V out ) of the amplifier 100. The first resistor R 1 is formed as a virtual resistor R pseudo connected in parallel with the capacitor C F1 .

제2 귀환 루프(300b)는 증폭기(100)의 반전(-) 입력단자(Vin)와 비반전(+) 출력단자(Vout) 사이에 제2 귀환 커패시터(CF2)와 이 제2 귀환 커패시터(CF2)와 병렬 연결된 가상 저항(Rpseudo)인 제2 저항(R2)으로 형성되어 있다.The second feedback loop 300b includes the second feedback capacitor C F2 and the second feedback between the inverting (-) input terminal (V in ) and the non-inverting (+) output terminal (V out ) of the amplifier 100. The second resistor R 2 is formed as a virtual resistor R pseudo connected in parallel with the capacitor C F2 .

제1 및 제2 입력 커패시터(Cin1 및 Cin2)는 증폭기(100)의 비반전(+) 및 반전(-) 입력단자(Vin)에 직렬로 각각 하나씩 연결되어 있다.The first and second input capacitors C in1 and C in2 are connected in series to the non-inverting (+) and inverting (−) input terminals V in of the amplifier 100, respectively.

제1 및 제2 부하 커패시터(CL1 및 CL2)는 증폭기(100)의 반전(-) 및 비반전(+) 출력단자(Vout)와 접지(GND) 사이에 직렬로 각각 하나씩 연결되어 있다.The first and second load capacitors C L1 and C L2 are connected in series between the inverting (-) and non-inverting (+) output terminals V out and the ground (GND) of the amplifier 100, respectively. .

한편, 제1 및 제2 입력 커패시터(Cin1 및 Cin2)는 제1 및 제2 귀환 커패시터(CF1 및 CF2)와 동일한 크기로 이루어짐이 바람직하다.Meanwhile, the first and second input capacitors C in1 and C in2 may have the same size as the first and second feedback capacitors C F1 and C F2 .

상기와 같이 구성된 본 발명에서는 저면적 저전력으로 대역폭 조정이 가능한 대역 통과 필터를 설계하기 위해 기존의 방식과는 달리 커패시터 열을 사용하지 않고 증폭기의 출력 저항(RO)을 조정함으로써 대역폭을 조절하는 방법을 제안하였다.In the present invention configured as described above, in order to design a band pass filter capable of adjusting bandwidth with low area and low power, a method of adjusting the bandwidth by adjusting the output resistance (R O ) of the amplifier without using a capacitor column unlike the conventional method. Suggested.

먼저, 본 발명에서는 저전력 설계를 위해 모든 회로가 서브스레쉬홀드(Subthreshold) 영역에서 동작하게 설계하였으며, 상기 서브스레쉬홀드 영역에서의 바이어스 전류는 매우 작은 값을 갖게 되어 회로의 전류 소모를 적게 할 수 있다. 이때, 증폭기 회로의 트랜스컨덕턴스(gm) 값은 전류 값에 비례한 값을 갖도록 설계한다.First, in the present invention, all circuits are designed to operate in a subthreshold region for a low power design, and the bias current in the subthreshold region has a very small value to reduce the current consumption of the circuit. Can be. At this time, the transconductance (gm) value of the amplifier circuit is designed to have a value proportional to the current value.

하기의 식 3과 식 4는 서브스레쉬홀드 영역에서의 모스펫(MOSFET) 전류 공식과 트랜스컨덕턴스(gm) 공식이다.Equations 3 and 4 below are MOSFET current and transconductance (gm) formulas in the subthreshold region.

(식 3)(Equation 3)

Figure 112011039197667-pat00007
Figure 112011039197667-pat00007

(식 4)(Equation 4)

Figure 112011039197667-pat00008
Figure 112011039197667-pat00008

한편, 본 발명에서 사용하는 대역 통과 필터 회로는 같은 크기의 제1 및 제2 입력 커패시터(Cin1 및 Cin2)와 제1 및 제2 귀환 커패시터(CF1 및 CF2)를 사용하여 이득을 0dB로 할 수 있지만 필요에 따라 변경할 수 있다. 고대역 -3dB 차단 주파수는 하기의 식 5와 같다. 이 식 5는 저항 커패시터 필터(Gm-C) 구조의 고대역 -3dB 차단 주파수와 동일하다.Meanwhile, the band pass filter circuit used in the present invention uses a first and second input capacitors C in1 and C in2 and the first and second feedback capacitors C F1 and C F2 of the same size to obtain a gain of 0 dB. You can, but you can change it as needed. The high band -3 dB cutoff frequency is shown in Equation 5 below. Equation 5 is equivalent to the high-band -3dB cutoff frequency of the resistor capacitor filter (Gm-C) structure.

증폭기(100)의 이득은 단일 이득이기 때문에 입력 신호에 의해 출력에 흐르는 전류는 트랜스컨덕턴스(gmOTA) 값으로 나타낼 수 있으며, 이는 트랜스컨덕턴스(gmOTA)의 역수가 저항 값을 의미하는 것을 뜻한다. 즉, 식 2와 식 5에서 보이는 바와 같이 증폭기(100)의 트랜스컨덕턴스(gmOTA)는 저항-커패시터 필터에서 저항의 역수로 작용함을 알 수 있다. 그러므로, 기존의 대역 통과 필터는 상기의 식 2에 의거하여 증폭기(100)의 트랜스컨덕턴스(gmOTA)는 고정 값으로 유지하고 부하 커패시터 열(array)의 값을 조정하여 대역폭을 조절하였다.Since the gain of the amplifier 100 is a single gain, the current flowing to the output by the input signal can be represented by a transconductance (gm OTA ) value, which means that the inverse of the transconductance (gm OTA ) means a resistance value. . That is, as shown in Equation 2 and Equation 5 it can be seen that the transconductance (gm OTA ) of the amplifier 100 acts as the inverse of the resistance in the resistor-capacitor filter. Therefore, the conventional band pass filter maintains the transconductance (gm OTA ) of the amplifier 100 at a fixed value and adjusts the bandwidth of the load capacitor array based on Equation 2 above.

본 발명에서는 저면적 설계를 위해 부하 커패시터 열(array)을 사용하지 않고 증폭기(100)의 트랜스컨덕턴스(gmOTA)를 변경하여 대역폭을 조절한다. 트랜스컨덕턴스(gmOTA)의 조절은 상기의 식 4에 의거해 정전류 값을 조절하여 구현한다. 도 6에 나타난 증폭기(100)의 정전류 값은 도 7에 도시한 정류기에서 출력된 바이어스 전압(VC)에 의해 결정된다.In the present invention, the bandwidth is adjusted by changing the transconductance (gm OTA ) of the amplifier 100 without using a load capacitor array for low area design. The transconductance (gm OTA ) is adjusted by adjusting the constant current value based on Equation 4 above. The constant current value of the amplifier 100 shown in FIG. 6 is determined by the bias voltage VC output from the rectifier shown in FIG.

(식 5)(Eq. 5)

Figure 112011039197667-pat00009
Figure 112011039197667-pat00009

한편, 도 6은 본 발명에서 제안한 대역폭 조절 가능한 대역 통과 필터 회로에 사용되는 증폭기(100)를 나타낸 회로도로서, 차동 출력에 필요한 공통모드 전압 귀환 회로(CMFB)는 생략하였으며, 입력단의 정전류 값을 결정하는 피모스(PMOS) 트랜지스터(M1)의 게이트 전압이 외부의 바이어스 전압(VC) 단자에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.FIG. 6 is a circuit diagram illustrating an amplifier 100 used in a bandwidth-adjustable band pass filter circuit proposed in the present invention, and a common mode voltage feedback circuit (CMFB) necessary for a differential output is omitted, and a constant current value of an input terminal is determined. The gate voltage of the PMOS transistor M1 is connected to an external bias voltage VC terminal.

또한, 가변 정전압 정류기(200)로부터 출력되는 바이어스 전압(VC)은 외부 단자에 연결되며, 이 전압의 변화로 증폭기(100)의 트랜지스터(M1)의 전류를 변화시키고, 이로 인해 회로의 트랜스컨덕턴스(gmOTA)를 조절하여 대역 통과 필터의 고대역 -3dB 차단 주파수를 조절한다.In addition, the bias voltage VC output from the variable constant voltage rectifier 200 is connected to an external terminal, and the change of the voltage changes the current of the transistor M1 of the amplifier 100, thereby causing a transconductance ( gm OTA ) to adjust the high pass -3dB cutoff frequency of the bandpass filter.

이러한 응용에 사용되는 가변 정전압 정류기(200)는 도 7에 도시된 바와 같이, 회로 내의 스위칭 동작을 통해 출력 전압을 조절할 수 있도록 설계하였다. 기본 구조는 일반적인 증폭기를 사용한 정전압 정류기의 형태를 띤다. 하지만, 중간 전류 흐름에 참여하는 피모스(PMOS) 트랜지스터의 개수를 스위칭 동작을 통해 조절함으로써 저항 값을 조절하여 출력 바이어스 전압(VC)을 조절한다.The variable constant voltage rectifier 200 used in this application is designed to adjust the output voltage through the switching operation in the circuit, as shown in FIG. The basic structure takes the form of a constant voltage rectifier using a conventional amplifier. However, by adjusting the number of PMOS transistors participating in the intermediate current flow through the switching operation, the resistance value is adjusted to adjust the output bias voltage VC.

도 8은 이러한 가변 정전압 정류기의 스위칭 동작에 따른 출력 바이어스 전압(VC)의 측정 결과 예이다. 도 9는 도 8에서 보여진 가변 정전압 정류기의 출력 바이어스 전압(VC)의 변화에 따라 살펴본 대역 통과 필터의 고대역 -3dB 차단 주파수의 측정 결과 예이다. 지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명에서의 대역 통과 필터는 커패시터 열을 사용하지 않고 바이어스 전압(VC)의 변환을 통한 회로의 트랜스컨덕턴스(gmOTA)를 조절함으로써 대역 통과 필터의 고대역 -3dB 차단 주파수를 조절함을 볼 수 있다.8 illustrates an example of a measurement result of the output bias voltage VC according to the switching operation of the variable constant voltage rectifier. FIG. 9 is an example of a measurement result of a high band -3 dB cutoff frequency of a band pass filter examined according to a change in the output bias voltage VC of the variable constant voltage rectifier shown in FIG. 8. As we have seen so far, the band pass filter in the present invention adjusts the transconductance (gm OTA ) of the circuit through the conversion of the bias voltage (VC) without the use of capacitor strings, thereby allowing the high band -3 dB cutoff frequency of the band pass filter. You can see that it adjusts.

이상에서 본 발명에 따른 대역폭 조절이 가능한 대역 통과 필터 회로의 올바른 동작에 대한 설명을 하였다. 이처럼, 본 발명에서 제안하는 회로는 다중 생체 신호 측정 분야뿐만 아니라 아날로그 회로 전 분야에서 저면적 설계를 위해 사용될 수 있는 것이라고 할 수 있다.
The correct operation of the band pass filter circuit that can adjust the bandwidth according to the present invention has been described above. As such, the circuit proposed in the present invention can be said to be used for low-area design not only in the field of multiple bio-signal measurement but also in analog circuits.

한편, 본 발명의 대역 통과 필터는 전술한 도 2의 그래프와 같이 주파수 fL 이하의 신호 성분과 주파수 fH 이상의 신호 성분을 제거시켜, 주파수 fL과 주파수 fH 사이의 신호 성분만 선택적으로 통과시키는 필터이다. 여기서, 주파수 fL과 주파수 fH는 통상적으로 상기의 식 1 및 식 2에 의해 정의된다.On the other hand, only the signal components between the band-pass filter of the invention is to remove signal components with frequency f H or more signal components of the frequency f L or less as shown in a graph of FIG 2, frequency f L and the frequency f H selectively passing Filter. Here, the frequency f L and the frequency f H are typically defined by Equations 1 and 2 above.

이때, 생체 신호 처리에 사용되는 주파수 fL는 매우 낮아야 하며 이 때 이것을 구현하는 저항은 매우 크게 된다. 일반적인 매우 큰 저항을 반도체 칩 내에 구현하려면 칩 면적을 매우 많이 차지하므로 가격이 비싸진다. 따라서, MOS 트랜지스터의 오프(OFF) 상태 누설전류(leakage current)를 이용하게 되면 매우 큰 저항을 얻게 된다. 이것을 가상 저항(Rpseudo)이라 하며 수십 Gohm의 저항을 작은 칩 면적으로 구현되므로 경제적인 가격으로 구현이 가능하다.At this time, the frequency f L used for the biosignal processing must be very low, and the resistance to implement this becomes very large. To implement a typical very large resistance in a semiconductor chip is very expensive because it takes up a lot of chip area. Therefore, when the OFF state leakage current of the MOS transistor is used, a very large resistance is obtained. This is called a virtual resistor (R pseudo ) and can be realized at an economical price by implementing tens of Gohm resistors with a small chip area.

또한, 귀환 루프에 사용되는 커패시터는 매우 큰 저항과 함께, 역시 주파수 fL을 결정하는 데 사용된다(식 1 참조). 한편, 원하는 주파수 대역 내의 전체 증폭기 이득(Cin/CF)을 CF에 의해 결정한다. 입력 커패시터(Cin1 및 Cin2)도 주파수 대역 내의 전체 증폭기 이득을 결정한다.In addition, the capacitor used in the feedback loop, with a very large resistance, is also used to determine the frequency f L (see equation 1). On the other hand, the total amplifier gain C in / C F in a desired frequency band is determined by C F. Input capacitors C in1 and C in2 also determine the overall amplifier gain within the frequency band.

일반적인 생체 신호의 경우 DC 값을 제거해야 하므로 주파수 fL가 약 0.3Hz~0.8Hz낮기만 하면 거의 모든 응용에서 동일하다. 그러나, 주파수 fH는 응용에 따라 변해야 한다.In the case of a general biosignal, the DC value needs to be removed, so the frequency f L is about 0.3 Hz to 0.8 Hz low, which is the same for almost all applications. However, the frequency f H must vary depending on the application.

즉, 주파수 fH는 상기의 식 2에 의해 결정하며, 종래 기술에서는 증폭기(OTA) 출력 저항을 고정시키고, 부하 캐패시터 열(CL열)을 배치시킨 후 선택적으로 가져다가 구현하였지만, 이 경우 부하 캐패시터 열(CL열)이 반도체 칩 면적을 매우 크게 하므로 역시 비싸게 구현된다. 부하 캐패시터를 고정시키고 증폭기(OTA) 출력 저항을 선택적으로 변경하게 되면 적은 칩 면적에 구현이 가능하다.That is, the frequency f H is determined by Equation 2 above, and in the prior art, the amplifier (OTA) output resistance is fixed, and the load capacitor column (C L column) is arranged and selectively taken and implemented. Capacitor rows (C L columns) are also expensive because they make the semiconductor chip area very large. Fixing the load capacitors and selectively changing the amplifier (OTA) output resistance allows for a small chip area.

이때, 도 6의 증폭기(100) 출력 저항을 변환하기 위해 가변 정전압 정류기(200)의 출력 정전압을 가변적으로 변환시키는 가변 정전압 정류기를 설계하였다. 도 7의 가변 정전압 정류기(200)는 스위치에 의해 선택적으로 트랜지스터 저항 값을 변환시켜 구현함으로써, 조정 가능한 정전압 바이어스 전압(VC)을 얻을 수 있다. 이 조정 가능한 정전압 바이어스 전압(VC)은 도 6의 증폭기(100)의 바이어스 공급 전류를 변환시킴으로써, 상기의 식 3 및 식 4에 의해 증폭기(100)의 전체 트랜스컨덕턴스(gm) 값을 변환시킨다. 이 때 변환되는 트랜스컨덕턴스(gm) 값은 RO=1/ gm 의 관계에 의해 증폭기(100)의 출력 저항 값을 변화시키게 된다. 이것으로 주파수 fH를 선택적으로 변화시킬 수 있다.In this case, in order to convert the output resistance of the amplifier 100 of FIG. 6, a variable constant voltage rectifier for converting the output constant voltage of the variable constant voltage rectifier 200 is designed. The variable constant voltage rectifier 200 of FIG. 7 may be implemented by selectively converting transistor resistance values by a switch to obtain an adjustable constant voltage bias voltage VC. This adjustable constant voltage bias voltage VC converts the bias supply current of the amplifier 100 of FIG. 6, thereby converting the total transconductance gm value of the amplifier 100 by Equations 3 and 4 above. In this case, the converted transconductance (gm) value changes the output resistance value of the amplifier 100 by the relationship of R 0 = 1 / gm. This allows the frequency f H to be selectively changed.

한편, 도 7의 가변 정전압 정류기(200)는 일반적인 정전압 정류기에 스위치와 함께 서로 다른 저항 값을 갖는 트랜지스터(M=1, M=2, M=4, M=8, M16)를 연결함으로써 바이어스 전압(VC)을 변경시킬 수 있다.On the other hand, the variable constant voltage rectifier 200 of FIG. 7 is connected to a general constant voltage rectifier with a switch by connecting transistors having different resistance values (M = 1, M = 2, M = 4, M = 8, M16) to bias voltage. (VC) can be changed.

즉, 도 7에서 증폭기(210)의 비반전(+) 입력은 반전(-) 입력(Vin)과 같고, 바이어스 전압(VC)은 바이어스(Bias)가 연결된 MOS 트랜지스터(M20)의 출력 저항과 스위치부(220)에 선택 연결된 트랜지스터(M15~M19)의 출력 저항 비에 의해 결정되는데, 스위치부(220)에 선택 연결된 트랜지스터(M15~M19)의 출력 저항이 선택적으로 변하게 되므로 바이어스 전압(VC) 값을 조절할 수 있다.
That is, in FIG. 7, the non-inverting (+) input of the amplifier 210 is equal to the inverting (−) input (V in ), and the bias voltage VC is equal to the output resistance of the MOS transistor M20 to which the bias is connected. The output resistance of the transistors M15 to M19 selectively connected to the switch unit 220 is determined. The output resistance of the transistors M15 to M19 selected and connected to the switch unit 220 is selectively changed. You can adjust the value.

전술한 본 발명에 따른 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
Although a preferred embodiment of a band-adjustable band pass filter for processing multiple biosignals according to the present invention has been described above, the present invention is not limited thereto, but is within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. It is possible to carry out various modifications and this also belongs to this invention.

100 : 증폭기,
200 : 가변 정전압 정류기,
300a 및 300b : 제1 및 제2 귀환 루프
100: amplifier,
200: variable constant voltage rectifier,
300a and 300b: first and second feedback loops

Claims (6)

비반전 및 반전 입력/출력단자를 갖으며, 외부의 바이어스 전압에 따라 트랜스컨덕턴스의 값이 변경되어 출력저항을 조절하는 증폭기;
상기 바이어스 전압을 선택적으로 변경하여 상기 증폭기에 공급하는 가변 정전압 정류기;
상기 증폭기의 비반전 입력단자와 반전 출력단자 사이에 제1 귀환 커패시터 및 제1 저항이 병렬 연결되어 형성되는 제1 귀환 루프;
상기 증폭기의 반전 입력단자와 비반전 출력단자 사이에 제2 귀환 커패시터 및 제2 저항이 병렬 연결되어 형성되는 제2 귀환 루프;
상기 증폭기의 비반전 및 반전 입력단자에 직렬로 각각 하나씩 연결된 제1 및 제2 입력 커패시터; 및
상기 증폭기의 반전 및 비반전 출력단자와 접지 사이에 직렬로 각각 하나씩 연결된 제1 및 제2 부하 커패시터를 포함하며,
상기 증폭기의 비반전 및 반전 입력단자로 입력되는 다중 생체 신호에 따라 이득 대역폭을 조절하여 상기 증폭기의 비반전 및 반전 출력단자로 출력되는 것을 특징으로 하는 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터.
An amplifier having non-inverting and inverting input / output terminals, the transconductance value being changed according to an external bias voltage to adjust an output resistance;
A variable constant voltage rectifier for selectively changing the bias voltage to supply the amplifier;
A first feedback loop formed by connecting a first feedback capacitor and a first resistor in parallel between a non-inverting input terminal and an inverting output terminal of the amplifier;
A second feedback loop formed by connecting a second feedback capacitor and a second resistor in parallel between an inverting input terminal and a non-inverting output terminal of the amplifier;
First and second input capacitors each connected in series to non-inverting and inverting input terminals of the amplifier; And
First and second load capacitors connected in series between the inverting and non-inverting output terminals of the amplifier and ground, respectively,
Band-adjustable band pass filter for processing multiple bio-signals, characterized in that the gain bandwidth is adjusted according to the multiple bio-signals input to the non-inverting and inverting input terminals of the amplifier and output to the non-inverting and inverting output terminals of the amplifier.
제1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 입력 커패시터는 상기 제1 및 제2 귀환 커패시터와 동일한 크기로 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터.
The method according to claim 1,
And the first and second input capacitors have the same size as the first and second feedback capacitors.
제1 항에 있어서,
상기 가변 정전압 정류기로부터 출력되는 가변 바이어스 전압에 의해 고대역 -3dB 차단 주파수가 변하는 것을 특징으로 하는 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터.
The method according to claim 1,
Band-adjustable band pass filter for processing multiple bio-signals, characterized in that the high-band -3dB cutoff frequency is changed by the variable bias voltage output from the variable constant voltage rectifier.
제1 항에 있어서,
상기 증폭기의 고대역 -3dB 차단 주파수(fH)는 하기의 식 6에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터.
(식 6)
Figure 112011039197667-pat00010

여기서, 상기 gmOTA는 상기 증폭기의 트랜스컨덕턴스 값이며, 상기 CL은 상기 제1 또는 제2 부하 커패시터의 값이다.
The method according to claim 1,
And a high band -3 dB cutoff frequency (f H ) of the amplifier is calculated by Equation 6 below.
(Equation 6)
Figure 112011039197667-pat00010

Here, gm OTA is a transconductance value of the amplifier, and C L is a value of the first or second load capacitor.
제1 항에 있어서,
상기 증폭기는, 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(Operational Transconductance Amplifier, OTA)로서,
제1 및 제2 입력단자를 통해 입력받은 두 신호의 차이에 따라 바이어스 전류를 분배하고 증폭하여 출력 전류를 생성하는 차동증폭부; 및
상기 차동증폭부에 상기 가변 정전압 정류기로부터 출력된 가변 바이어스 전압을 이용하여 상기 바이어스 전류를 생성하는 바이어스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터.
The method according to claim 1,
The amplifier is an operational transconductance amplifier (OTA),
A differential amplifier for distributing and amplifying a bias current according to a difference between two signals received through the first and second input terminals to generate an output current; And
And a bias unit configured to generate the bias current by using the variable bias voltage output from the variable constant voltage rectifier in the differential amplifier.
제1 항에 있어서,
상기 가변 정전압 전류기는,
반전(-) 및 비반전(+) 입력단자와 하나의 출력단자를 갖으며, 반전(-) 입력단자를 통해 외부의 입력전압(Vin)을 제공받는 증폭 수단;
상기 증폭 수단의 출력단자에 게이트 단자가 연결되고, 그 소오스 단자에 전원전압 단자(VDD)가 연결됨과 아울러 그 드레인 단자에 상기 증폭 수단의 비반전(+) 입력단자가 연결되는 트랜지스터(M14);
상기 증폭 수단의 비반전(+) 입력단자에 그 소오스 단자가 각각 병렬로 연결되며, 그 게이트 및 드레인 단자가 서로 공통으로 연결되는 다수의 트랜지스터(M15~M19);
다수의 트랜지스터(M15~M19)의 드레인 단자에 각각 하나씩 스위치의 일단이 연결되어 선택적으로 스위칭(Switching)하는 스위치부; 및
외부의 바이어스(Bias)와 게이트 단자가 연결됨과 아울러 그 소오스 단자가 상기 스위치부에 구비된 각 스위치의 타단 및 바이어스 전압(VC) 단자에 연결되며, 그 드레인 단자는 접지에 연결되는 트랜지스터(M20)가 포함되는 것을 특징으로 하는 다중 생체 신호 처리용 대역 조정 가능한 대역 통과 필터.
The method according to claim 1,
The variable constant voltage current device,
Amplifying means having an inverting (-) and non-inverting (+) input terminal and one output terminal and receiving an external input voltage V in through the inverting (-) input terminal;
A transistor (M14) having a gate terminal connected to an output terminal of the amplifying means, a power supply voltage terminal (VDD) connected to the source terminal thereof, and a non-inverting (+) input terminal of the amplifying means connected to a drain terminal thereof;
A plurality of transistors M15 to M19 having their source terminals connected in parallel to the non-inverting (+) input terminals of the amplifying means, and their gate and drain terminals being connected to each other in common;
A switch unit having one end of a switch connected to each of the drain terminals of the plurality of transistors M15 to M19 and selectively switching; And
An external bias and gate terminal are connected, and a source terminal thereof is connected to the other end of each switch and the bias voltage VC terminal of the switch unit, and the drain terminal thereof is connected to ground. Band-adjustable band pass filter for multiple bio-signal processing, characterized in that it comprises.
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