KR20170009034A - 공통모드 제거비가 개선된 생체 신호 검출용 증폭 장치 - Google Patents

공통모드 제거비가 개선된 생체 신호 검출용 증폭 장치 Download PDF

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Abstract

공통모드제거비가 개선된 생체 신호 검출용 증폭 장치가 개시된다. 생체 신호 검출용 증폭 장치는, 인체에 부착된 2개의 생체 신호 검출용 전극으로부터 생체 신호를 입력받고 잡음 성분을 제거하기 위해, 생체 신호 검출용 전극에 각각 대응되는 2개의 입력 커패시터를 포함하는 입력부; 상기 입력부의 전단과 후단에 각각 배치되는 2개의 쵸퍼; 상기 2개의 쵸퍼를 경유하여 상기 입력부로부터 입력되는 잡음 성분이 제거된 생체 신호를 증폭하여 출력하는 차동 증폭기; 및 병렬 연결된 피드백 저항 및 피드백 커패시터를 포함하여 구성되고, 상기 차동 증폭기에 연결되는 2개의 입력단과 2개의 출력단에 대해 비일치하도록 하나의 입력단과 하나의 출력단을 각각 연결하는 2개의 이득부를 포함한다.

Description

공통모드 제거비가 개선된 생체 신호 검출용 증폭 장치{Amplifying device for detecting bio-signal with improving CMRR}
본 발명은 공통모드 제거비가 개선된 생체 신호 검출용 증폭 장치에 관한 것이다.
일반적으로 사람의 머리에 수 개의 전극패드를 부착하고 여기서 얻어지는 전기신호를 증폭하여 얻은 파형을 뇌파(Electro-Encephalogram, EEG)라고 하고, 전극 패드를 통해 측정된 신호에서 잡음을 효과적으로 제거하고 원하는 뇌파 신호를 검출하기 위한 기술들이 다양하게 개발되고 있다.
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 개시하고 있다. 해당 유럽특허에서 제시하는 쵸퍼 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.
그러나, 전술한 유럽특허에서 제시하는 뇌파 신호 검출 장치가 건식 전극 등과 같이 높은 출력 임피던스를 가지는 경우에는 생체 신호를 효과적으로 계측할 수 없는 한계를 가지고 있었다.
또한, 한국등록특허 제1504116호(뇌파 신호 검출 장치)는 쵸퍼 안정화 기법을 이용하여 입력 미세 전압을 증폭하기 위한 용량 결합형 계측 증폭기(capacitively coupled instrumentation amplifier)를 개시하고 있다. 참고로 도 1은 한국등록특허 제1504116호에 개시된 뇌파 신호 검출 장치의 회로도이다.
전술한 한국등록특허는 직류(DC) 성분을 제거하고 교류(AC) 성분만을 증폭할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나, 회로 내 수동소자(예를 들어 저항, 커패시터 등)간의 부정합(mismatch)이 존재하는 경우 공통 모드 제거비(common mode rejection ratio, CMRR)가 저하되고, 이로 인하여 공통 모드 잡음이 제거되지 않아 출력 신호의 품질이 저하되는 문제점이 있다.
그러나 진폭율이 작은 뇌파 신호 등의 생체 신호의 경우 증폭률이 큰 증폭기가 필요하며, 따라서 수동소자의 부정합으로 인해 공통모드 제거비가 저하되는 문제점을 해결하기 위한 방안이 요구된다.
유럽특허 제2294979호(Method and electronic medical device for simultaneously measuring and impedance and a biopotential signal) 한국등록특허 제1504116호(뇌파 신호 검출 장치)
본 발명은 회로 내 수동소자의 부정합이 존재하는 경우에도 빠른 주파수의 동적 스위칭을 통해 수동소자의 부정합에 따른 영향을 제거하고, 이를 통해 공통모드 제거비를 향상시킬 수 있는 생체 신호 검출용 증폭 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
참고로, 본 특허출원은 산업통상자원부가 지원하는 국가연구개발사업인 "SW융합형부품 기술개발사업"을 통해 개발된 결과임을 밝힌다. [10043826, 스마트환경에서 질환맞춤형 서비스를 위한 2uV급 두발잡음극복형 BMI SoC 및 SW 플랫폼 개발]
본 발명의 일 측면에 따르면, 생체 신호 검출용 증폭 장치에 있어서, 인체에 부착된 2개의 생체 신호 검출용 전극으로부터 생체 신호를 입력받고 잡음 성분을 제거하기 위해, 생체 신호 검출용 전극에 각각 대응되는 2개의 입력 커패시터(Cin)를 포함하는 입력부; 상기 입력부의 전단과 후단에 각각 배치되는 2개의 쵸퍼; 상기 2개의 쵸퍼를 경유하여 상기 입력부로부터 입력되는 잡음 성분이 제거된 생체 신호를 증폭하여 출력하는 차동 증폭기; 및 병렬 연결된 피드백 저항(Rf) 및 피드백 커패시터(Cf)를 포함하여 구성되고, 상기 차동 증폭기에 연결되는 2개의 입력단과 2개의 출력단에 대해 비일치하도록 하나의 입력단과 하나의 출력단을 각각 연결하는 2개의 이득부를 포함하되, 상기 2개의 쵸퍼의 구동 주파수(f1)는 상기 차동 증폭기의 구동 주파수(f2)의 n배의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 생체 신호 검출용 증폭 장치가 제공된다.
상기 2개의 이득부가 공유하도록 하기 위해, 상기 2개의 이득부의 전단과 후단에 하나씩 배치되는 2개의 쵸퍼가 더 포함될 수 있다.
상기 n은 2 또는 2이상인 임의의 정수일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 회로 내 수동소자의 부정합이 존재하는 경우에도 빠른 주파수의 동적 스위칭을 통해 수동소자의 부정합에 따른 영향을 제거하고, 이를 통해 공통모드 제거비를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 뇌파 신호 검출 장치의 회로도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검출용 증폭 장치의 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 쵸퍼와 차동 증폭기의 구동 신호의 파형을 대비한 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 쵸퍼에 인가된 구동 신호의 각 상태에 따라 각각 변화된 생체 신호 검출용 증폭 장치의 회로도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 스위칭을 통한 공통모드 제거비 향상 결과를 나타낸 도면.
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.
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.
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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검출용 증폭 장치의 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 쵸퍼와 차동 증폭기의 구동 신호의 파형을 대비한 도면이다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 쵸퍼에 인가된 구동 신호의 각 상태에 따라 각각 변화된 생체 신호 검출용 증폭 장치의 회로도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 스위칭을 통한 공통모드 제거비 향상 결과를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 생체 신호 검출용 증폭 회로는 피검자의 신체(예를 들어 머리 부분)에 부착된 2개의 입력 단자(INP, INN)로부터 미세한 전압 신호를 각각 입력받아 잡음 성분을 제거하여 출력하는 입력부(220), 입력 단자의 양단에 인가되는 전압 신호를 증폭하여 출력하는 차동 증폭기(260), 차동 증폭기(260)에 병렬 연결되어 차동 증폭기(260)의 증폭율을 결정하는 제1 및 제2 이득부(240, 250)를 포함한다.
즉, 차동 증폭기(260)로 입력되는 생체 신호(예를 들어 미세한 전압 신호)는 제1 및 제2 이득부(240, 250)에 구비된 피드백 커패시터(Cf) 및 피드백 저항(Rf)에 의해 증폭된다. 여기서, 피드백 저항(Rf)이 매우 크다고 가정하면, 차동 증폭기(260)는 입력부(220)에 구비된 입력 커패시터(Cin)와 제1 및 제2 이득부(240, 250)에 구비된 피드백 커패시터(Cf)간의 비율인 Cin/Cf로 생체 신호를 증폭할 수 있다.
이와 같이, 생체 신호 검출용 증폭 회로에는 입력 커패시터(Cin), 피드백 저항(Rf) 및 피드백 커패시터(Cf) 등 다수의 수동 소자가 구비된다.
이 때, 대응되는 각 수동 소자가 모두 동일한 값을 가진다면, 이론적으로 공통모드 제거비는 무한대가 된다. 그러나, 생체 신호의 증폭 과정에서 입력부(220)에 구비된 2개의 입력 커패시터(Cin)간의 부정합, 제1 및 제2 이득부(240, 250)에 구비된 2개의 피드백 저항(Rf) 또는 2개의 피드백 커패시터(Cf)에서 부정합이 존재할 경우, 공통 모드 제거비는 유한한 값으로 제한된다.
따라서 2개의 입력 단자(INP, INN)으로부터 인가되는 입력 신호(즉, 생체 신호)의 공통 모드 잡음 성분이 출력 단자(즉, OUTP, OUTN)에서 완전히 제거되지 않아, 출력 신호의 품질이 저하될 수 밖에 없다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 실시예에서는 수동소자가 포함된 입력부(220)의 전단과 후단에 각각 쵸퍼(210a, 210b)를 배치하고, 또한 제1 및 제2 이득부(240, 250)의 전단과 후단에 각각 쵸퍼(220a, 220b)를 배치하며, 이들에 대해 동적 스위칭을 수행하여 공통모드 제거비를 향상하기 위한 기법을 제시한다.
이때, 도 3에 예시된 바와 같이 쵸퍼(210a, 210b, 220a, 220b)의 구동 신호는 예를 들어 f1의 구동 주파수를 가지고, 하이(H) 상태와 로우(L) 상태가 교번하는 구형파일 수 있다. 또한 차동 증폭기(260)의 구동 신호는 예를 들어 f2의 구동 주파수를 가지고, 하이(H) 상태와 로우(L) 상태가 교번하는 구형파일 수 있다. 여기서, 쵸퍼(210a, 210b, 220a, 220b)의 구동 주파수 f1는 차동 증폭기(260)의 구동 주파수 f2의 n(2 이상인 임의의 자연수)배의 크기를 가지도록 설정될 수 있다.
참고로, 도 3에는 쵸퍼(210a, 210b, 220a, 220b)의 구동 주파수 f1이 차동 증폭기(260)의 구동 주파수 f2의 2배 크기를 가지는 경우가 예시되어 있다.
이 경우, 각각 대응되는 수동 소자들간에 부정합이 존재하는 경우 중 하나로서, 예를 들어, 2개의 입력 커패시터(Cin)간의 부정합이 존재하는 경우에도, 입력부(220)의 전단과 후단에 각각 배치된 쵸퍼(210a, 220b)가 상대적으로 빠른 주파수 값인 구동 주파수 f1으로 구동되기 때문에, 상대적으로 느린 주파수 값인 구동 주파수 f2로 구동되는 차동 증폭기(260)의 한 주기 내에서 구동 주파수 f1의 2주기에 해당되는 증폭 동작이 수행된다.
구동 주파수 f2의 1주기 동작 내에서, 구동 주파수 f1에 따른 구동 신호가 하이(H) 상태인 동안에는 생체 신호 검출용 증폭 장치의 회로는 도 4와 같이 동작되고, 구동 주파수 f1에 따른 구동 신호가 하이(H) 상태인 동안에는 생체 신호 검출용 증폭 장치의 회로는 도 5와 같이 동작된다.
즉, 구동 신호가 하이 상태에서는 2개의 입력 커패시터(Cin)가 정방향으로 연결되며(도 4 참조), 구동 신호가 하이 상태에서는 2개의 입력 커패시터(Cin)가 꼬인 방향으로 연결(cross-connected)된다(도 5 참조),
따라서, 구동 주파수 f2의 한 주기 내에서 2개의 입력 커패시터(Cin)가 정방향 연결 상태 및 꼬인 방향 연결 상태가 모두 나타난다. 그리고, 2개의 출력 단자(즉, OUTP, OUTN) 이후에서, 평균값을 구하는 절차를 수행하거나, 저역통과필터 또는 적분기를 구비한다면 2개의 입력 커패시터(Cin)간의 부정합이 제거된 출력 신호가 획득될 수 있다.
참고로, 일반적인 쵸퍼 안정화 증폭기의 경우 최종 출력단에 고주파 잡음을 제거하기 위하여 저역통과필터나 적분기가 구비된다. 예를 들어 출력 신호가 저역통과필터를 통과하게 되면, 저주파 대역 신호만 남게 되고, 고주파 대역은 마치 적분기와 유사한 동작을 하게 된다. 즉 고주파 대역에서의 적분 동작은 적분 구간에서 값들을 모두 더해서 전체 시간으로 나누는 것이기 때문에, 평균과 같은 개념으로 이해될 수 있다.
전술한 사항은 제1 및 제2 이득부(240, 250)에 구비된 피드백 저항(Rf) 또는 피드백 커패시터(Cf)에서의 부정합이 발생된 경우에도, 제1 및 제2 이득부(240, 250)의 전단과 후단에 배치된 쵸퍼(230a, 230b)가 상대적으로 빠른 구동 주파수 f1에 의해 구동되기 때문에, 앞서 설명한 바와 같이 출력단에서의 평균 동작을 통해 제거된다.
도 6에는 동적 스위칭을 통한 공통모드 제거비 향상 결과 그래프가 도시되어 있다. 참고로, 참조부호 310은 차동모드 신호를 나타내고, 참조부호 320은 종래기술(즉, 한국등록특허 제1504116호)에 개시된 회로에서 1%의 수동소자 부정합이 존재할 때의 공통모드 이득을 나타내며, 참조부호 330은 본 실시예에 따른 생체 신호 검출용 증폭 장치의 1%의 수동소자 부정합이 존재할 때의 공통모드 이득을 나타낸다.
도 6을 참조할 때, 종래기술의 회로에서 1% 수동 소자 부정합이 존재할 때 공통모드 제거비는 약 85dB 수준임에 비해, 본 실시예에 따른 동적 모드 스위칭을 적용하는 경우 공통모드 제거비가 105dB 수준으로 향상됨을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 생체 신호 검출용 증폭 장치는 동적 스위칭 동작을 통하여 수동 소자의 부정합으로 인한 출력단에서의 공통모드 제거비 저하 현상이 방지될 수 있고, 높은 공통모드 제거비를 확보할 수 있는 특징이 있다.
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.
210a, 210b, 230a, 230b : 쵸퍼 220 : 입력부
240 : 제1 이득부 250 : 제2 이득부
260 : 차동 증폭기

Claims (3)

  1. 생체 신호 검출용 증폭 장치에 있어서,
    인체에 부착된 2개의 생체 신호 검출용 전극으로부터 생체 신호를 각각 입력받고 잡음 성분을 제거하기 위해, 생체 신호 검출용 전극에 각각 대응되는 2개의 입력 커패시터(Cin)를 포함하는 입력부;
    상기 입력부의 전단과 후단에 각각 배치되는 2개의 쵸퍼;
    상기 2개의 쵸퍼를 경유하여 상기 입력부로부터 입력되는 잡음 성분이 제거된 생체 신호를 증폭하여 출력하는 차동 증폭기; 및
    병렬 연결된 피드백 저항(Rf) 및 피드백 커패시터(Cf)를 포함하여 구성되고, 상기 차동 증폭기에 연결되는 2개의 입력단과 2개의 출력단에 대해 비일치하도록 하나의 입력단과 하나의 출력단을 각각 연결하는 2개의 이득부를 포함하되,
    상기 2개의 쵸퍼의 구동 주파수(f1)는 상기 차동 증폭기의 구동 주파수(f2)의 n배의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 생체 신호 검출용 증폭 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 이득부가 공유하도록 하기 위해, 상기 2개의 이득부의 전단과 후단에 하나씩 배치되는 2개의 쵸퍼가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 검출용 증폭 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 n은 2 또는 2이상인 임의의 정수인 것을 특징으로 하는 생체 신호 검출용 증폭 장치.
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