KR101569499B1 - Amplifying device for detecting EEG signal with improving CMRR - Google Patents

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Abstract

공통모드제거비가 개선된 뇌파 신호 검출용 증폭 장치가 개시된다. 뇌파 신호 검출용 증폭 장치는, 인체에 부착된 뇌파 신호 검출용 제1 전극으로부터 입력되는 뇌파 신호를 처리하는 제1 처리부; 인체에 부착된 뇌파 신호 검출용 제2 전극으로부터 입력되는 뇌파 신호를 처리하는 제2 처리부; 및 상기 제1 처리부로부터 입력되는 제1 차동 출력 신호와 상기 제2 처리부로부터 입력되는 제2 차동 출력 신호에서 공통모드 신호를 추출하여 상기 제1 처리부 및 상기 제2 처리부로 각각 입력하는 CMRR 개선 루프부를 포함한다.An amplifying apparatus for detecting an EEG signal with improved common mode rejection ratio is disclosed. An amplifying apparatus for detecting an EEG signal comprises: a first processing unit for processing an EEG signal input from a first electrode for detecting an EEG signal attached to a human body; A second processing unit for processing an EEG signal input from a second electrode for detecting an EEG signal attached to a human body; And a CMRR improvement loop unit for extracting a common mode signal from the first differential output signal input from the first processing unit and the second differential output signal input from the second processing unit and inputting the common mode signal to the first processing unit and the second processing unit, .

Description

공통모드제거비가 개선된 뇌파 신호 검출용 증폭 장치{Amplifying device for detecting EEG signal with improving CMRR}[0001] The present invention relates to an amplifying device for detecting an EEG signal with improved common-

본 발명은 공통모드제거비가 개선된 뇌파 신호 검출용 증폭 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an amplifying apparatus for detecting an EEG signal with improved common mode rejection ratio.

일반적으로 사람의 머리에 수 개의 전극패드를 부착하고 여기서 얻어지는 전기신호를 증폭하여 얻은 파형을 뇌파(Electro-Encephalogram, EEG)라고 하며, 전극 패드를 통해 측정된 신호에서 잡음을 효과적으로 제거하고 원하는 뇌파 신호를 검출하기 위한 기술들이 다양하게 개발되고 있다.Electro-encephalogram (EEG) is a waveform obtained by attaching several electrode pads to a person's head and amplifying the electric signals obtained therefrom. The electroencephalogram (EEG) is a waveform that effectively removes noise from a signal measured through an electrode pad, Have been developed variously.

일 예로, 유럽특허 제2294979호(Method and electronic medical device for simultaneously measuring and impedance and a biopotential signal)는 쵸퍼 안정화 기법을 이용한 뇌파 측정 장치를 제시하고 있다. For example, European Patent No. 2294979 (Method and electronic medical device for simultaneous measuring and impedance and a biopotential signal) proposes a device for measuring EEG using a chopper stabilization technique.

해당 유럽특허에서 제시하는 초퍼 안정화 기법을 적용한 뇌파 신호 검출 장치는 입력되는 미세 전압을 전류 신호로 변환하여 출력하는 입력부, 입력부에서 출력되는 전류를 전압으로 변환하고 증폭하여 출력하는 출력부, 입력부의 오프셋을 제거하기 위한 DC 서보 루프로 구성되는 계측 증폭기(Instrumentation Amplifier)를 포함한다. 이러한 뇌파 신호 검출 장치는 초퍼 안정화 기법을 적용함으로써 저주파 잡음의 회피가 가능할 것으로 예상된다.The EEG signal detecting apparatus applying the chopper stabilization technique disclosed in the European patent includes an input unit for converting input microvoltages into current signals and outputting them, an output unit for converting the current output from the input unit into a voltage, amplifying and outputting the voltage, And a DC servo loop for removing the DC servo loop. This EEG signal detection device is expected to avoid low frequency noise by applying the chopper stabilization technique.

고품질의 생체 신호를 획득하기 위해서는 증폭기에서 높은 공통모드제거비(Common Mode Rejection Ratio, CMRR)가 확보되어야 한다.A high common mode rejection ratio (CMRR) must be obtained at the amplifier in order to obtain high quality biomedical signals.

높은 공통모드제거비를 확보하기 위해서, 피드백 회로를 이용하여 인체의 기준 전압을 설정하는 기법(Driven Right Leg, DRL)이 일반적으로 사용되고 있고, 이는 미국특허 제5,392,784호(Virtual right leg drive and augmented right leg drive circuits for common mode voltage reduction in ECG and EEG measurements) 등에 상세히 개시되어 있다.In order to ensure a high common mode rejection ratio, a technique of setting the reference voltage of the human body using a feedback circuit (Driven Right Leg, DRL) is generally used, which is disclosed in US Pat. No. 5,392,784 (Virtual right leg drive and augmented right leg drive circuits for common mode voltage reduction in ECG and EEG measurements.

전술한 DRL 기법은 증폭기 차동 출력의 공통모드 신호를 증폭하여 인체로 음의 피드백을 수행함으로써 인체에서 발생하는 생체 신호의 공통모드 성분을 감소시키도록 구동된다. 이를 통해 증폭기의 출력 신호에서 측정되는 공통모드 성분이 감소되어 공통모드제거비가 개선되는 효과를 나타낸다.The above-described DRL technique is driven to reduce the common mode component of a living body signal generated in the human body by amplifying the common mode signal of the amplifier differential output and performing negative feedback to the human body. Whereby the common mode component measured in the output signal of the amplifier is reduced to show the effect of improving the common mode rejection ratio.

그러나 전술한 DRL 기법의 적용 시 인체의 기준 전압 설정을 위해 인체로 전류가 주입되기 때문에 안전성의 문제가 야기될 수 있다. 또한 증폭기의 측면에서 인체는 큰 부하로 작용하기 때문에 전류 소모가 증가하고 증폭기의 주파수 안정성이 저해되는 문제점도 있다.
However, when applying the DRL technique described above, since the current is injected into the human body in order to set the reference voltage of the human body, safety problems may be caused. In addition, since the human body acts as a large load on the side of the amplifier, the current consumption is increased and the frequency stability of the amplifier is deteriorated.

본 발명은 저전력 및 소형화가 가능하고, 인체 구동에 따른 안전성 문제를 해소할 수 있는 공통모드제거비가 개선된 뇌파 신호 검출용 증폭 장치를 제공하기 위한 것이다.It is an object of the present invention to provide an amplifying apparatus for detecting an EEG signal with improved common mode rejection ratio that can be reduced in power and size and can solve the safety problem caused by human body driving.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention will become readily apparent from the following description.

참고로, 본 특허출원은 산업통상자원부가 지원하는 국가연구개발사업인 "SW융합형부품 기술개발사업"을 통해 개발된 결과임을 밝힙니다. [10043826, 스마트환경에서 질환맞춤형 서비스를 위한 2uV급 두발잡음극복형 BMI SoC 및 SW 플랫폼 개발]
For reference, this patent application is developed through the "SW Convergent Parts Technology Development Project", a national research and development project supported by the Ministry of Commerce, Industry and Energy. [10043826, Development of BMI SoC and SW Platform with 2uV Level Noise Countermeasure for Disease Customized Service in Smart Environment]

본 발명의 일 측면에 따르면, 뇌파 신호 검출용 증폭 장치에 있어서, 인체에 부착된 뇌파 신호 검출용 제1 전극으로부터 입력되는 뇌파 신호를 처리하는 제1 처리부; 인체에 부착된 뇌파 신호 검출용 제2 전극으로부터 입력되는 뇌파 신호를 처리하는 제2 처리부; 및 상기 제1 처리부로부터 입력되는 제1 차동 출력 신호(OUTP)와 상기 제2 처리부로부터 입력되는 제2 차동 출력 신호(OUTN)에서 공통모드 신호를 추출하여 상기 제1 처리부 및 상기 제2 처리부로 각각 입력하는 CMRR(Common Mode Rejection Ratio) 개선 루프부를 포함하되, 상기 제1 처리부와 상기 제2 처리부 각각은, 대응되는 전극으로부터 입력되는 뇌파 신호에서 노이즈 성분을 제거하기 위한 커패시터 및 상기 커패시터로부터 출력되는 뇌파 신호를 소정의 증폭비로 증폭하여 출력하는 연산 증폭기를 포함하는 증폭부; 상기 연산 증폭기의 출력 신호 중 소정 주파수 대역의 저주파 신호를 추출하여 상기 연산 증폭기의 음의 입력단으로 피드백하는 저역 통과 필터부; 입력 임피던스의 증가를 위해 상기 연산 증폭기의 출력 신호를 반전 증폭하여 상기 연산 증폭기의 음의 입력단으로 피드백하는 고역 통과 반전 필터부; 및 상기 증폭부의 출력 신호 중 미리 지정된 주파수 대역의 신호를 필터링하여 상기 제1 또는 상기 제2 차동 출력 신호를 생성하는 대역 통과 필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌파 신호 검출용 증폭 장치가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided an amplifying apparatus for detecting an EEG signal, comprising: a first processing unit for processing an EEG signal input from a first electrode for detecting an EEG signal attached to a human body; A second processing unit for processing an EEG signal input from a second electrode for detecting an EEG signal attached to a human body; And a common processing unit for extracting a common mode signal from a first differential output signal (OUTP) input from the first processing unit and a second differential output signal (OUTN) input from the second processing unit and outputting the common mode signal to the first processing unit Wherein each of the first processing unit and the second processing unit includes a capacitor for removing a noise component from an EEG signal input from a corresponding electrode, and a second common mode rejection ratio An amplifier including an operational amplifier for amplifying and outputting a signal at a predetermined amplification ratio; A low pass filter unit for extracting a low frequency signal of a predetermined frequency band from the output signal of the operational amplifier and feeding back the low frequency signal to a negative input terminal of the operational amplifier; A high pass inversion filter unit for inverting and amplifying an output signal of the operational amplifier to increase an input impedance and feeding back the amplified signal to a negative input terminal of the operational amplifier; And a bandpass filter unit for filtering the signal of a predetermined frequency band among the output signals of the amplifying unit to generate the first or second differential output signal.

상기 공통모드 신호는 상기 연산 증폭기의 양의 입력단으로 입력되도록 구성될 수 있다.And the common mode signal may be inputted to a positive input terminal of the operational amplifier.

상기 CMRR 개선 루프부는 반전 가산기(invertig adder) 회로를 포함할 수 있다.The CMRR improvement loop section may include an invertig adder circuit.

상기 CMRR 개선 루프부는 고역 통과 특성이 확보되도록, 제1 차동 출력 신호(OUTP)와 제2 차동 출력 신호(OUTN)를 합산하기 위한 커패시터(Cin)에 의한 입력 임피던스와, 피드백 저항(Rf)과 피드백 커패시터(Cf)의 병렬 연결에 따른 피드백 임피던스를 포함할 수 있다.The CMRR improvement loop includes an input impedance by a capacitor C in for summing a first differential output signal OUT P and a second differential output signal OUT N so as to ensure a high pass characteristic, f and a feedback impedance due to the parallel connection of the feedback capacitor C f .

제1 처리부와 상기 제2 처리부 각각은, 제어 신호에 의해 상기 연산 증폭기의 입력단과 출력단을 단락시키기 위한 스위치부를 더 포함할 수도 있다.
Each of the first processing unit and the second processing unit may further include a switch unit for shorting an input terminal and an output terminal of the operational amplifier by a control signal.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
Other aspects, features, and advantages will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.

본 발명의 실시예에 따르면, 공통모드제거비를 개선함에 있어 저전력 및 소형화가 가능하고, 인체 구동에 따른 안전성 문제를 해소할 수 있는 효과가 있다.
According to the embodiment of the present invention, it is possible to reduce the power consumption and the miniaturization in improving the common mode rejection ratio, and it is possible to solve the safety problem due to the human body driving.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 신호 검출용 증폭 장치의 개략적인 블록 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 뇌파 신호 검출용 증폭 장치의 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMRR 개선 루프부의 동작 여부에 따른 CMRR 변화 상태를 시뮬레이션한 그래프.
1 is a schematic block diagram of an amplifying apparatus for detecting an EEG signal according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of the amplifying apparatus for detecting an EEG signal shown in FIG. 1. FIG.
3 is a graph simulating the CMRR change state depending on whether the CMRR improvement loop unit operates according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 신호 검출용 증폭 장치의 개략적인 블록 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 뇌파 신호 검출용 증폭 장치의 회로도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMRR 개선 루프부의 동작 여부에 따른 CMRR 변화 상태를 시뮬레이션한 그래프이다.FIG. 1 is a schematic block diagram of an amplifying apparatus for detecting an EEG signal according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram of an amplifying apparatus for detecting an EEG signal shown in FIG. 1, 5 is a graph simulating the CMRR change state depending on whether the CMRR improvement loop unit according to the embodiment operates.

도 1 및 도 2를 참조하면, 뇌파 신호 검출용 증폭 장치는 제1 증폭부(110a), 제1 스위치부(120a), 제1 저역 통과 필터부(130a), 제1 고역통과 반전 필터부(140a), 제1 대역통과 필터부(150a), CMRR 개선 루프부(160), 제2 증폭부(110ba), 제2 스위치부(120b), 제2 저역 통과 필터부(130b), 제2 고역통과 반전 필터부(140b) 및 제2 대역통과 필터부(150b)를 포함하여 구성될 수 있다.1 and 2, the amplifying apparatus for EEG signal detection includes a first amplifying unit 110a, a first switch unit 120a, a first low-pass filter unit 130a, a first high-pass reversal filter unit A first band-pass filter unit 150a, a CMRR improvement loop unit 160, a second amplifier unit 110ba, a second switch unit 120b, a second low-pass filter unit 130b, Pass reverse filter section 140b and a second band-pass filter section 150b.

여기서, 제1 증폭부(110a), 제1 스위치부(120a), 제1 저역 통과 필터부(130a), 제1 고역통과 반전 필터부(140a) 및 제1 대역통과 필터부(150a)는 인체에 부착된 뇌파 신호 검출용 양 전극으로부터 입력되는 뇌파 신호를 처리하기 위해 회로 연결되고, 제2 증폭부(110ba), 제2 스위치부(120b), 제2 저역 통과 필터부(130b), 제2 고역통과 반전 필터부(140b) 및 제2 대역통과 필터부(150b)는 인체에 부착된 뇌파 신호 검출용 음 전극으로부터 입력되는 뇌파 신호를 처리하기 위해 회로 연결된다.Here, the first amplification part 110a, the first switch part 120a, the first low-pass filter part 130a, the first high-pass reversal filter part 140a, and the first band-pass filter part 150a, A second switch unit 120b, a second low-pass filter unit 130b, a second low-pass filter unit 130b, and a second low-pass filter unit 130b. The high-pass inversion filter unit 140b and the second band-pass filter unit 150b are connected to a circuit for processing an EEG signal input from a negative electrode for EEG signal detection attached to a human body.

뇌파 신호 입력단들(INP, INN)을 통해 각각 입력된 뇌파 신호는 상응하도록 회로 연결된 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)에 포함된 입력 커패시터(Cin)에 의해 잡음 성분인 DC 성분이 제거되고, AC 성분만이 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)에 포함된 연산 증폭기의 입력단으로 입력된다.The EEG signals inputted through the EEG signal input terminals IN P and IN N are respectively inputted to the first and second amplifying units 110a and 110b connected to the first and second amplifying units 110a and 110b by the input capacitors C in , And only the AC component is input to the input terminal of the operational amplifier included in the first and second amplifying units 110a and 110b.

연산 증폭기는 관련논문 "A Micro-Power EEG Acquisition SoC With Integrated Feature Extraction Processor for a Chronic Seizure Detection System"(Naveen Verma, et al., IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 45, NO. 4, APRIL 2010)에 개시된 바와 같이, 모듈레이션 초퍼 및 디모듈레이션 초퍼를 포함하여 구성될 수 있다.The operational amplifier is described in the related paper "A Micro-Power EEG Acquisition SoC Integrated Feature Extraction Processor for a Chronic Seizure Detection System" (Naveen Verma, et al., IEEE JOURNAL OF SOLID STATE CIRCUITS, vol. 45, 2010, which is incorporated herein by reference in its entirety.

연산 증폭기로 입력된 뇌파 신호는 피드백 커패시터(Cf) 및 피드백 저항(Rf)에 의해 증폭된다. 여기서, 피드백 저항(Rf)이 매우 크다고 가정하면 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)의 입출력 게인은 Cin/Cf로 근사화될 수 있다.The EEG signal input to the operational amplifier is amplified by the feedback capacitor (C f ) and the feedback resistor (R f ). Assuming that the feedback resistor R f is very large, the input and output gains of the first and second amplifying units 110a and 110b can be approximated to C in / C f .

뇌파 신호의 대역폭은 일반적으로 0.5 내지 100Hz 범위에 분포한다고 알려져 있으며, 0.5Hz의 고역통과 필터 특성은 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)의 피드백 커패시터(Cf) 및 피드백 저항(Rf)의 시정수로 구현될 수 있다.It is known that the bandwidth of the EEG signal is generally distributed in the range of 0.5 to 100 Hz and the high-pass filter characteristic of 0.5 Hz is obtained by dividing the feedback capacitor C f of the first and second amplifying units 110a and 110b and the feedback resistor R f ). ≪ / RTI >

제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)의 고역통과 필터는 매우 낮은 고역 통과 차단 주파수(예를 들어 약 0.5Hz)를 가지기 때문에, 회로의 동작 초기에 빠르게 원하는 동작점(즉, 동작 초기값)까지 안정화될 수 있도록 하기 위해 제1 및 제2 스위치부(120a, 120b)에 각각 연결된다.Since the high-pass filter of the first and second amplifying units 110a and 110b has a very low high-pass cut-off frequency (for example, about 0.5 Hz) To be stabilized up to the first and second switch parts 120a and 120b, respectively.

제1 및 제2 스위치부(120a, 120b)는 SFast라는 신호로 제어되며, 스위치가 온(단락)되면 연산 증폭기가 버퍼로 동작함으로써 원하는 동작점까지 빠르게 안정화될 수 있다.The first and second switch units 120a and 120b are controlled by a signal of S Fast . When the switch is turned on (short-circuited), the operational amplifier operates as a buffer and can be quickly stabilized to a desired operating point.

그리고 뇌파 신호 입력단을 통해 입력된 뇌파 신호에는 제거되어야 하는 저주파 신호가 존재할 수 있고, 또한 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)에 구비된 연산 증폭기 내부에서 발생되는 오프셋이 존재할 수 있다. 이러한 저주파 신호 및 오프셋을 제거하기 위해 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)에 DC 서보 루프 회로인 제1 및 제2 저역 통과 필터부(130a, 130b)가 각각 병렬 연결된다.There may be a low frequency signal to be removed in the EEG signal inputted through the EEG signal input terminal and there may be an offset generated in the operational amplifier provided in the first and second amplification units 110a and 110b. First and second low-pass filter units 130a and 130b, which are DC servo loop circuits, are connected in parallel to the first and second amplifying units 110a and 110b to remove such low-frequency signals and offsets.

제1 및 제2 저역 통과 필터부(130a, 130b)는 기본적으로 제1 서보 저항(Rservo _ in)과 커패시터(Cservo _ in)로 구현되는 저역 통과 필터를 버퍼링한 구조이며, 버퍼링된 연산 증폭기의 출력 전압을 제2 서보 저항(Rservo)을 통해 전류로 변환하여 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)의 연산 증폭기 입력단으로 피드백하는 구조를 가진다.First and second low pass filter (130a, 130b), by default, the first servo resistance (R servo _ in) and a structure in which buffering a low-pass filter is implemented by a capacitor (C servo _ in), a buffering operation The output voltage of the amplifier is converted into a current through a second servo resistor (R servo ) and fed back to the input terminals of the operational amplifiers of the first and second amplifying units 110a and 110b.

뇌파 신호 검출용 증폭 장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 저역 통과 필터부(130a, 130b)를 이용하여 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)의 출력에서 발생되는 저주파 신호를 추출하고, 추출된 저주파 신호를 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)에 구비된 연산 증폭기의 음의 입력단으로 입력하는 음의 피드백 구조를 구현한다. 즉, 제1 및 제2 저역 통과 필터부(130a, 130b)는 음의 피드백을 통하여 연산증폭기의 입력단으로 연결된다. 제1 및 제2 저역 통과 필터부(130a, 130b)는 연산증폭기 출력 신호의 저주파 신호만을 추출하여 입력단으로 음의 피드백 구조를 구현하며, 연산 증폭기 입력단에서 저주파 신호를 제거하며, 결과적으로 연산증폭기 출력단에서 저주파 신호가 제거된다. 따라서 제1 및 제2 저역 통과 필터부(130a, 130b)는 음의 피드백을 통하여 연산증폭기의 출력에서 불필요한 저주파 오프셋을 제거하는 고역통과 필터로 작동한다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the amplifying apparatus for detecting an EEG signal uses the first and second low-pass filter units 130a and 130b to amplify the output of the first and second amplifying units 110a and 110b And a negative feedback structure for extracting the generated low frequency signals and inputting the extracted low frequency signals to the negative input terminals of the operational amplifiers included in the first and second amplifying units 110a and 110b. That is, the first and second low-pass filter sections 130a and 130b are connected to the input terminal of the operational amplifier through negative feedback. The first and second low pass filter sections 130a and 130b extract only low frequency signals of the operational amplifier output signal to implement a negative feedback structure as an input stage and remove low frequency signals at the operational amplifier input stage, The low frequency signal is removed. Thus, the first and second low-pass filter sections 130a and 130b operate as a high-pass filter that removes unnecessary low-frequency offsets from the output of the operational amplifier through negative feedback.

제1 및 제2 고역 통과 반전 필터부(140a, 140b)는 입력 임피던스를 증가시키는 기능을 수행하며, 제1 필터 커패시터(Cb _ in), 제2 필터 커패시터(Cb _f), 필터 저항(Rb _f) 및 연산 증폭기로 구성된 고역 통과 반전 증폭기와 제3 필터 커패시터(Cb)를 포함하여 구성된다. First and second high pass inversion filter part (140a, 140b) performs the function of increasing the input impedance of the first filter capacitor (C b _ in), a second filter capacitor (C b _f), filter resistance ( R b _f ) and an operational amplifier, and a third filter capacitor C b .

즉, 제1 및 제2 고역 통과 반전 필터부(140a, 140b)는 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)의 출력 신호를 반전 증폭하여 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)에 구비된 연산 증폭기의 음의 입력으로 피드백함으로써 양의 피드백 루프 형성에 의해 입력 임피던스를 증가시킬 수 있다.That is, the first and second high-pass inversion filter units 140a and 140b invert and amplify the output signals of the first and second amplification units 110a and 110b and output the amplified signals to the first and second amplification units 110a and 110b It is possible to increase the input impedance by forming a positive feedback loop by feeding back the negative input of the operational amplifier provided.

이와 관련하여 선행논문 "A 160 uW 8-Channel Active Electrode System for EEG Monitoring"(Jiawei Xu, IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL CIRCUITS AND SYSTEMS, VOL. 5, NO. 6, DECEMBER 2011)이 참조될 수 있다.In this regard, reference can be made to the prior art "A 160 uW 8-Channel Active Electrode System for EEG Monitoring" (Jiawei Xu, IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL CIRCUITS AND SYSTEMS, Vol. 5, No. 6, DECEMBER 2011).

이후, 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)에서 출력되는 차동 출력 신호는 제1 및 제2 대역 통과 필터부(150a, 150b)로 각각 입력되어 미리 지정된 주파수 대역(예를 들어, 0.5 내지 100Hz)의 신호만 필터링되어, 해당 주파수 대역의 차동 출력 신호 OUTP 및 OUTN이 획득된다.The differential output signals output from the first and second amplifying units 110a and 110b are then input to the first and second bandpass filter units 150a and 150b and output to the first and second bandpass filter units 150a and 150b, 100 Hz) are filtered to obtain the differential output signals OUT P and OUT N of the corresponding frequency band.

그리고, CMRR 개선 루프부(160)는 공통모드제거비(CMRR)를 개선하기 위해 제1 및 제2 대역 통과 필터부(150a, 150b)로부터 각각 입력되는 차동 출력 신호(OUTP, OUTN)에서 공통모드 신호를 추출하여 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)의 입력으로 피드백한다.The CMRR improvement loop unit 160 performs the CMRR improvement on the differential output signals OUT P and OUT N input from the first and second band-pass filter units 150a and 150b to improve the common mode rejection ratio (CMRR) And feeds back the mode signal to the inputs of the first and second amplifying units 110a and 110b.

CMRR 개선 루프부(160)는 반전 가산기(inverting adder) 회로를 포함하여 구성되며, 차동 출력 신호(OUTP, OUTN)는 CMRR 개선 루프부(160)에 구비된 증폭기의 반전 입력단에 연결된 커패시터(Cin)를 통해 합산되고, 피드백 저항(Rf) 및 피드백 커패시턴스(Cf)에 의해 증폭된다. 이때, 피드백 저항(Rf)가 매우 크다고 가정할 경우, CMRR 개선 루프부(160)의 입력 대비 출력 이득은 Cin/Cf로 근사화될 수 있다.The CMRR improvement loop unit 160 includes an inverting adder circuit and the differential output signals OUT P and OUT N are supplied to a capacitor connected to the inverting input terminal of the amplifier included in the CMRR improvement loop unit 160 C in , and amplified by the feedback resistor R f and the feedback capacitance C f . At this time, assuming that the feedback resistor R f is very large, the input-to-output gain of the CMRR improvement loop unit 160 can be approximated to C in / C f .

CMRR 개선 루프부(160)의 출력 신호(VREF _ CMFB)는 제1 대역 통과 필터부(150a)의 차동 출력 신호(OUTP)와 제2 대역 통과 필터부(150b)의 차동 출력 신호(OUTN)의 합이 반전 증폭된 신호이다.The output signal of the CMRR improvement loop portions (160) (V REF _ CMFB ) includes a first band-pass filter section (150a) of the differential output signal (OUT of the differential output signal (OUT P) and the second band pass filter (150b) N ) are inverted amplified signals.

따라서, CMRR 개선 루프부(160)의 출력 신호를 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)의 양의 입력단으로 피드백할 경우, 연산 증폭기 출력의 공통 모드가 반전되어 연산 증폭기의 입력으로 피드백되기 때문에 공통모드 신호에 대한 음의 피드백 루프가 구현된다. 이에 의해 제1 및 제2 증폭부(110a, 110b)에 대한 입력 신호의 공통모드가 감소되어 공통모드제거비가 개선된다.Therefore, when the output signal of the CMRR improvement loop unit 160 is fed back to the positive input terminals of the first and second amplifying units 110a and 110b, the common mode of the operational amplifier output is inverted and fed back to the input of the operational amplifier A negative feedback loop for the common mode signal is implemented. Thereby, the common mode of the input signal to the first and second amplifying units 110a and 110b is reduced to improve the common mode rejection ratio.

도 3에는 CMRR 개선 루프부의 동작 여부에 따른 CMRR 변화 상태를 시뮬레이션한 그래프가 도시되어 있다.FIG. 3 shows a graph simulating the CMRR change state depending on whether or not the CMRR improvement loop unit operates.

본 시뮬레이션에서는 뇌파 신호 측정 시 두 개의 차동 입력단(INP 및 INN) 중 한쪽에만 뇌파 신호 획득용 전극이 정상적으로 부착되었다고 가정하여 한쪽 입력단에만 전극 임피던스를 부착하였다.In this simulation, the electrode impedance was attached to only one of the two input terminals (IN P and IN N ) on the assumption that the electrode for acquiring the EEG signal was normally attached to one of the two differential input terminals (IN P and IN N ).

그 결과, CMRR 개선 루프가 적용된 분홍색 선을 CMRR 개선 루프가 적용되지 않은 청색 선과 대비할 때 약 10 내지 30dB의 CMRR 개선 효과가 나타남을 확인할 수 있다.
As a result, it can be confirmed that the CMRR improvement effect of about 10 to 30 dB is obtained when the pink line to which the CMRR improvement loop is applied is compared with the blue line to which the CMRR improvement loop is not applied.

전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 뇌파 신호 검출용 증폭 장치는 공통모드 개선을 위해 인체를 직접 구동하지 않고 연산 증폭기의 입력단만을 구동하기 때문에 큰 부하를 구동하기 위한 연산 증폭기용 출력단을 구현할 필요가 없는 장점이 있다. 따라서, 뇌파 신호 검출용 증폭 장치가 보다 소형화되고 저전력 구동이 가능하며, 또한 인체 구동으로 인한 안전상 문제점도 제거할 수 있다.
As described above, since the amplifier for detecting the EEG signal according to the present embodiment drives only the input terminal of the operational amplifier without directly driving the human body in order to improve the common mode, it is necessary to implement an output terminal for the operational amplifier for driving a large load There is no advantage. Therefore, the amplifying apparatus for EEG signal detection can be more miniaturized, can be driven at low power, and the safety problem due to human body driving can be eliminated.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the following claims And changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention.

110a : 제1 증폭부 110b : 제2 증폭부
120a : 제1 스위치부 120b : 제2 스위치부
130a : 제1 저역 통과 필터부 130b : 제2 저역 통과 필터부
140a : 제1 고역통과 반전 필터부
140b : 제1 고역통과 반전 필터부
150a : 제1 대역통과 필터부 150b : 제2 대역통과 필터부
160 : CMRR 개선 루프부
110a: first amplification unit 110b: second amplification unit
120a: first switch unit 120b: second switch unit
130a: first low-pass filter part 130b: second low-pass filter part
140a: a first high pass inversion filter unit
140b: a first high-pass reversal filter section
150a: first band pass filter part 150b: second band pass filter part
160: CMRR improvement loop unit

Claims (5)

뇌파 신호 검출용 증폭 장치에 있어서,
인체에 부착된 뇌파 신호 검출용 제1 전극으로부터 입력되는 뇌파 신호를 처리하는 제1 처리부;
인체에 부착된 뇌파 신호 검출용 제2 전극으로부터 입력되는 뇌파 신호를 처리하는 제2 처리부; 및
반전 가산기(inverting adder) 회로를 포함하고, 상기 제1 처리부로부터 입력되는 제1 차동 출력 신호(OUTP)와 상기 제2 처리부로부터 입력되는 제2 차동 출력 신호(OUTN)에서 공통모드 신호를 추출하여 상기 제1 처리부 및 상기 제2 처리부로 각각 입력하는 CMRR(Common Mode Rejection Ratio) 개선 루프부를 포함하되,
상기 제1 처리부와 상기 제2 처리부 각각은,
대응되는 전극으로부터 입력되는 뇌파 신호에서 노이즈 성분을 제거하기 위한 커패시터와, 상기 커패시터로부터 출력되는 뇌파 신호를 소정의 증폭비로 증폭하여 출력하는 연산 증폭기를 포함하는 증폭부;
상기 연산 증폭기의 출력 신호 중 소정 주파수 대역의 저주파 신호를 추출하여 상기 연산 증폭기의 음의 입력단으로 피드백하는 저역 통과 필터부;
입력 임피던스의 증가를 위해 상기 연산 증폭기의 출력 신호를 반전 증폭하여 상기 연산 증폭기의 음의 입력단으로 피드백하는 고역 통과 반전 필터부; 및
상기 증폭부의 출력 신호 중 미리 지정된 주파수 대역의 신호를 필터링하여 상기 제1 또는 상기 제2 차동 출력 신호를 생성하는 대역 통과 필터부를 포함하고,
고역 통과 특성이 확보되도록 하기 위해 상기 CMRR 개선 루프부는, 제1 차동 출력 신호(OUTP)와 제2 차동 출력 신호(OUTN)를 합산하기 위한 커패시터(Cin)에 의한 입력 임피던스와, 피드백 저항(Rf)과 피드백 커패시터(Cf)의 병렬 연결에 따른 피드백 임피던스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌파 신호 검출용 증폭 장치.
An amplifying apparatus for detecting an EEG signal,
A first processor for processing an EEG signal input from a first electrode for detecting an EEG signal attached to a human body;
A second processing unit for processing an EEG signal input from a second electrode for detecting an EEG signal attached to a human body; And
And an inverting adder circuit for extracting a common mode signal from the first differential output signal OUT P input from the first processing unit and the second differential output signal OUT N input from the second processing unit, And a common mode rejection ratio (CMRR) improvement loop unit for inputting the CMRR to the first processor and the second processor,
Wherein each of the first processing section and the second processing section includes:
A capacitor for removing a noise component from an EEG signal inputted from a corresponding electrode; and an operational amplifier including an operational amplifier for amplifying an EEG signal outputted from the capacitor with a predetermined amplification ratio and outputting the amplified EEG signal;
A low pass filter unit for extracting a low frequency signal of a predetermined frequency band from the output signal of the operational amplifier and feeding back the low frequency signal to a negative input terminal of the operational amplifier;
A high pass inversion filter unit for inverting and amplifying an output signal of the operational amplifier to increase an input impedance and feeding back the amplified signal to a negative input terminal of the operational amplifier; And
And a band pass filter unit for filtering the signal of the predetermined frequency band among the output signals of the amplifying unit to generate the first or second differential output signal,
The CMRR improvement loop section includes an input impedance by a capacitor C in for summing the first differential output signal OUT P and the second differential output signal OUT N , Further comprising a feedback impedance due to the parallel connection of the feedback capacitor (R f ) and the feedback capacitor (C f ).
제1항에 있어서,
상기 공통모드 신호는 상기 연산 증폭기의 양의 입력단으로 입력되는 것을 특징으로 하는 뇌파 신호 검출용 증폭 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the common mode signal is input to a positive input terminal of the operational amplifier.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
제1 처리부와 상기 제2 처리부 각각은, 제어 신호에 의해 상기 연산 증폭기의 입력단과 출력단을 단락시키기 위한 스위치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌파 신호 검출용 증폭 장치.
The method according to claim 1,
Wherein each of the first processing unit and the second processing unit further comprises a switch unit for shorting an input terminal and an output terminal of the operational amplifier by a control signal.
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