TWI419463B - 差動訊號之放大電路及其放大方法 - Google Patents

Description

差動訊號之放大電路及其放大方法

本發明係關於一種差動式前端交流耦合電路的設計，特別是一種適用於生理訊號量測的前端差動訊號的放大電路。

傳統差動式生理訊號測量電路，需要三個電極，兩個電極用以量測身理訊號，以及一個回饋電極作為DRL(Driven Right Leg Circuit)，以偵測回饋訊號。利用反向回饋，DRL可有效降低雜訊的產生。並且，由於電流反饋回人體，增加病人使用儀器的安全風險。

傳統差動式生理訊號測量電路必須使用正負電源設計，對於攜帶式產品而言，雙電源通常是從一個單一的電池使用開關切換的方式逆轉換得來，然而，必定造成電路設計上的複雜以及雜訊與耗電量的增加，以及微小化的困難，使得攜帶的便利性降低。因此，為達到低耗電與小型化的設計目標，單電源系統的設計是一個必須的解決方式。

由於生理訊號本身的訊號強度相當微弱，不同於一般的電訊號，並且，人體所處在的環境也會產生許多雜訊，這些雜訊皆處於量測之生理訊號的頻帶當中。因此，需要透過濾波器以濾除這些雜訊，才能夠減少雜訊對於生理訊號量測與判斷的影響。傳統上，差動式生理訊號量測電路於量測時，皆會伴隨著相當大的共模訊號(common-mode voltage)，因此為了要量測到不失真的生理訊號，往往需要具有較高共模拒斥比(CMRR)的差動式生理訊號量測電路 ，才能夠自很高的交流電源雜訊中，得到相當微弱的生理訊號。其中，這些雜訊的來源包括：眼電訊號、肌電訊號、心電訊號等來自於人體的訊號，更包括差動式生理訊號量測電路當中之各種電子零件的差異及電路設計上所產生的雜訊。

對於差動式生理訊號前端放大器而言，越高的共模拒斥比(CMRR)表示越好的訊號品質。而就儀表放大器而言，高共模拒斥比需要高增益。然而，由於皮膚與接觸電極貼片存在著直流準位偏壓(electrode offset potential)，為防止放大器在高增益下，因為直流準位偏壓過高導致飽和失真，往往限制了前端放大器的增益，然而也因此降低共模拒斥比。

第一圖所示為傳統具有高通濾波器構成的差動訊號之放大電路。

如第一圖所示為傳統之差動訊號之放大電路10，其是由一個儀表放大器11，以及其輸入端分別由一對稱的高通濾波器12、13所組成，並且於差動訊號輸入端點V1、V2之間輸入一共模訊號，此共模訊號通常為一零電壓準位。但是差動輸入之交流訊號耦合電路主要的缺點是：對稱的高通濾波器12、13其組成電子元件(電阻R1、R1’、電容C1、C1’)本身的誤差，會導致頻率響應不同，進而造成儀表放大器11產生訊號誤差。

第二圖所示為傳統具有高通濾波器構成的差動訊號之放大電路。

根據第二圖所示為傳統之差動訊號之放大電路20，其係根據第一圖之差動訊號放大電路10的改良。差動訊號耦 合放大電路20藉由共模電阻R2的投入，可有效修正高通濾波器電路12、13其電子元件本身之誤差所造成的訊號誤差。其中，差動訊號放大電路20的共模電阻R2必須遠大於高通濾波器之電阻R1、R1’，並且共模電阻R2的理論值是無窮大。然而，過大的共模電阻R2會導致偏移電壓過高，影響儀表放大器11的靜態輸入電壓的範圍，造成共模拒斥比的降低，以及導致儀表放大器11的飽和失真。

第三圖所示為傳統的平衡式交流訊號之放大電路。

根據第三圖所示之平衡式差動訊號之放大電路30，亦為根據第一圖之差動訊號之放大電路10的改良。平衡式差動訊號之放大電路30，其藉由平衡電阻31的投入，使得平衡式差動訊號之放大電路30具有極佳的交流訊號耦合能力與極高的共模阻抗，可有效降低元件本身誤差的影響。然而，當此電路在單電源情況下使用時，必須藉由第三回饋點(未顯示)提供一直流偏壓；以及，因平衡電阻31的投入，導致差模阻抗的降低。

本發明主要是提出一種單電源式差動訊號之放大電路，主要的目的是提供在單電源使用的情況下，利用共模訊號與直流偏壓訊號，以有效地提高共模拒斥比，進而提高訊號雜訊比(SNR)，並且，利用共模電阻，可以避免使用回饋電極，以及達到單電源使用的目的。

本發明技術之輸入端的訊號是由差動原始訊號分別經由高通濾波器通過之交流成分，加上低通濾波器之共模點訊號耦合成耦合差動訊號，並輸入至儀表放大器的輸入端 進行訊號的放大。其中，共模點訊號是由儀表放大器之共模訊號經由高通濾波器濾除直流後之交流成分以及直流偏壓所組成。

儀表放大器之輸入端所輸入之耦合差動訊號具有相同的偏壓準位與共模補償，因此，即使儀表放大器具有高增益放大，也不會因直流偏壓問題而造成儀表放大器輸出飽和。而共模訊號補償的投入，會經由儀表放大器之共模抵減，而使得因電子元件本身的差異所造成的交流訊號誤差得到修正。

本發明提出一種單電源式差動訊號之電路，不僅可降低電子元件本身的誤差的影響，提高共模拒斥比，並且可在單電源工作電壓下操作。

根據本發明實施例，提供一種差動訊號之放大電路，包括：一儀表放大器，具有一第一及第二輸入端以及一回授端；一第一及第二交流訊號耦合單元，分別與該儀表放大器之該第一及第二輸入端連接，且分別為一高通濾波電路，以供一差動訊號輸入；以及一偏壓投入單元，與該第一及第二交流訊號耦合單元及該儀表放大器之該回授端連接，以及與一直流偏壓連接，以產生一共模點訊號；其中，該差動訊號通過該第一及第二交流訊號耦合單元，並與該共模點訊號耦合，以產生一耦合差動訊號，並輸入至該儀表放大器之該第一及第二輸入端。

根據本發明實施例，提供一種差動訊號的放大方法，包括：藉由一組對稱之高通濾波電路，以將一差動訊號之一低頻雜訊濾除，並將該差動訊號之一高頻成分通過；藉由一直流偏壓訊號與一共模訊號的耦合，以產生一共模點 訊號；以及將該共模點訊號與該差動訊號之該高頻成分耦合，以產生一耦合差動訊號，並輸入至一儀表放大器。

本發明所提供之差動訊號之放大電路，與其它習用技術相互比較時，更具有下列之優點：

a、不會因輸入端之兩端的直流偏壓問題，而影響儀表放大器增益，因此能發揮儀表放大器最大共模拒斥比能力，提高訊號雜訊比。

b、可對因電路當中之電子元件本身的誤差造成的訊號誤差進行補償，提高訊號完整度。

c、因於可利用具有高增益的前端放大器，可具有高增益放大，因此可減少後級放大電路的數量。

d、可操作於單電源環境系統，以及可避免使用回饋電極，達到簡化電路設計的目的。

本案發明人提出本案之發明概念，本發明之機制係與公知技術截然不同，俾以提供一種差動訊號之放大電路。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明為達成預定目的所採取之方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

第四圖所示為本發明之差動訊號之放大電路。

如第四圖所示，差動訊號之放大電路40為一種可利用單電源驅動的電路。藉由儀表放大器41、第一及第二交流訊號耦合單元42及42’、以及偏壓投入單元43所組成。其中，第一及第二交流耦合單元42及42’分別與儀表放大器 41之第一輸入端與第二輸入端連接，且第一及第二交流耦合單元42及42’可為分別藉由電容C1、C1’及電阻R1、R1’以組成高通濾波電路；偏壓投入單元43與儀表放大器41之回授端連接，以及分別與第一及第二交流耦合單元42、42’連接，偏壓投入單元43可藉由電阻R2、R3及R3’以及電容C2所組成，並且共模電阻R2之兩端點與直流偏壓VDD及共模點A連接。其中，直流偏壓VDD可為零電壓準位或是任何的電壓準位，以調整輸入至儀表放大器41之差動輸入訊號的輸入偏移電壓值。

第一及第二交流訊號耦合單元42及42’可接收來自於人體的生理訊號，或是其他的交流差動訊號。分別藉由第一及第二交流耦合單元42、42’之電容C1、C1’與電阻R1、R1’所組成的高通濾波電路，將交流差動訊號的直流與低頻成分濾除，以分別讓交流差動訊號的高頻成分通過並傳遞至B與B’點。藉此，可以濾除交流差動訊號當中低頻的雜訊干擾，並將差動訊號的高頻成分輸入至B與B’點。並且，藉由電阻R1、R1’及電容C2所組成之低通濾波電路，以將交流差動訊號的高頻成分限制於B與B’點，以增加儀表放大器41之輸入阻抗，並增加共模拒斥比。

另外，有一共模點訊號，是由儀表放大器41所產生之共模訊號及一直流偏壓訊號所組成，可於B與B’點與交流差動訊號的高頻成分耦合，以形成一耦合差動訊號，並輸入至儀表放大器41之第一輸入端與第二輸入端。其中，可藉由共模點訊號之直流偏壓訊號，使得B與B’點之耦合訊號具有相同的直流偏壓準位。並且，藉由共模點訊號之相同的共模訊號的補償，可使得儀表放大器41產生共模抵減 ，以使得電路當中之電子元件本身的差異得到修正。

其中，儀表放大器41可產生一共模訊號，並透過電阻R3、R3’傳遞至電容C2與共模電阻R2所組成的高通濾波電路，可濾除共模訊號的直流成分，並傳遞至A點。直流偏壓訊號，則是直流偏壓VDD透過電阻R2及R1、R1’的分壓原理，即可於A點產生一直流偏壓訊號。藉此，可於A點將共模訊號與直流偏壓訊號耦合，以形成一共模點訊號。其中，偏壓投入單元43之共模電阻R2需遠大於第一及第二交流訊號耦合單元42、42’之電阻R1、R1’，藉此，可減少電阻R1、R1’之本身的誤差影響差動輸入訊號的電壓準位。其中，共模訊號為儀表放大電路41產生之回授訊號，可與差動訊號耦合，透過儀表放大電路41產生共模抵減的效果。

透過電阻R1、R1’與電容C1、C1’所形成的低通濾波電路，可將直流偏壓訊號與共模訊號耦合之共模點訊號，從A點分別傳遞至B與B’點，並分別與B與B’點之差動訊號的高頻成分耦合，以分別產生耦合差動訊號。

此時，儀表放大器41之第一輸入端與第二輸入端所輸入之耦合差動訊號為濾除低頻雜訊之差動輸入訊號與共模點訊號的耦合。由於差動訊號透過第一及第二交流訊號耦合單元42及42’濾除低頻或直流的雜訊，並且與具有相同電壓準位的共模點訊號耦合，因此，耦合差動訊號具有相同的輸入偏移電壓準位。另外，耦合差動訊號與具有相同共模訊號的共模點訊號耦合，則第一及第二耦合訊號即可具備相同的共模補償。

因此，透過上述之差動訊號的高頻成分與共模點訊號 耦合而成之耦合差動訊號，儀表放大器41則不會產生因直流偏壓過大的問題而造成儀表放大器41產生輸出飽和的狀況。並且，藉由共模訊號補償的投入，經由儀表放大器41之共模抵減，會使得因電路當中之電子元件本身的差異所造成的交流訊號誤差得到修正。因此，利用共模訊號與直流偏壓訊號，以有效地提高共模拒斥比，進而提高訊號雜訊比(SNR)，並且，利用共模電阻R2的使用，可以避免使用回饋電極，以達到簡化電路設計的目的。藉此，儀表放大器41可選用高增益的放大器，亦可獲得相當高的共模拒斥比，並可避免輸出飽和的問題。亦即，利用本發明之差動訊號耦合放大電路40，可選用較高增益的儀表放大器41，藉此，可以減少多級放大電路的使用，亦即可減少後級放大器的使用數量及增益倍數。

如下計算式(1)，為本發明之單電源式差動訊號之放大電路40的轉移函式：

其中，

G=儀表放大器的增益

如下計算式(2)，為本發明之單電源式差動訊號之放大電路40的共模訊號的轉移函式：

式(2)表示，當R2與C2的乘積越大時，則不平衡的共模影響越小。

如下計算式(3)，為本發明之單電源式差動訊號之放大電路40的共模阻抗：

如下計算式(4)，為本發明之單電源式差動訊號之放大電路40的差模阻抗：

本發明係提出一種具有對稱之單電源式差動訊號之放大電路40，於輸入端分別藉由交流訊號耦合單元42、42’之高通濾波電路，以使得人體所產生之高頻的生理訊號得以輸入，並且將低頻或直流的雜訊訊號濾除，同時，共模點訊號經過一低通濾波器，以將低頻的共模點訊號與高頻的生理訊號耦合。此時，由於儀表放大器41之輸入端之耦 合差動訊號具有相同的偏壓準位與共模補償，因此，儀表放大器41之高增益放大並不會因直流偏壓問題而造成儀表放大器41的輸出飽和；而共模訊號補償的投入，則會經過儀表放大器41的共模抵減，而使得對稱電路當中之各個元件本身的誤差所造成的交流訊號誤差得到修正。

藉此，本發明之單電源式差動訊號之放大電路40，可具有低功率消耗的特點，以及可以藉由共模電阻R2的使用，避免使用回饋電極DRL，以簡化電路的設計，以達到縮小產品尺寸的目的。

惟，以上所述，僅為本發明的具體實施例之詳細說明及圖式而已，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案所界定之專利範圍。

10、20、30、40‧‧‧交流訊號之放大電路

V1、V2‧‧‧差動訊號輸入端點

11、41‧‧‧儀表放大器

12、13‧‧‧高通濾波器

31‧‧‧平衡電阻

42、42’‧‧‧交流訊號耦合單元

43‧‧‧偏壓投入單元

R2‧‧‧共模電阻

R1、R1’、R3、R3’‧‧‧電阻

C1、C1’、C2‧‧‧電容

第一圖所示為傳統具有高通濾波器構成的交流訊號之放大電路。

第二圖所示為傳統具有高通濾波器構成的交流訊號之放大電路。

第三圖所示為傳統的平衡式交流訊號之放大電路。

第四圖所示為本發明之交流訊號之放大電路。

40‧‧‧交流訊號之放大電路

V1、V2‧‧‧差動訊號輸入端點

41‧‧‧儀表放大器

42、42’‧‧‧交流訊號耦合單元

43‧‧‧偏壓投入單元

R2‧‧‧共模電阻

R1、R1’、R3、R3’‧‧‧電阻

C1、C1’、C2‧‧‧電容

Claims (10)

1. 一種差動訊號之放大電路，包括：一儀表放大器，具有一第一及第二輸入端、一輸出端以及一回授端；一第一及第二交流訊號耦合單元，分別與該儀表放大器之該第一及第二輸入端連接，且分別為一高通濾波電路，以供一差動訊號輸入；以及一偏壓投入單元，與該第一及第二交流訊號耦合單元及該儀表放大器之該回授端連接，以及該偏壓投入單元之一共模電阻與一直流偏壓連接，以產生一直流偏壓訊號，以及該儀表放大器產生一共模訊號，且將該共模訊號與該直流偏壓訊號耦合，以產生一共模點訊號；其中，該差動訊號通過該第一及第二交流訊號耦合單元，並與該共模點訊號耦合，以產生一耦合差動訊號，並輸入至該儀表放大器之該第一及第二輸入端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之差動訊號之放大電路，其中該第一及第二交流訊號耦合單元，分別為一電容與一電阻所組成之該高通濾波電路，且該差動訊號通過該第一及第二交流訊號耦合單元以濾除低頻及直流的一雜訊。
3. 如申請專利範圍第1項所述之差動訊號之放大電路，其中該偏壓投入單元之一電容及該第一及第二交流訊號耦合單元之一電阻組成一組對稱的高通濾波電路，以將該共模訊號與該直流偏壓訊號耦合，形成該共模點訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之差動訊號之放大電路，其中該共模點訊號包含一直流偏壓訊號與一共模訊號的高頻成分，以及該共模訊號為該儀表放大器之回授訊號。
5. 如申請專利範圍第1項所述之差動訊號之放大電路，其中該共模電阻的電阻值大於該第一及第二交流訊號耦合單元之對應的電阻的電阻值。
6. 一種差動訊號的放大方法，包括：藉由一組對稱之高通濾波電路，以將一差動訊號之一低頻雜訊濾除，並將該差動訊號之一高頻成分通過；藉由一偏壓投入單元連接該組高通濾波電路及該儀表放大器之回授端，並具有一共模電阻與一直流偏壓連接，藉以產生一直流偏壓訊號，以及該儀表放大器產生一共模訊號；藉由該直流偏壓訊號與該共模訊號的耦合，以產生一共模點訊號；以及將該共模點訊號與該差動訊號之該高頻成分耦合，以產生一耦合差動訊號，並輸入至一儀表放大器。
7. 如申請專利範圍第6項所述之差動訊號的放大方法，其中該高通濾波電路，為一電容與一電阻所組成，且該差動訊號通過該高通濾波電路以濾除低頻及直流的一雜訊。
8. 如申請專利範圍第6項所述之差動訊號的放大方法，其中更包括該偏壓投入單元之一電容及該組高通濾波電路之對應的電阻，以濾除該共模訊號之一低頻成分，並讓該共模訊號之高頻成分通過，以及該共模訊號之高頻成分與該直流偏壓訊號耦合形成該共模點訊號。
9. 如申請專利範圍第6項所述之差動訊號的放大方法，其中該共模點訊號包含一直流偏壓訊號與一共模訊號的高頻成分，以及該共模訊號為該儀表放大器之回授訊號。
10. 如申請專利範圍第8項所述之差動訊號的放大方法，其 中該共模電阻的電阻值大於該組高通濾波電路之對應的該電阻的電阻值。