KR20180018922A - Improved bio-potential measurement system - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a system for measuring a biosignal and, more specifically, to an improved biosignal measurement system which uses a charge-to-time converter (QTC) unit including an operational transconductance amplifier (OTA) and a comparator in biosignal measurement and allows a comparison voltage inputted into the comparator to have an increasing section and a decreasing section to go through all voltages within a set range during a single period to obtain a comparator output similar to a normal condition even in various abnormal conditions. The improved biosignal measurement system comprises: an amplification unit to receive a biosignal to amplify the biosignal; a high pass filter (HPF) unit to allow a frequency band biosignal of a set frequency or higher in the amplified biosignal to pass therethrough; and a QTC unit to perform signal processing on the biosignal passing through the high pass filter unit to output a biosignal measurement result. The QTC unit comprises: an OTA to receive the biosignal passing through the high pass filter unit and a reference voltage to discharge an output current incorporating a difference therebetween; a comparator to compare an output end voltage of the OTA and a comparison voltage to output a result value; and a comparison voltage generator to generate a comparison voltage having an increasing section and a decreasing section to go through all voltages within a set range during a single period to input the comparison voltage into the comparator.

Description

개선된 생체 신호 측정 시스템{IMPROVED BIO-POTENTIAL MEASUREMENT SYSTEM}[0001] IMPROVED BIO-POTENTIAL MEASUREMENT SYSTEM [0002]

본 발명은 생체 신호를 측정하는 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 OTA 및 비교기를 포함하는 QTC부를 생체 신호 측정에 이용하면서 상기 비교기에 입력되는 비교 전압을 설정된 범위 내의 전압 값을 한 주기 동안 모두 거치도록 상승 구간과 하간 구간을 가지도록 함으로써 여러 가지 정상적이지 않은 조건에서도 정상 조건에서와 근사한 비교기 출력을 얻도록 하는 개선된 생체 신호 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for measuring a biological signal, and more particularly, to a system for measuring a biological signal, more particularly, a QTC unit including an OTA and a comparator, The present invention relates to an improved bio-signal measuring system for obtaining a comparator output approximate to that of a normal condition under various non-normal conditions by having a rising section and a falling section.

일반적으로, 생체 신호 중 뇌파(Electro-encephalogram: EEG), 심전도(Electro-cardiogram: ECG), 근전도(Electro-myogram: EMG)를 모두 측정할 수 있는 생체 신호 측정 시스템의 아날로그 프론트-엔드(Analog Front-End: AFE) 칩 회로는 초기 증폭단과 대역 조정이 가능한 대역 통과 필터단, 그리고 가변 이득 증폭단과 AD 변환기단으로 구성할 수 있다.Generally, an analog front-end of a bio-signal measurement system capable of measuring electro-encephalogram (EEG), electrocardiogram (ECG) and electromyogram (EMG) -End: AFE) The chip circuit can be composed of an initial amplifier stage and a band-pass filter stage capable of band adjustment, and a stage of a variable gain amplifier stage and an AD converter.

각각의 생체 신호는 신호 크기와 주파수 대역이 조금씩 다르다. 뇌파 신호는 약 0.3㎐ ~ 100㎐의 주파수 대역에 존재하며 약 1㎶ ~ 100㎶의 전압 크기를 갖는다. 심전도 신호는 약 0.3㎐ ~ 350㎐의 주파수 대역에 존재하며 약 100㎶ ~ 10㎷의 전압 크기를 갖는다. 그리고 근전도 신호는 약 20㎐ ~ 1000㎐(= 1㎑)의 주파수 대역에 존재하여 다른 생체 신호들보다 다소 높은 주파수 특성을 갖지만 전압 크기는 약 80㎶ ~ 1㎷로 심전도 신호보다는 작은 특징을 갖는다.Each biomedical signal has slightly different signal magnitudes and frequency bands. The EEG signal exists in the frequency band of about 0.3 Hz to 100 Hz and has a voltage magnitude of about 1 kV to about 100 kV. The electrocardiogram signal exists in the frequency band of about 0.3 Hz to 350 Hz and has a voltage magnitude of about 100 kV to 10 kV. The electromyogram signal exists in the frequency band of about 20 Hz to 1000 Hz (= 1 kHz) and has a frequency characteristic somewhat higher than that of other living body signals. However, the voltage magnitude has a characteristic smaller than that of the electrocardiogram signal of about 80 kV to 1 kV.

그러므로 각 생체 신호 특성에 맞는 주파수 대역폭을 선정하기 위해서는 대역 통과 필터단이 대역폭 조절 기능을 수행할 수 있어야 하는데, 대역 통과 필터는 고역 통과 필터와 저역 통과 필터를 직렬로 연결하여 구성되는 것이 일반적이다.Therefore, in order to select a frequency bandwidth suited to each bio-signal characteristic, a band-pass filter stage should be able to perform a bandwidth control function. In general, a band-pass filter is configured by connecting a high-pass filter and a low-

이러한 대역 통과 필터는 특정 대역의 주파수 신호만을 통과시키기 위해 저역 통과 차단 주파수와 고역 통과 차단 주파수가 조정되는데, 앞에서 설명한 바와 같이 생체 신호는 상당히 낮은 주파수 대역에 해당하므로 상기 대역 통과 필터는 수십 ㎐의 저역 통과 차단 주파수를 가져야 한다.In order to pass only a specific frequency band signal, the low pass cutoff frequency and the high pass cutoff frequency are adjusted. As described above, since the bio-signal corresponds to a relatively low frequency band, the band- Pass cutoff frequency.

상기 저역 통과 차단 주파수는 저항(R) 값과 커패시턴스(C) 값에 의존하여 변하는 특징이 있으며, 수십 ㎐의 저역 통과 차단 주파수를 가지기 위해서는 상당히 큰 저항 값과 커패시턴스 값을 필요로 하나, 수 십 ㎐의 저역 통과 차단 주파수를 구현하기 위한 저항 값과 커패시턴스 값을 가지는 소자들은 하나의 칩 회로에 집적화할 수 없을 정도의 크기를 가지고 있어 현실적인 생체 신호 측정 시스템은 AD 변환기단과 같은 구성을 외부에 별도로 구성하고 있다.The low-pass cut-off frequency is characterized in that it varies depending on the value of the resistance (R) and the capacitance (C). In order to have the low-pass cutoff frequency of several tens of Hz, a considerably large resistance value and a large capacitance value are required. The device having a resistance value and a capacitance value for implementing the low-pass cutoff frequency of the AD converter has a size that can not be integrated into one chip circuit. have.

또한, 생체 신호의 특성상 심전도와 근전도는 8-bits 내지 10-bits, 뇌파는 12-bits 이상의 고 해상도 AD 변환기단을 필요로 하나 이와 같은 AD 변환기단을 집적화된 칩 회로에 구현하기에는 기술적으로 많은 어려움이 따르며, 현재 적용되는 AD 변환기단의 특성 상 샘플링(sampling) 시점의 전압이 숫자 코드(digit code)로 변환되어 생체 신호가 반영되지 않는 구간이 존재하는 단점을 가진다.In addition, ECG and EMG of 8-bits to 10-bits and electroencephalograms of 12-bits or more require a high-resolution AD converter unit due to the nature of biological signals, but it is technically difficult to implement such AD converter units in integrated chip circuits And the voltage at the sampling time point is converted into a digit code due to the characteristic of the currently applied AD converter stage, so that there is a section where the biological signal is not reflected.

한편, 본 발명에서는 생체 신호 측정에 OTA 및 비교기를 포함하는 QTC부를 이용하는데, 이 때 OTA에 입력되는 기준 전압과 생체 신호의 차이가 매우 작거나, OTA의 컨덕턴스(gm)가 낮게 설정되어 있거나, 또는 OTA 출력단과 연결된 커패시터(C)의 값이 상당히 클 경우 OTA 출력단 전압은 비교기에 입력되는 비교 전압에 도달하지 못하여 생체 신호가 발생하여 생체 신호 측정 시스템에 입력되었음에도 불구하고 측정되지 않는 부분이 존재하는 문제점이 있다.Meanwhile, in the present invention, a QTC unit including OTA and a comparator is used for measuring a bio-signal. In this case, if the difference between the reference voltage and the bio-signal input to the OTA is very small, the conductance (gm) Or when the value of the capacitor (C) connected to the OTA output terminal is considerably large, the OTA output voltage does not reach the comparative voltage inputted to the comparator, There is a problem.

따라서 위와 같은 단점과 문제점들을 해소하여 생체 신호 측정을 보다 명확하고 효율적으로 수행할 수 있는 생체 신호 측정 시스템이 필요하다.Therefore, there is a need for a bio-signal measurement system capable of performing the bio-signal measurement more clearly and efficiently by solving the above-mentioned disadvantages and problems.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 집적화할 수 없을 정도로 큰 저항 값과 커패시턴스 값을 가지는 소자를 필수적으로 이용하지 않고도 저역 통과 차단 주파수를 조정할 수 있는 필터단을 구성함으로써 생체 신호 측정 시스템을 하나의 아날로그 프론트-엔드 칩 회로에 구현하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the conventional art described above, and it is an object of the present invention to provide a filter stage capable of adjusting a low-pass cut-off frequency without necessarily using an element having a resistance value and a capacitance value large enough not to be integrated It is an object of the present invention to implement a bio-signal measurement system in one analog front-end chip circuit.

또한, 생체 신호 측정 시스템의 생체 신호 측정에 있어서 비교기에 입력되는 비교 전압을 일정한 레벨로 유지시키는 것이 아니라 상승 구간과 하강 구간을 포함하도록 구성함으로써 전 구간에 있어서 생체 신호 측정을 수행할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.Further, in the bio-signal measurement of the bio-signal measurement system, the comparison voltage inputted to the comparator is not maintained at a constant level but is configured to include the rising section and the falling section so that the bio-signal measurement can be performed in all sections There is another purpose.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical objects to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical subjects which are not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention .

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 생체 신호를 수신하여 증폭시키는 증폭부, 증폭된 상기 생체 신호 중 설정된 주파수 이상의 주파수 대역 생체 신호만을 통과시키는 고역통과필터(high pass filter: HPF)부 및 상기 고역통과필터부를 통과한 생체 신호를 신호 처리하여 생체 신호 측정 결과를 출력하는 QTC(charge to time converter)부를 포함하며, 상기 QTC부는, 상기 고역통과필터부를 통과한 생체 신호와 기준 전압을 입력 받아 그 차이를 반영한 출력전류를 흘리는 OTA(operational transconductance amplifier), 상기 OTA의 출력단 전압과 비교 전압을 비교하여 결과값을 출력하는 비교기 및 설정된 범위 내의 전압 값을 한 주기 동안 모두 거치도록 상승 구간과 하강 구간을 갖는 비교 전압을 생성하여 상기 비교기로 입력하는 비교 전압 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 생체 신호 측정 시스템을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a biometric authentication system comprising: an amplification unit for receiving and amplifying a bio-signal; a high pass filter (HPF) for passing only a bi- And a QTC (charge-to-time converter) unit for signal processing the bio-signal passing through the high-pass filter unit to output a bio-signal measurement result, wherein the QTC unit comprises: a bi- A comparator for comparing the output voltage of the OTA with a comparison voltage and outputting a result value, and a comparator for comparing the output voltage of the OTA with the output voltage of the rising section And a comparison voltage generator for generating a comparison voltage having a falling period and inputting the comparison voltage to the comparator. It provides an improved bio-signal measurement system, characterized in that.

본 발명에서 상기 QTC부는 OTA의 컨덕턴스(gm) 또는 OTA의 출력단과 연결된 커패시터의 커패시턴스(C) 중 어느 하나 이상을 조절하여 저역 통과 차단 주파수(low pass cut off frequency)를 조정할 수 있다.In the present invention, the QTC unit may adjust the low pass cutoff frequency by adjusting at least one of the conductance (gm) of the OTA or the capacitance (C) of the capacitor connected to the output terminal of the OTA.

본 발명에서 상기 QTC부는 일정 주기 동안 상기 비교기가 출력한 결과값을 카운트 할 수 있는 카운터를 더 포함하는 것이 바람직하다.In the present invention, the QTC unit may further include a counter capable of counting a result value output from the comparator for a predetermined period.

본 발명에서 상기 증폭부는 계측 증폭기(instrument amplifier)를 이용하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the amplification unit uses an instrument amplifier.

본 발명에서 상기 고역통과필터부는 베셀 필터(Bessel Filter), 버터워스 필터(Butterworth Filter) 또는 체비셰프 필터(Chebyshev Filter) 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있다.In the present invention, the high-pass filter unit may use at least one of a Bessel filter, a Butterworth filter, and a Chebyshev filter.

본 발명은 생체 신호 측정 시스템이 OTA 및 비교기를 포함하는 QTC부를 이용하도록 함으로써 큰 값을 가지는 저항이나 커패시터의 적용 없이도 하나의 아날로그 프론트-엔드 칩 회로에 구현이 가능한 효과가 있다.The present invention enables the bio-signal measurement system to be implemented in one analog front-end chip circuit without using a resistor or a capacitor having a large value by using a QTC unit including OTA and a comparator.

아울러 본 발명은 AD 변환기단을 고 해상도로 구현함과 동시에 비교기에 입력되는 비교 전압이 일정한 레벨이 아닌 상승 구간과 하강 구간을 갖도록 구성함으로써 생체 신호 측정에 있어서 측정에 누락되는 부분을 최소화하여 보다 정확한 생체 신호를 측정할 수 있는 효과가 있다.Further, according to the present invention, the A / D converter stage is implemented with a high resolution and the comparison voltage input to the comparator is configured to have a rising section and a falling section instead of a constant level, thereby minimizing a portion missing in the measurement in the bio- There is an effect that a biological signal can be measured.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 생체 신호 측정 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 계측 증폭기의 구조를 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 QTC부의 구조를 나타낸 예시도.
도 4는 비교 전압이 일정한 레벨일 때 QTC부 각 구성의 입력과 출력을 나타낸 예시도.
도 5는 비교 전압이 상승 구간과 하강 구간을 가질 때 QTC부 각 구성의 입력과 출력을 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 QTC부의 입력 신호에 따른 출력을 나타낸 예시도
도 7은 종래의 AD 변환기단과 본 발명의 일실시예에 따른 QTC부의 출력을 나타낸 예시도.
1 is a block diagram of an improved bio-signal measurement system according to an embodiment of the present invention;
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]
3 is an exemplary view showing a structure of a QTC unit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an exemplary diagram showing the input and output of each configuration of the QTC subtractor when the comparison voltage is at a constant level; FIG.
FIG. 5 is an exemplary view showing the input and output of each configuration of the QTC subtractor when the comparison voltage has a rising section and a falling section; FIG.
6 is an exemplary diagram illustrating an output according to an input signal of a QTC unit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating an output of a conventional AD converter stage and an output of a QTC section according to an embodiment of the present invention; FIG.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor can properly define the concept of a term to describe its invention in the best possible way It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention, and not all of the technical ideas of the present invention are described. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되므로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면 복수의 형태를 포함할 수 있다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a", "an", and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.

본 발명에 대한 설명에 앞서 생체 신호에 대하여 간략히 설명하면, 생체 신호란 생물체의 전기 현상 중 하나로서 피부 표면에 형성되는 전위의 근원은 몸의 각 기능을 담당하는 뉴런에서 세포막을 투과하여 지나가는 이온들에 의해 발생하는 전류이다.Before describing the present invention, brief description will be given of biological signals. A biological signal is one of the electric phenomena of an organism. The source of dislocation formed on the surface of the skin includes ions passing through a cell membrane in a neuron, . ≪ / RTI >

신경 조직들은 전도성 매질에 의해 둘러싸여 있기 때문에 신경 조직에서 발생한 전류는 피부 표면까지 형성되어 전위가 나타내게 되는데, 뇌의 활동에 의해 발생하는 생체 신호를 뇌파, 심장의 수축/이완에 따른 활동 전류 및 활동 전위차를 심전도, 그리고 근육의 움직임에 따라 발생하는 생체 신호를 근전도라고 한다.Because the nerve tissue is surrounded by the conductive medium, the electric current generated in the nerve tissue is formed on the surface of the skin, so that the electric potential is represented. The biological signal generated by the brain activity is divided into the action current and action potential The electrocardiogram and the vital signal generated by the movement of the muscles are called the EMG.

이러한 생체 신호 또는 생체 전기 신호는 세포막 내부와 외부에 존재하는 전위차에 의해 발생하는데, 이 전위는 세포내액(intercellular fluid)과 세포외액(extracellular fluid)을 구분하는 세포막의 특성 때문에 발생한다.Such biological signals or bioelectrical signals are generated by a potential difference existing inside and outside the cell membrane, which is caused by the characteristics of a cell membrane that distinguishes intercellular fluid and extracellular fluid.

생체의 조직과 체액은 전기 전도성을 가지고 있으므로 활성화된 세포의 주위에는 전류가 흐르고, 생체 내에서의 정보 전달은 흥분 자극에 의해 발생한 활동 전위가 신경을 통해 전달됨으로써 이루어지며, 활동 전위의 전달은 인접한 부위의 세포를 흥분시켜서 이 흥분의 세기가 활동 전위 문턱치보다 크면 새로운 활동 전위가 발생되어 인접 부위의 세포로 전달되는 방식으로 이루어지는 구조이다.Since the tissues and body fluids of the living body have electrical conductivity, current flows around the activated cells. In vivo, the information transmission is caused by the action potential generated by excitation stimulation being transmitted through the nerve, Stimulation of the cell of the site, and when the excitation intensity is greater than the action potential threshold, a new action potential is generated and transmitted to the adjacent cell.

이와 같은 생체 신호들은 앞서 설명한 바와 같이 특정 주파수 대역 및 특정 전압 크기를 가지는 특징이 있는데, 이는 모두 아날로그적인 전기 신호로서 대부분 저전력/고잡음비/미세신호의 특징을 가지므로 연산 증폭과 필터링 등 각종 아날로그 신호 처리 과정을 필요로 한다.As described above, the bio-signals are characterized by having a specific frequency band and a specific voltage magnitude. All of the bio-signals are analog electrical signals, and most of them have low power / high noise ratio / fine signal characteristics. Therefore, It requires processing.

위와 같은 특성의 생체 신호를 측정하기 위한 생체 신호 측정 시스템을 하나의 아날로그 프론트-엔드 칩 회로에 집적화함과 동시에 생체 신호 측정에 누락되는 부분을 최소화하여 보다 정확하고 정밀한 생체 신호 측정을 수행하기 위한 본 발명은, 생체 신호를 수신하여 증폭시키는 증폭부, 증폭된 상기 생체 신호 중 설정된 주파수 이상의 주파수 대역 생체 신호만을 통과시키는 고역통과필터(high pass filter: HPF)부 및 상기 고역통과필터부를 통과한 생체 신호를 신호 처리하여 생체 신호 측정 결과를 출력하는 QTC(charge to time converter)부를 포함하여 구성되며, 상기 QTC부는 상기 고역통과필터부를 통과한 생체 신호와 기준 전압을 입력 받아 그 차이를 반영한 출력전류를 흘리는 OTA(operational transconductance amplifier), 상기 OTA의 출력단 전압과 비교 전압을 비교하여 결과값을 출력하는 비교기 및 설정된 범위 내의 전압 값을 한 주기 동안 모두 거치도록 상승 구간과 하강 구간을 갖는 비교 전압을 생성하여 상기 비교기로 입력하는 비교 전압 생성기를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to integrate the bio-signal measurement system for measuring the bio-signal of the above characteristics into one analog front-end chip circuit and to minimize the missing part of the bio-signal measurement, The present invention relates to a biosensor comprising: an amplifying part for receiving and amplifying a bio-signal; a high pass filter (HPF) part for passing only a frequency band biomedical signal of a predetermined frequency or higher among the amplified bio- And a QTC (charge-to-time converter) unit for outputting a bio-signal measurement result by signal processing the QTC unit. The QTC unit receives the bio-signal and the reference voltage passed through the high-pass filter unit, The operational transconductance amplifier (OTA) compares the output voltage of the OTA with the comparison voltage Generating a comparison result to the voltage comparator and a voltage value within a predetermined range and outputting the value that has the rising period and the falling period to go through all for a period characterized by including a comparison voltage generator for input to the comparator.

이에 대한 이해를 돕기 위해, 도 1에 본 발명의 일실시예에 따른 개선된 생체 신호 측정 시스템의 구성도가 도시된다.1 is a block diagram of an improved bio-signal measurement system according to an embodiment of the present invention.

먼저 본 발명의 증폭부(100)는 생체 신호를 수신하여 증폭시키기 위한 구성으로서, 생체 신호의 측정 시 잡음의 영향을 제거하고 원하는 신호 성분만을 추출하기 위하여 차동 증폭기를 이용할 수 있으나, 상기 차동 증폭기는 높은 공통모드 제거 비율(Common-Mode Rejection Ratio: CMRR)을 가지는 반면 입력 임피던스가 낮아 전력용량이 낮은 입력 신호가 인가되는 경우 왜곡이 발생할 우려가 높으며 입력 신호와 출력단, 그리고 입력 신호와 접지단 사이의 전원 분리가 완전하지 못한 단점이 있다.First, the amplifying unit 100 of the present invention is configured to receive and amplify a living body signal. In order to remove the influence of noise in the measurement of a living body signal and extract only a desired signal component, a differential amplifier may be used. When input signals with high common mode rejection ratio (CMRR) are low due to low input impedance, there is a high possibility that distortion occurs. When the input signal and the output terminal are input, and between the input signal and the ground terminal There is a disadvantage that the power supply is not completely separated.

따라서 상기 증폭부(100)는 입력 임피던스가 차동 증폭기에 비해 상대적으로 매우 높은 계측 증폭기(instrument amplifier)를 이용하는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable that the amplifier 100 uses an instrument amplifier whose input impedance is relatively higher than that of the differential amplifier.

도 2에 본 발명의 일실시예에 따른 계측 증폭기의 구조를 나타낸 예시도가 도시된다. 계측 증폭기는 차동 증폭기의 공통모드 제거 비율 특성은 유지하면서 입력 임피던스를 높인 회로로서, 도면에 도시된 구성과 같이 상기 계측 증폭기는 출력단 및 접지단과는 분리된 두 입력과 공통출력을 갖는 두 개의 연산 증폭기로 입력단을 구성하는 특징이 있다.FIG. 2 illustrates an exemplary structure of a measurement amplifier according to an embodiment of the present invention. The instrumentation amplifier is a circuit in which the input impedance is increased while maintaining the common mode rejection ratio characteristic of the differential amplifier. Like the configuration shown in the drawing, the instrumentation amplifier has two operational amplifiers having two inputs and a common output separated from the output stage and the ground stage As shown in FIG.

두 개의 증폭기는 같은 이득을 가지면서 서로 반대의 위상을 가지므로 두 입력단으로 동일한 신호를 입력하면 이상적인 출력 값은 0이 되어야 하며, 이와 같이 동일한 신호를 소거하는 능력을 공통모드 제거 비율이라고 한다(일반적인 공통모드 제거 비율은 1,000,000 : 1 정도(60dB)에 해당함).Since the two amplifiers have the same gain and opposite phases, the ideal output value should be 0 when the same signal is input to both inputs, and the ability to cancel the same signal is called the common mode rejection ratio The common mode rejection ratio corresponds to about 1,000,000: 1 (60dB)).

도면에 나타난 계측 증폭기의 출력 전압은 다음의 식으로 표현될 수 있다.The output voltage of the measurement amplifier shown in the figure can be expressed by the following equation.

Vout = (V2 - V1)*(1 + 2R1/RG)*(R3/R2) + Vref V out = (V 2 - V 1 ) * (1 + 2R 1 / R G ) * (R 3 / R 2 ) + V ref

일반적으로 센서를 이용한 계측 증폭기 회로에서 노이즈 성분이 두 입력 단자에 동일한 위상 성분으로 섞여 들어오므로 이를 제거하기 위해 계측 증폭기를 사용하는데, 만일 전극의 임피던스가 동일하지 않다면 계측 증폭기의 정/역 입력에 인가되는 신호의 크기가 동일하지 않아 공통모드 제거 효율이 떨어지게 된다. 따라서 전극 임피던스의 오차를 극복하기 위해서는 증폭기의 입력 임피던스를 매우 크게 형성하여야만 한다.Generally, in a measurement amplifier circuit using a sensor, noise components are mixed with the same phase component at two input terminals. Therefore, a measurement amplifier is used to remove the noise component. If the impedance of the electrode is not the same, The common mode rejection efficiency is lowered because the size of the applied signal is not the same. Therefore, in order to overcome the error of the electrode impedance, the input impedance of the amplifier must be made very large.

결국 계측 증폭기를 이용하는 본 발명의 증폭부(100)는 1) 낮은 레벨의 입력 신호를 왜곡 없이 받아들이기 위한 높은 임피던스, 2) DC 전압이 작더라도 증폭을 최대한 저지하면서 생체 AC 신호는 충분히 크게 증폭시키기 위한 높은 공통모드 제거 비율, 3) 낮은 노이즈, 4) 신체 피부와 전극 접촉면에서의 저항에 의해 발생하는 DC 옵셋 전압을 제거하기 위한 AC-커플링의 특징을 가진다.In other words, the amplification unit 100 of the present invention using the instrumentation amplifiers can be configured to: 1) have a high impedance for receiving a low-level input signal without distortion; 2) amplify the biological AC signal sufficiently 3) low noise, and 4) AC-coupling for eliminating DC offset voltage caused by resistance on body skin and electrode contacts.

AC-커플링은 증폭기의 피드백 루프(feedback loop)에 저역 통과 필터를 구현하면 전체 전달 함수는 고역 통과 필터의 특성을 가지게 되므로 DC 옵셋 전압을 제거할 수 있게 된다. 생체 신호의 특성상 수 ㎐의 차단 주파수를 유지하기 위해서는 큰 저항 값과 큰 커패시턴스 값을 필요로 하는데, 예를 들어 저항 값이 1㏁이고 커패시턴스 값이 0.1㎌인 경우 저역 통과 차단 주파수는 1.59㎐가 되어 1.59㎐보다 낮은 주파수의 신호는 제거된다.When AC-coupling is implemented with a low-pass filter in the feedback loop of the amplifier, the entire transfer function will have the characteristics of a high-pass filter, thereby eliminating the DC offset voltage. In order to maintain a cut-off frequency of several Hz in terms of the characteristics of a biological signal, a large resistance value and a large capacitance value are required. For example, when the resistance value is 1 MΩ and the capacitance value is 0.1Ω, Signals with frequencies below 1.59 Hz are rejected.

그리고 본 발명의 고역통과필터부(200)는 차단 주파수 이하의 주파수를 갖는 생체 신호 성분을 걸러내는 구성으로서, 반대로 말하면 증폭된 상기 생체 신호 중 설정된 주파수 이상의 주파수 대역 생체 신호만을 통과시키는 구성에 해당한다.The high-pass filter unit 200 according to the present invention filters a bio-signal component having a frequency equal to or lower than a cut-off frequency, and conversely corresponds to a configuration in which only a bio-signal of a frequency band exceeding a predetermined frequency is passed among the bio- .

베셀 필터(Bessel Filter), 버터워스 필터(Butterworth Filter) 또는 체비셰프 필터(Chebyshev Filter) 등 다양한 종류의 필터 회로를 이용할 수 있으며, 원하는 결과를 얻기 위하여 필터 회로의 종류, 저항 값 또는 커패시턴스 값을 조정할 수 있다.Various types of filter circuits can be used, such as a Bessel filter, a Butterworth filter, or a Chebyshev filter. To achieve the desired result, adjust the filter circuit type, resistance value, or capacitance value. .

또한, 본 발명의 QTC부(300)는 상기 고역통과필터부(200)를 통과한 생체 신호를 내부 구성을 통해 신호 처리하여 생체 신호 측정 결과를 출력하는 구성이며, 도 3에 본 발명의 일실시예에 따른 QTC부의 구조를 나타낸 예시도가 도시된다.In addition, the QTC unit 300 of the present invention has a configuration in which a bio-signal that has passed through the high-pass filter unit 200 is subjected to signal processing through an internal configuration to output a bio-signal measurement result. An example showing the structure of the QTC unit according to the example is shown.

도면에 도시되어 있듯이, 상기 QTC부(300)는 고역통과필터부(200)를 통과한 생체 신호(VIN)와 기준 전압(VRLD)을 입력 받아 그 차이를 반영한 출력전류(IOTA)를 흘리는 OTA(operational transconductance amplifier)(310) 및 상기 OTA의 출력단 전압(VOTA_OUT)과 비교 전압(VREFT)을 비교하여 결과 값을 출력하는 비교기(320)를 포함하여 구성되는 특징을 갖는다.As shown in the figure, the QTC unit 300 receives an in-vivo signal V IN and a reference voltage V RLD that have passed through the high-pass filter unit 200 and outputs an output current I OTA reflecting the difference And a comparator 320 for comparing the output voltage V OTA_OUT of the OTA with a comparison voltage V REFT and outputting a resultant value.

여기에서 상기 비교 전압을 일정한 레벨을 갖도록 하는 경우, OTA 출력단 전압이 상기 비교 전압에 도달하는지 여부에 따라 비교 전압에 도달하는 경우 비교기의 출력은 하이(H)가 되고 그렇지 않은 경우 비교기의 출력은 로우(L)가 된다.Here, when the comparison voltage has a constant level, the output of the comparator becomes high (H) when the comparison voltage is reached depending on whether the OTA output voltage reaches the comparison voltage or the output of the comparator is low (L).

그러나 만일 OTA에 생체 신호는 전달되었으나 OTA 출력단 전압이 비교 전압에 도달하지 못하는 경우에는 생체 신호는 발생하였으나 생체 신호 측정 시스템에서는 생체 신호가 발생하지 않은 것으로 측정하게 되는 문제가 있다.However, if a bio-signal is transmitted to the OTA but the OTA output voltage does not reach the comparison voltage, the bio-signal is generated, but the bio-signal measurement system measures the bio-signal as being not generated.

따라서 본 발명은 설정된 범위 내의 전압 값을 한 주기 동안 모두 거치도록 상승 구간과 하강 구간을 갖는 비교 전압을 생성하여 상기 비교기로 입력하는 비교 전압 생성기(330)를 더 구비한다.Accordingly, the present invention further includes a comparison voltage generator 330 for generating a comparison voltage having a rising section and a falling section so as to pass the voltage value within a predetermined range for one period, and inputting the comparison voltage to the comparator.

이에 대한 설명을 보조하기 위해, 도 4에는 비교 전압이 일정한 레벨일 때 QTC부 각 구성의 입력과 출력을 나타낸 예시도가 도시되고, 도 5에는 비교 전압이 상승 구간과 하강 구간을 가질 때 QTC부 각 구성의 입력과 출력을 나타낸 예시도가 도시된다.In order to assist in the explanation, FIG. 4 shows an example of input and output of the QTC auxiliary configuration when the comparison voltage is at a constant level, and FIG. 5 shows an example of the input and output of the QTC auxiliary configuration when the comparison voltage has a rising period and a falling period. An example of input and output of each configuration is shown.

도 4에 파란색으로 표시된 부분을 보면, 생체 신호가 입력되고 이에 따라 OTA 출력단 전압은 발생하였으나 일정한 레벨의 기준 전압에는 도달하지 못해 비교기의 출력은 로우가 되는 것을 확인할 수 있다.In FIG. 4, the blue signal indicates that the OTA output voltage is generated but the reference voltage of a certain level can not be reached, so that the output of the comparator becomes low.

그러나 도 5와 같이 상승 구간과 하강 구간을 가지는 비교 전압을 비교기로 입력하는 경우 생체 신호의 발생에 따라 OTA 출력단 전압은 반드시 비교 전압에 도달하게 되어 기준 전압이 일정한 레벨을 갖는 경우에도 생체 신호를 측정하지 못하는 문제가 해소된다.However, when the comparison voltage having the rising section and the falling section is input to the comparator as shown in FIG. 5, the OTA output voltage always reaches the comparison voltage according to the generation of the bio-signal, so that even when the reference voltage has a constant level, The problem that can not be solved is solved.

만약 도 5와 같은 파형의 비교 전압이 입력되는 경우 동일한 OTA 출력단 전압이 비교 전압보다 작은 크기로 형성될 때에는 OTA 출력단 전압이 비교 전압에 도달하지 못하게 될 수도 있으나 이는 본 발명의 일실시예에 불과한 것으로서 비교 전압의 구성을 생체 신호의 특성에 맞게 구성하면 위와 같은 문제점은 해소될 것이며 필요에 따라 한 주기 내에 다수의 상승 구간과 하강 구간을 가지도록 비교 전압을 구성할 수도 있음은 물론이다.When the comparison voltage of the waveform shown in FIG. 5 is inputted, when the same OTA output terminal voltage is formed to be smaller than the comparison voltage, the OTA output terminal voltage may not reach the comparison voltage, but this is only an embodiment of the present invention If the configuration of the comparison voltage is configured to match the characteristics of the bio-signal, the above problem will be solved. It is needless to say that the comparison voltage may be configured so as to have a plurality of rising and falling periods within one cycle as needed.

또한, 상기 설정된 범위 내의 전압 값은 생체 신호의 크기와 OTA(310)의 내부 파라미터에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 어떠한 종류와 크기의 생체 신호가 발생하였는지는 상승 구간과 하강 구간의 특성(기울기, 한 주기 내의 분포 등)을 고려하여야 한다.In addition, the voltage value within the set range can be appropriately adjusted according to the size of the bio-signal and the internal parameters of the OTA 310. The type and size of the bio-signal generated by the OTA 310 can be determined by the characteristics of the rising section and the falling section Distribution within the period, etc.).

한편, OTA(310)의 출력단과 비교기(320)의 입력단 사이에는 커패시터(C)와 리셋 스위치(RST)가 배치되는데 이는 비교기 출력단을 초기화시키기 위한 구성이며, 상기 OTA의 컨덕턴스가 gm일 때 OTA의 출력전류(IOTA)와 OTA 출력단 전압(VOTA_OUT)은 다음과 같다.Meanwhile, a capacitor C and a reset switch RST are disposed between the output terminal of the OTA 310 and the input terminal of the comparator 320. This configuration is for initializing the output terminal of the comparator. When the conductance of the OTA is gm, Output current (I OTA ) and OTA output voltage (V OTA_OUT ) are as follows.

IOTA = gm(VIN - VRLD)I OTA = gm (V IN - V RLD )

VOTA _OUT = (gm(VIN - VRLD)/C)*t V OTA _OUT = (gm (V IN - V RLD) / C) * t

도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 QTC부의 입력 신호에 따른 출력을 나타낸 예시도가 도시되는데, 즉, OTA(310)의 출력단 전압(VOTA _OUT)은 생체 신호(VIN)와 기준 전압(VRLD)의 차이에 대한 적분 정보(A 영역)이고, OTA 출력단 전압이 비교 전압(VREFT)에 도달하면 비교기의 출력은 하이(H)가 된다.Figure 6 there is illustrated also is shown illustrating the output of the QTC negative input signal according to one embodiment of the present invention, that is, the output voltage (V OTA _OUT) of the OTA (310) is a reference voltage and the bio-signal (V IN) (A region) with respect to the difference between the output voltage V RLD and the reference voltage V RLD , and the output of the comparator becomes HIGH when the OTA output terminal voltage reaches the comparison voltage V REFT .

비교기(320)의 출력이 하이(H)가 된다는 뜻은 낮은 값(로우)과 높은 값 2 가지를 가지는 비교기의 펄스 형태의 출력 중 높은 값의 출력이 도출된다는 의미이다. 이러한 비교기 출력의 펄스 폭(PW)은 입력(VIN - VRLD)의 전압 정보를 포함하며 그 수식은 다음과 같다.The output of the comparator 320 becomes high (H), which means that a high value output of the pulse type output of the comparator having the low value (low) and the high value (2) is derived. The pulse width PW of this comparator output includes the voltage information of the input (V IN - V RLD ) and its formula is as follows.

PW = T - trst - C/(gm(VIN - VRLD))PW = T - t rst - C / (gm (V IN - V RLD ))

여기에 상기 QTC부(300)는 일정 주기 동안 상기 비교기(320)가 출력한 결과값을 카운트 할 수 있는 카운터를 더 포함하여 상기 펄스 폭을 수치화(digitize)함으로써 비교기 출력의 펄스 폭으로부터 입력 전압 정보를 추출할 수 있다.The QTC unit 300 further includes a counter capable of counting a result value output from the comparator 320 for a predetermined period so as to digitize the pulse width so that the input voltage information Can be extracted.

이러한 상기 카운터는 클럭(clock)의 주파수를 상향시킴으로써 고 해상도의 출력 값을 얻을 수 있음은 물론이다.It goes without saying that such a counter can obtain a high-resolution output value by increasing the frequency of a clock.

위와 같은 구성의 상기 QTC부(300)는 OTA(310)의 컨덕턴스(gm) 또는 OTA의 출력단과 연결된 커패시터의 커패시턴스(C) 중 어느 하나 이상을 조절함으로써 저역 통과 차단 주파수(low pass cut off frequency)를 조정할 수 있다.The QTC unit 300 having the above configuration controls a low pass cutoff frequency by adjusting at least one of the conductance gm of the OTA 310 or the capacitance C of the capacitor connected to the output terminal of the OTA 310. [ Can be adjusted.

이는 앞에서 언급한 문제점 중 하나를 개선할 수 있는 특징으로서, 큰 저항 값을 가지는 소자 및/또는 큰 커패시턴스 값을 가지는 소자를 필수 구성으로 이용하지 않고도 저역 통과 차단 주파수를 생체 신호에 적합하도록 구현하여 아날로그 프론트-엔드 칩 회로에 집적화할 수 있다.This is a feature that can improve one of the above-mentioned problems. By implementing a low-pass cut-off frequency suitable for a bio-signal without using a device having a large resistance value and / or a device having a large capacitance value, Can be integrated in a front-end chip circuit.

한편, 도 7에는 종래의 AD 변환기단과 본 발명의 일실시예에 따른 QTC부의 출력을 나타낸 예시도가 도시된다.Meanwhile, FIG. 7 shows an example of a conventional AD converter stage and an output of a QTC unit according to an embodiment of the present invention.

도면에서 VOUT은 변환된 디지털 값을 다시 아날로그 값으로 변환(Digital-to-Analog)하였을 때의 결과 값이다.In the figure, V OUT is the result of converting the converted digital value back to an analog value (Digital-to-Analog).

이 때 VIN과 VOUT의 차이를 살펴보면, 종래의 AD 변환기단은 sample & hold 구간에서 샘플링 된 전압을 conversion period 동안 변환하여 최종 결과를 얻어내므로 샘플링 시점에서의 입력 전압만이 결과에 반영되는 문제가 있다.In this case, the difference between V IN and V OUT is that the conventional AD converter stage converts the sampled voltage during the conversion period to obtain the final result, so that only the input voltage at the sampling time is reflected in the result there is a problem.

그러나 본 발명의 QTC부(300)는 conversion period 동안 입력을 지속적으로 반영하여 최종 결과를 얻어내므로 종래의 AD 변환기단보다 더욱 정확한 출력을 도출해낼 수 있음을 확인할 수 있다.However, since the QTC unit 300 of the present invention continuously reflects the input during the conversion period to obtain the final result, it can be confirmed that a more accurate output can be obtained than in the conventional AD converter unit.

미세한 변화가 지속적으로 발생하는 생체 신호의 특성 상 위와 같은 차이는 측정 시스템의 결과에 있어서 상당한 차이가 되므로 본 발명은 종래의 생체 신호 측정 시스템보다 명확한 결과 값을 출력할 수 있는 특징을 가진다.Since the difference between the characteristics of the bio-signals continuously generating minute changes is significant in the result of the measurement system, the present invention is characterized in that it can output a clearer result than the conventional bio-signal measurement system.

결과적으로 본 발명은 생체 신호 측정 시스템에 OTA 및 비교기를 포함하는 QTC부를 이용함으로써 집적화가 불가능할 정도로 큰 값을 가지는 저항이나 커패시터의 적용 없이도 아날로그 프론트-엔드 칩 회로에 집적화하여 구현이 가능한 특징이 있다.As a result, the present invention utilizes a QTC unit including an OTA and a comparator in a bio-signal measurement system so that it can be integrated into an analog front-end chip circuit without application of a resistor or a capacitor having such a large value that integration is impossible.

아울러 본 발명은 AD 변환기단을 고 해상도로 구현함과 동시에 비교기에 입력되는 비교 전압이 일정한 레벨이 아닌 상승 구간과 하강 구간을 갖도록 구성함으로써 생체 신호 측정에 있어서 측정에 누락되는 부분을 최소화하여 보다 정확한 생체 신호를 측정할 수 있는 장점이 있다.Further, according to the present invention, the A / D converter stage is implemented with a high resolution and the comparison voltage input to the comparator is configured to have a rising section and a falling section instead of a constant level, thereby minimizing a portion missing in the measurement in the bio- There is an advantage that a bio-signal can be measured.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.While the present invention has been described with reference to the specific embodiments, it is to be understood that the invention is not limited thereto. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and their equivalents. Various modifications and variations are possible.

100: 증폭부
200: 고역통과필터부
300: QTC부
310: OTA
320: 비교기
330: 비교 전압 생성기
100:
200: High pass filter section
300: QTC department
310: OTA
320: comparator
330: comparison voltage generator

Claims (5)

생체 신호를 수신하여 증폭시키는 증폭부;
증폭된 상기 생체 신호 중 설정된 주파수 이상의 주파수 대역 생체 신호만을 통과시키는 고역통과필터(high pass filter: HPF)부; 및
상기 고역통과필터부를 통과한 생체 신호를 신호 처리하여 생체 신호 측정 결과를 출력하는 QTC(charge to time converter)부; 를 포함하며,
상기 QTC부는,
상기 고역통과필터부를 통과한 생체 신호와 기준 전압을 입력 받아 그 차이를 반영한 출력전류를 흘리는 OTA(operational transconductance amplifier);
상기 OTA의 출력단 전압과 비교 전압을 비교하여 결과값을 출력하는 비교기; 및
설정된 범위 내의 전압 값을 한 주기 동안 모두 거치도록 상승 구간과 하강 구간을 갖는 비교 전압을 생성하여 상기 비교기로 입력하는 비교 전압 생성기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 생체 신호 측정 시스템.
An amplifying unit for receiving and amplifying a biological signal;
A high pass filter (HPF) unit for passing only a frequency band biomedical signal of a predetermined frequency or higher among the amplified bio-signals; And
A QTC (charge to time converter) unit for signal processing the bio-signal passing through the high-pass filter unit to output a bio-signal measurement result; / RTI >
The QTC unit includes:
An operational transconductance amplifier (OTA) for receiving a bio-signal and a reference voltage passed through the high-pass filter unit and passing an output current reflecting the difference;
A comparator for comparing the output voltage of the OTA with a comparison voltage and outputting a result value; And
A comparison voltage generator for generating a comparison voltage having a rising section and a falling section so as to pass the voltage value within the set range for one period, and inputting the comparison voltage to the comparator; Wherein the bio-signal measuring system comprises:
제 1항에 있어서,
상기 QTC부는 OTA의 컨덕턴스(gm) 또는 OTA의 출력단과 연결된 커패시터의 커패시턴스(C) 중 어느 하나 이상을 조절하여 저역 통과 차단 주파수(low pass cut off frequency)를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the QTC unit is capable of adjusting a low pass cutoff frequency by adjusting at least one of a conductance (gm) of the OTA or a capacitance (C) of a capacitor connected to an output terminal of the OTA. system.
제 1항에 있어서 상기 QTC부는,
일정 주기 동안 상기 비교기가 출력한 결과값을 카운트 할 수 있는 카운터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 시스템.
The apparatus of claim 1, wherein the QTC unit comprises:
Further comprising a counter capable of counting a result value output from the comparator during a predetermined period of time.
제 1항에 있어서,
상기 증폭부는 계측 증폭기(instrument amplifier)를 이용하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the amplification unit uses an instrument amplifier.
제 1항에 있어서,
상기 고역통과필터부는 베셀 필터(Bessel Filter), 버터워스 필터(Butterworth Filter) 또는 체비셰프 필터(Chebyshev Filter) 중 어느 하나 이상을 이용하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the high-pass filter unit uses one or more of a Bessel filter, a Butterworth filter, or a Chebyshev filter.
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