TWI682626B - 神經訊號放大器及多通道神經訊號放大系統 - Google Patents

神經訊號放大器及多通道神經訊號放大系統 Download PDF

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Abstract

一種神經訊號放大器，其包含放大器、交換電容電路輸入單元、交換電容回授電路單元以及交換電容電路輸出單元。其中交換電容電路輸入單元、交換電容回授電路單元以及交換電容電路輸出單元包含複數個差動開關、複數個共模開關以及複數個電容，透過控制各開關開啟或進行交換電容操作，藉以控制神經訊號放大器壓抑直流漂移與重建共模電源的直流輸入。

Description

神經訊號放大器及多通道神經訊號放大系統
本發明係關於一種訊號放大器，特別係關於一種全整合神經訊號放大器。
人類的行為可以說完全受到腦的控制，而腦生理的異常往往造成認知與行為的異常，彼此為互相關連。近年來，腦科學研究在全球掀起新的熱潮，且其發展趨勢具備跨領域的整合性及影響力。腦科學研究發展出包含透過探討腦的認知功能，進一步剖析人類的行為認知科學，以及探討腦細胞與神經系統的構造與運作機制，藉此對一些腦疾病提供解決之道的腦生理學。
腦生理學研究的門檻高，往往需要一高靈敏度腦磁波儀(Magneto encephalographic,MEG)作為檢測的工具，許多研究機構利用腦磁波儀及腦波儀(Neuron Spectrum)來繪製人類大腦譜(Human Brain Mapping)，藉以量測取得精密的腦波變化進行腦科學分析。
為了精確的繪製人類大腦圖譜及探討腦神經訊號傳遞，需要高時空解析度的神經影像技術。其中，量測超高解析度的微大腦皮質訊號指的是在大腦皮質表面上，安置高密度的電極陣列，藉以量測在大腦皮質中神經元的電 位活動及大腦皮質表面所產生的電位變化。因此，為改善電生理訊號解析度的精準程度，微大腦皮質訊號(micro-ECoG或uECoG)擷取技術的發展更加重要。
在過去技術中，偵測神經訊號電路設計採用外接直流屏蔽電容以抑制神經訊號之直流漂移。請參閱第1圖，其係為習知的偵測神經訊號電路。如圖所示，習知技術雖能透過所設置的屏蔽電容而達成抑制神經訊號漂移的功效，然而，在習知技術的電路架構中，需要較大電容值才得以使偵測神經訊號電路屏蔽及放大訊號，因此造成整體偵測神經訊號電路體積過大。
但大腦皮質表面神經訊號變化複雜，擷取微大腦皮質訊號(micro-ECoG或uECoG)需要高密度的電極陣列，若偵測神經訊號電路體積過大，將限制電極陣列的通道數以及量測裝置所適用的生理訊號偵測範圍，除此之外，在整合多通道的神經訊號擷取系統時將造成整體系統的額外負擔，不僅增加系統設計整合的困難，也使量測精準程度受到影響。
基於上述目的，本發明係提供一種神經訊號放大器，其包含放大器、交換電容電路輸入單元、交換電容電路回授單元以及交換電容電路輸出單元。其中放大器包含第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端、第二輸出端以及共模回饋輸入端。其中第一輸入端接受第一輸入訊號，第二輸入端接受第二輸入訊號，共模回饋輸入端接收共模回饋輸入訊號，藉此產生並在第一輸出端及第二輸出端上分別輸出第一放大輸出訊號以及第二放大輸出訊號。交換電容電路輸入單元接收第一生物電位訊號以及第二生物電位訊號，以產生第一輸入訊號以及第二輸入訊號。二交換電容電路回授單元分別電性連接放大器之第一輸 入端與第一輸出端之間、以及第二輸入端與第二輸出端之間。交換電容電路輸出單元接收第一放大輸出訊號以及第二放大輸出訊號，以產生共模回饋輸入訊號。交換電容電路輸入單元、交換電容電路回授單元以及交換電容電路輸出單元還設置有複數個差動開關以及複數個共模開關，當複數個差動開關導通而複數個共模開關不導通，神經訊號放大器處於差動放大狀態。當複數個差動開關不導通而複數個共模開關導通，神經訊號放大器處於共模重建狀態，透過操作複數個差動開關與複數個共模開關控制神經訊號放大器在差動放大狀態與共模重建狀態間切換，以重建共模電流抑制直流電流漂移。
較佳地，交換電容電路輸入單元包含第一差動開關，連接於產生第一生物電位訊號的第一生物電位訊號源。第一共模開關連接於第一差動開關與第一電容之間，第一電容與第一輸入端連接。第二差動開關連接於產生第二生物電位訊號的第二生物電位訊號源。第二共模開關連接於第二差動開關與第二電容之間，第二電容與第二輸入端連接以及第參考電壓，連接於第一共模開關與第二共模開關之間。
較佳地，交換電容電路回授單元包含第三共模開關、第四共模開關連接接供給第五偏壓的第五偏壓源，第五偏壓源還與第三共模開關連接。第三差動開關連接第四共模開關。第三電容連接第三共模開關與第四共模開關之間，以及低通電容連接第三共模開關與第三差動開關之間。第三電容、低通電容及第三共模開關分別與第一輸入端或第二輸入端連接，低通電容、第四共模開關分別與第一輸出端或第二輸出端連接。
較佳地，交換電容電路輸出單元包含第六共模開關，係連接第一輸出端。第七共模開關連接共模回饋輸入端。第八共模開關連接第二輸出端。 第六差動開關一端連接第六共模開關，另一端連接供給第五偏壓的第五偏壓源。第七差動開關一端連接第七共模開關，另一端連接供給第一偏壓的第一偏壓源。第八差動開關，一端連接第八共模開關，另一端連接供給第五偏壓的第五偏壓源。第五電容一端連接第一輸出端與第七共模開關之間，第五電容另一端連接共模回饋輸入端與第七差動開關之間。第六電容一端連接共模回饋輸入端與第七共模開關之間，第六電容另一端連接第二輸出端與第八共模開關之間。第七電容一端連接第六共模開關與第八差動開關之間，第七電容另一端連接第七共模開關與第七差動開關之間，第八電容一端連接第七共模開關與第七差動開關之間，第八電容另一端連接第八共模開關與第八差動開關之間。
較佳地，神經訊號放大器還包含開關控制單元，開關控制單元與交換電容電路輸入單元、二交換電容電路回授單元、交換電容電路輸出單元電性連接，開關控制單元輸出開關控制訊號控制各差動開關及各共模開關，當開關控制訊號高於標準值，複數個差動開關導通而複數個共模開關不導通；當開關控制訊號低於該標準值，複數個差動開關不導通而該複數個共模開關導通。
較佳地，神經訊號放大器還包含偏壓電壓產生單元，偏壓電壓產生單元與二交換電容電路回授單元及交換電容電路輸出單元電性連接，產生並供給二交換電容電路回授單元第五偏壓，以及產生並供給交換電容電路輸出單元第五偏壓以及第一偏壓，其中偏壓電壓產生單元與複數個不同偏壓源連接。
較佳地，偏壓電壓產生單元包含由Sooch Cascode電流鏡(Sooch Cascode current mirror)構成的供電電路。
較佳地，放大器包含由全差動折疊共源柵放大器(FDFC Amp)構成的放大電路。
基於上述目的，本發明再提供一種多通道神經訊號放大系統，其包含複數個神經訊號放大器耦合單元、複數個類比訊號微處理器以及複數個神經訊號放大器。複數個神經訊號放大器耦合單元，各神經訊號放大器耦合單元包含複數個神經訊號放大器。每一類比訊號微處理器與一神經訊號放大器耦合單元連接，以及各個神經訊號感測通道與一神經訊號感測通道與一神經訊號放大器連接。
上述實施例的優點之一，是透過交換電容操作取代外接直流屏蔽電容，且各交換電容及開關可配置為由電晶體構成，進一步減少整體設計的積體電路面積，除此之外，藉由交換電容操作減少直流屏蔽電容漏電流，更進一步改善神經訊號失真的情況。
上述實施例的另一優點，在本發明的神經訊號放大器電路架構中，透過交換電容電路輸入單元的設置，即可在本發明的神經訊號放大器電路架構的情況下，根據神經訊號放大器所接收訊號端的直流漂移範圍設計抑制電路。
上述實施例的另一優點，透過對應各個感測通道獨立設置的神經訊號放大器的生理訊號接收通道架構，使本發明的神經訊號放大器所設計多通道神經訊號擷取架構接收神經訊號的訊號更精準，也使類比前端電路的感測訊號更易由生理訊號偵測端排查檢測。
上述實施例的另一優點，在本發明所提出的神經訊號放大器架構中，僅須透過調整可切換的交換電容設置即可調整本發明的神經訊號放大器電路穩定量測的偵測範圍，進一步適用於其他量測其他生理訊號源，除此之外， 在本發明的神經訊號放大器電路架構中，還可透過調整輸出單元中的交換電容的電路設置，調整所設計的多通道神經訊號擷取架構的放大增益範圍。
上述實施例的另一優點，在本發明所提出的神經訊號放大器架構中，透過分別提供交換電容電路輸入單元、交換電容回授電路單元複數個偏壓的偏壓電壓產生單元設置，進一步消除神經訊號放大器中不同電流電路間的不匹配，除此之外，也減少整體電路架構的電源消耗。
上述實施例的另一優點，在本發明所提出的神經訊號放大器架構中，透過與交換電容電路輸入單元、交換電容電路回授單元共用偏壓電壓產生單元中至少一個偏壓源的差動放大器，進一步改善提升訊號放大倍率的精確度。
本發明的其他優點將搭配以下的說明和圖式進行更詳細的解說。
1‧‧‧神經訊號放大器
10‧‧‧交換電容電路輸入單元
VS1‧‧‧第一生物電位訊號源
VS2‧‧‧第二生物電位訊號源
Ds1‧‧‧第一差動開關
Cs1‧‧‧第一共模開關
Ds2‧‧‧第二差動開關
Cs2‧‧‧第二共模開關
151‧‧‧第一電容
152‧‧‧第二電容
20‧‧‧放大器
30‧‧‧交換電容電路回授單元
Cs3‧‧‧第三共模開關
Cs4‧‧‧第四共模開關
Ds3‧‧‧第三差動開關
153‧‧‧第三電容
CLP‧‧‧低通電容
40‧‧‧交換電容電路輸出單元
Cs6‧‧‧第六共模開關
Cs7‧‧‧第七共模開關
Cs8‧‧‧第八共模開關
Ds6‧‧‧第六差動開關
Ds7‧‧‧第七差動開關
Ds8‧‧‧第八差動開關
155‧‧‧第五電容
156‧‧‧第六電容
157‧‧‧第七電容
158‧‧‧第八電容
50‧‧‧偏壓電壓產生單元
biasa‧‧‧第一偏壓
biasb‧‧‧第二偏壓
biasc‧‧‧第三偏壓
biasd‧‧‧第四偏壓
biase‧‧‧第五偏壓
70‧‧‧開關控制單元
701‧‧‧控制訊號
Vi1‧‧‧第一輸入端
Vi2‧‧‧第二輸入端
Vo1‧‧‧第一輸出端
Vo2‧‧‧第二輸出端
Vcmc‧‧‧共模回饋輸入端
NM‧‧‧神經訊號探測器
ABA‧‧‧類比生物訊號採集裝置
WP‧‧‧封包裝置
BUS‧‧‧匯流排
MCU‧‧‧微控制器
DAC‧‧‧數位訊號轉類比訊號轉換器
SAR‧‧‧逐次漸近暫存器
ADC‧‧‧類比訊號轉數位訊號轉換器
NA1~NA8‧‧‧神經訊號放大器
NAA1‧‧‧神經放大陣列
Ch1~Ch8‧‧‧通道
Analog MUX1、Analog MUX2‧‧‧類比訊號微處理器
第1圖係為習知的偵測神經訊號電路的電路圖。
第2圖係為腦神經電生理訊號感測系統架構圖。
第3圖係為本發明一實施例的多通道系統架構圖。
第4圖係為本發明一實施例的神經訊號放大器方塊圖。
第5圖係為本發明一實施例的神經訊號放大器電路圖。
第6圖係為本發明一實施例的共模回饋輸入架構電路圖。
第7圖係為本發明一實施例共模回饋輸入架構半電路圖。
第8圖係為本發明一實施例重建共模直流電源輸入的半電路架構圖。
第9圖係為本發明一實施例的交換電容電路輸出單元電路圖。
第10圖係為本發明一實施例的偏壓電壓產生單元電路圖。
第11圖係為本發明一實施例的二級放大單元電路圖。
第12圖係為本發明一實施例的開環頻率響應(Open-Loop Frequency Response)圖。
第13圖係為本發明一實施例的瞬態時域響應(Time-domain transient Response)圖。
以下將配合相關圖式來說明本發明的實施例。在圖式中，相同的符號說明表示相同或類似的元件或方法流程。
請參閱第2圖，其係為腦神經電生理訊號感測系統架構圖。如圖所示，在腦神經電生理訊號感測系統中，透過感測生理訊號的神經訊號探測器NM，例如神經訊號探針等。傳輸EEG/ECoG訊號給類比生物訊號採集裝置ABA，透過類比轉換訊號轉換裝置ADC以及逐次漸近暫存器SAR，將類比訊號轉換為數位訊號，再傳輸至封包裝置於匯流排BUS。微控制器MCU與匯流排BUS連接，其中微控制器MCU包含數位訊號轉類比訊號轉換器DAC，透過天線RF傳輸所轉換的放大訊號藉此分析所感測的生理訊號。
請參閱第3圖，其係為透過本發明神經訊號放大器所構成的多通道系統架構圖。如圖所示，在第一神經訊號放大器耦合單元NAA1中，包含有第一神經訊號放大器NA1、第二神經訊號放大器NA2至第四神經訊號放大器NA4等複數個神經訊號放大器。其中，第一神經訊號放大器NA1與第一通道Ch1連接，第二神經訊號放大器NA2與第二通道Ch2連接。換言之，在第一神經訊號放大器 耦合單元NAA1中，每一神經訊號放大器均獨立與一通道連接，並進一步將各個神經訊號放大器的放大訊號傳輸至第一類比訊號微處理器Analog MUX1中。
進一步而言，如第3圖所繪示的實施例中，第二神經訊號放大器耦合單元NAA2中包含複數個神經訊號感測通道，各神經訊號感測通道與各神經訊號放大器連接。其中，第五神經訊號放大器NA5、第六神經訊號放大器NA6至第八神經訊號放大器NA8分別獨立的與第五通道Ch5、第六通道Ch6至第八通道Ch8連接，並且進一步將各個放大訊號傳輸至第二類比訊號微處理器Analog MUX2中。然而，在本發明中的實施例不限於此，每一神經訊號放大器耦合單元還可設置有四組以上的神經訊號放大器，其中各個神經訊號放大器獨立的與一生理訊號通道連接，且每一神經訊號放大器耦合單元與一類比訊號微處理器連接。
請參照第4圖，其係為本發明一實施例的神經訊號放大器方塊圖。如圖所示，其包含放大器20、交換電容電路回授單元30、交換電容電路輸出單元40以及交換電容電路輸入單元10，其中放大器20包含第一輸入端Vi1、第二輸入端Vi2、第一輸出端Vo1、第二輸出端Vo2以及共模回饋輸入端Vcmc。
進一步而言，交換電容電路輸入單元10與連接放大器20的第一輸入端Vi1、第二輸入端Vi2連接；交換電容電路輸出單元40與放大器20的共模回饋輸入端Vcmc、第一輸出端Vo1以及第二輸出端Vo2連接；其中一個交換電容電路回授單元30一端連接於第一輸出端Vo1與交換電容電路輸出單元40之間，另一端連接於第一輸入端Vi1與交換電容電路輸入單元10之間；其中另一個交換電容電路回授單元30一端連接於第二輸出端Vo1與交換電容電路輸出單元40之間，另一端連接於第二輸入端Vi1與交換電容電路輸入單元10之間。
在本發明的部分實施例中，其中放大器包含由全差動折疊共源柵放大器(FDFC Amp)構成的放大電路。
請進一步參照第5圖，其係為本發明一實施例的神經訊號放大器電路圖。如圖所示，本發明的神經訊號放大器1包含交換電容電路輸入單元10、放大器20、二交換電容電路回授單元30以及交換電容電路回授單元40。
放大器20包含第一輸入端Vi1、第二輸入端Vi2、第一輸出端Vo1、第二輸出端Vo2以及共模回饋輸入端Vcmc，第一輸入端Vi1接受第一輸入訊號，第二輸入端Vi2接受第二輸入訊號，共模回饋輸入端Vcmc接收共模回饋輸入訊號，在第一輸出端Vo1及第二輸出端Vo2上分別輸出第一放大輸出訊號以及第二放大輸出訊號。
交換電容電路輸入單元10接收第一生物電位訊號101以及第二生物電位訊號，以產生第一輸入訊號以及第二輸入訊號。二交換電容電路回授單元30分別電性連接放大器20之第一輸入端Vi1與第一輸出端Vo1之間、以及第二輸入端Vi2與第二輸出端Vo2之間。交換電容電路輸出單元40接收第一放大輸出訊號203以及第二放大輸出訊號，並產生共模回饋輸入訊號。
以下進一步說明在本發明一實施例中，交換電容電路輸入單元10的構成。其中，交換電容電路輸入單元10包含第一差動開關Ds1、第一共模開關Cs2、第一差動開關Ds1、第二差動開關Ds2、第二共模開關Cs2、第一電容151以及第二電容152，並與供給第一參考電壓biasa的第一參考電壓源連接。其中，第一差動開關Ds1係連接於接收第一生物電位訊號的第一生物電位訊號端VS1；第一共模開關Cs1，連接於第一差動開關Ds1與第一電容151之間，第一電容151與第一輸入端Vi1連接；第二差動開關Ds2，連接於接收第二生物電位訊號的第二生物電 位訊號端VS2；第二共模開關Cs2，連接於第二差動開關Ds2與第二電容152之間；第二電容152與第二輸入端Vi2連接；第一參考電壓biasa供給於第一共模開關Cs1與第二共模開關Cs2之間。
其中，在本發明的部分實施例中，第一差動開關Ds1、第一共模開關Cs2、第一差動開關Ds1、第二差動開關Ds2、第二共模開關Cs2、第一電容151以及第二電容152配置為由電晶體構成，進一步減少本發明的神經訊號放大器電路在晶片架構中所佔的體積。
以下說明在本發明一實施例中，交換電容電路回授單元30的構成。其中，交換電容電路回授單元30包含第三共模開關Cs3、第四共模開關Cs4、第三差動開關Ds3、第三電容153、低通電容CLP，並與供給第五偏壓505的第五偏壓源連接。其中，第四共模開關Cs4連接供給一第五偏壓biase的一第五偏壓源，第五偏壓源還與第三共模開關Cs3連接；第三差動開關Ds3連接第四共模開關Cs4。第三電容153連接第三共模開關Cs3與第四共模開關Cs4之間；低通電容CLP，連接第三共模開關Cs3與第三差動開關Ds3之間。
進一步而言，在本發明的一實施例中，神經訊號放大器1係具有二交換電容電路回授單元，其中一交換電容回授單元30的第三電容153、低通電容CLP及第三共模開關Cs3分別與第一輸入端Vi1連接；低通電容CLP、第四共模開關Cs4分別與第一輸出端Vo1連接。
另一交換電容回授單元30的第三電容153、低通電容CLP及第三共模開關Cs3分別與第二輸入端Vi2連接；低通電容CLP、第四共模開關Cs4分別與第二輸出端Vo2連接。
藉此，分別構成第一輸入端Vi1與第一輸出端Vo1、第二輸入端Vi2與第二輸出端Vo2的回授電路，以抑制直流電流漂移。
其中，在本發明的部分實施例中，低通電容CLP、第三共模開關Cs3、第四共模開關Cs4配置為由電晶體構成，進一步減少本發明的神經訊號放大器電路在晶片架構中所佔的體積。
以下進一步說明交換電容電路輸出單元40的構成，其中，交換電容電路輸出單元40包含複數個電容與開關，並與至少一電壓源連接，在本發明的一實施例中，交換電容電路輸出單元40包含第六共模開關Cs6、第七共模開關Cs7、第八共模開關Cs8、第六差動開關Ds6、第七差動開關Ds7、第八差動開關Ds8、第五電容155、第六電容156、第七電容157、第八電容158，除此之外，交換電容電路輸出單元40還與供給第五偏壓biase的第五偏壓源、供給第一偏壓biasa的第一偏壓源連接。
其中，第六共模開關Cs6連接第一輸出端Vo1；第七共模開關Cs7連接共模回饋輸入端Vcmc；第八共模開關Cs8連接第二輸出端Vo2；第六差動開關Ds6一端連接第六共模開關Cs6，另一端連接供給第五偏壓biase的第五偏壓源；第七差動開關Ds7一端連接第七共模開關Cs7，另一端連接供給第一偏壓biasa的第一偏壓biasa源；第八差動開關Ds8連接第八共模開關Cs8，另一端連接供給第五偏壓biase的第五偏壓源。
進一步而言，其中交換電容電路輸出單元40中所設置的複數個電容連接方式為，第五電容155一端連接第一輸出端Vo1與第七共模開關Cs7之間，且第五電容155另一端連接共模回饋輸入端Vcmc與第七差動開關Ds7之間；第六電容156一端連接共模回饋輸入端Vcmc與第七共模開關Cs7之間，第六電容156另一 端連接第二輸出端Vo2與第八共模開關Cs8之間；第七電容157一連接第六共模開關Cs6與第八差動開關Ds8之間，第七電容157另一端連接第七共模開關Cs7與第七差動開關Ds7之間；第八電容158一端連接第七共模開關Cs7與第七差動開關Ds7之間，第八電容158另一端連接第八共模開關Cs8與第八差動開關Ds8之間。
以下進一步說明交換電容電路輸出單元40所輸出的共模回饋輸入(Common Mode Feed-Back)訊號產生方式，請參照第6圖及第7圖，其係分別為本發明一實施例的共模回饋輸入(Common Mode Feed-Back)電路圖及第6圖共模回饋輸入架構的半電路圖。在第6圖所繪示的共模回饋輸入架構中，其中各元件係沿著共模回饋輸入(Common Mode Feed-Back)方向各元件對稱地設置，藉此共模回饋輸入(Common Mode Feed-Back)不受差分訊號的訊號干擾；換言之，在第6圖所繪示的電路架構中，透過使共模回饋輸入(Vcmc,Common Mode Feed-Back)方向與整體電路對稱軸延伸方向相同的設置，使得第6圖所繪示的電路架構為良好的共模回饋輸入(Common Mode Feed-Back)電路。
更進一步而言，共模回饋輸入(Common Mode Feed-Back)電路將輸出電壓設計為(Voc-Vcm)。在本發明的實施例中，係透過可切換開關與電容設計共模回饋輸入電路建立共模回饋輸入，其相較於傳統的2階差分共模回饋輸入電路(2-Differential-Pairs Common Mode Feed-Back Circuit)和三極電晶體共模回饋輸入電路(Triode-Region Transistor Common Mode Feed-Back Circuit)，具有較小的放大器輸出訊號的震幅限制。除此之外，本發明所設計的可切換電容共模回饋輸入電路(Switched-Capacitor Common Mode Feed-Back Circuit)實施例不像傳統的電阻分壓構成共模回饋輸入電路(Resistive-Divider Common Mode Feed-Back Circuit)，需負擔較高的電阻負載。
除此之外，在本發明所構成的可切換電容構成的共模回饋輸入電路(Switched-Capacitor Common Mode Feed-Back Circuit)還可應用於電容濾波器電路以及其他放大器電路中。
第6圖揭露了一種共模回饋輸入(Common Mode Feed-Back)電路圖，係透過複數個開關切換設置於其中的複數個開關接收第五偏壓Biase的電路路徑。其中第一偏壓Biasa為直流偏壓，第五電容155、第六電容156以及第七電容157、第八電容158接收第五偏壓Biase並扣除第一偏壓Biasa。
其中，第一偏壓Biasa是直流偏置電壓。第六共模開關Cs6、第七共模開關Cs7、第八共模開關Cs8、第六差動開關Ds6、第七差動開關Ds7、第八差動開關Ds8可配置為由電晶體構成，並由兩個不重疊的時脈訊號所控制，進一步減少本發明的神經訊號放大器電路在晶片架構中所佔的體積。
第7圖揭示了第6圖共模回饋輸入架構的簡化運算放大器模型。由於可切換電容構成的共模回饋輸入(Common Mode Feed-Back)電路是線性且平衡的離散時間電路，其中，第二電容C2連接於共模回饋電壓端Vcmc以及輸出電壓Voc之間，其中電壓放大比率以Acmc表示。當開關切換為在所有代表第一相位Φ1的開關導通而所有代表第二相位Φ2的開關不導通，第一電容C1接收的提供電壓為VCM-VCSBIAS。當開關切換為在所有代表第一相位Φ1的開關不導通而所有代表第二相位Φ2的開關導通，第一電容C1連接於輸出電壓Voc與共模偏壓Vcmc之間，在穩定狀態下，Voc為定值，因為其間施加的共模偏壓VCM及基置偏壓VCSBIAS均為直流電壓，且切換電容電路於負反饋環路(negative feedback loop)下運作。
在輸出電壓Voc為定值時，在時脈相位的電荷移轉停止(charge transfer halt)可表示如下式所述：
Figure 107143556-A0305-02-0016-21
當基置偏壓VCSBIAS等於共模偏壓VCM，且電壓放大比率Acmc遠大於1，則共模偏壓VCM趨近於基置偏壓VCSBIAS，且輸出電壓Voc趨近於共模偏壓VCM。換言之，因為切換電容電路僅由無源元件例如電容器以及開關所組成，因此所構成的共模電路不受運算放大器的輸出電壓擺幅限制。
請參閱第8圖，其係為本發明一實施例重建共模直流電源輸入的半電路架構圖。在理想的全差分運算模型中，如圖所示，共模半電路中的放大倍率Acmc=0，則整體的閉環共模放大增益為零。因此，共模電路的輸出電壓Voc獨立於共模運算放大器的輸入電壓Vic和共模源電壓Vsc。在實際電路中，共模半電路中OP放大器的放大倍率acm雖不為零但足夠小，透過輸入差分放大對(input differential pair)和末電流源(tail current source)的設置使其中增加了一個共模反饋放大環路於整體電路中。因此，透過該電路得以重建輸入共模電壓以排除所輸入共模電壓漂移的可能。
請參照第9圖，其係為本發明一實施例的交換電容電路輸出單元電路圖。如圖所示，其包含第一電晶體Mos1、第二電晶體Mos2、第三電晶體Mos3、第四電晶體Mos4、第五電晶體Mos5、第六電晶體Mos6、第七電晶體Mos7、第八電晶體Mos8、第九電晶體Mos9、第十電晶體Mos10、第十一電晶體Mos11、第十二電晶體Mos12。
進一步而言，在本發明的一實施例中，第一電晶體Mos1的閘極與第一輸入電壓Vi1連接；第二電晶體Mos2的閘極與第二輸入電壓Vi2連接；第三 電晶體Mos3的閘極與共模回饋輸入端Vcmc連接；第四電晶體Mos4的閘極與第一偏壓biasa連接；第五電晶體Mos5與第六電晶體Mos6的閘極與第二偏壓biasb連接；第七電晶體Mos7與第八電晶體Mos8的閘極與第三偏壓biasc連接；第九電晶體Mos9與第十電晶體Mos10的閘極與第四偏壓biasd連接；第十一電晶體Mos11與第十二電晶體Mos12的閘極與第五偏壓biase連接。
進一步而言，如第9圖所示，具有Sooch Cascode電流鏡的全差分折疊共源共柵放大器(fully-differential folded-cascode amplifier)用於偏置操作。其中，可切換電容共模回饋輸入電路(Switched-Capacitor Common Mode Feed-Back Circuit)設置輸出共模電壓(Common Mode voltage)。全差分折疊共源共柵放大器(fully-differential folded-cascode amplifier)的低頻差模(low-frequency Differential-Mode)放大倍率Adm0可以如下式所表示：Adm0=-gm1×Rodh，其中gm1是輸入電晶體的跨導(transconductance)，Rodh是低頻差動半電路的輸出電阻。
進一步而言，在第9圖所繪製的電路架構中，低頻差動半電路的輸出電阻Rodh還可表示為R odh
Figure 107143556-A0305-02-0017-20
[r o7 g m7(r o5//r o1)]//(r o9 g m9 r o11)，其中，ro為電晶體的輸出電阻，數字指代對應電晶體，舉例而言，ro7為第七電晶體的輸出電阻、ro5為第五電晶體的輸出電阻、ro1為第一電晶體的輸出電阻、ro9為第九電晶體的輸出電阻、ro11為第十一電晶體的輸出電阻；gm為電晶體的跨導(transconductance)，數字指代對應電晶體，舉例而言，gm7為第七電晶體的跨導、gm9為第九電晶體的跨導。
全差分折疊共源共柵放大器(fully-differential folded-cascode amplifier)的低頻共模(low-frequency Common-Mode)放大倍率可以如下式所示：
Figure 107143556-A0305-02-0018-1
，其中gm1是輸入電晶體的跨導(transconductance)。Roch是低頻共模半電路的輸出電阻。R t 是輸入電晶體的退化電阻(degenerated resistance)。
進一步而言，在第9圖所繪製的電路架構中，低頻共模半電路的輸出電阻R och
Figure 107143556-A0305-02-0018-17
[r o7 g m7(r o5//R o (M1))]//(r o9 g m9 r o11)，其中，R o (M1)
Figure 107143556-A0305-02-0018-18
r o1 g m1(2r o4//2r o3)，上式中電晶體的退化電阻(degenerated resistance)R t
Figure 107143556-A0305-02-0018-19
(2r o4//2r o3)。
在本發明的一實施例中，其還包含偏壓電壓產生單元，偏壓電壓產生單元與二交換電容電路回授單元30及交換電容電路輸出單元40電性連接，產生並供給二交換電容電路回授單元30第五偏壓biase，以及產生並供給交換電容電路輸出單元40第五偏壓biase以及第一偏壓biasa，其中偏壓電壓產生單元與複數個不同偏壓源連接。
在本發明的部分實施例中，其中偏壓電壓產生單元包含由Sooch Cascode電流鏡(Sooch Cascode current mirror)構成的供電電路。
請進一步參照第10圖，其係為本發明一實施例的偏壓電壓產生單元電路圖。如圖所示，其包含第十三電晶體Mos13、第十四電晶體Mos14、第十五電晶體Mos15、第十六電晶體Mos16、第十七電晶體Mos17、第十八電晶體Mos18、第十九電晶體Mos19、第二十電晶體Mos20、第二十一電晶體Mos21、第二十二電 晶體Mos22、第二十三電晶體Mos23、第二十四電晶體Mos24、第二十五電晶體Mos25、第二十六電晶體Mos26。
進一步而言，如圖所示，第十三電晶體Mos13的閘極、第十七電晶體Mos17的閘極與第二偏壓biasb連接，第十四電晶體Mos14的閘極與第十八電晶體Mos18的閘極與第三偏壓biasc連接，第十五電晶體Mos15的閘極與第十六電晶體Mos16的閘極連接；第十九電晶體Mos19的閘極與第二十電晶體Mos20的閘極連接，第二十一電晶體Mos21的閘極與第四偏壓biasd連接，第二十二電晶體Mos22的閘極與第一偏壓biasa連接，第二十三電晶體Mos23的閘極連接於第二十四電晶體Mos24與第二十五電晶體Mos25之間，第二十四電晶體Mos24的閘極連接與第五偏壓biase連接，第二十五電晶體Mos25的閘極與第二十六電晶體Mos26的閘極連接。
進一步而言，如第10圖所揭示的電路架構圖，在該架構中，提供非常高的輸出電阻，並結合輸入電流支路(input current branch)，消除各電流支路之間的不匹配，節省所耗費的電源。
請參照第11圖，其係為本發明一實施例的二級放大單元電路圖。如圖所示，其包含第二十七電晶體Mos27、第二十八電晶體Mos28、第二十九電晶體Mos29、第三十電晶體Mos30、第三十一電晶體Mos31、第三十二電晶體Mos32、第三十三電晶體Mos33。
其中，第二十七電晶體Mos27的閘極以及第二十九電晶體Mos29的閘極與第二偏壓biasb連接，第二十八電晶體Mos28的閘極與第一輸出端Vo1連接，第三十電晶體Mos30的閘極與第二輸出端Vo2連接、第三十一電晶體Mos31的閘極與第一偏壓biasa連接，第三十三電晶體Mos33的閘極與第一偏壓biasa連接， 第三十二電晶體Mos32的閘極連接於第二十九電晶體Mos29與第三十電晶體Mos30之間。
進一步而言，透過如第11圖所繪示的二級放大單元電路，將輸入訊號差分放大至單端放大為二級放大，進一步提升放大倍率，以利外部訊號分析。
請參照第12圖，其係為本發明一實施例的開環頻率響應(Open-Loop Frequency Response)圖。如圖所示，在本發明一實施例中，神經放大器的開環頻率響應在帶寬BW=1.689MHz時，其相位邊限(phase margin)=130度。進一步而言，如圖所示，在相位邊限(phase margin)60度時放大系統穩定，在相位邊限(phase margin)小於45度時放大系統有震盪風險。
請參閱第13圖，其係為本發明一實施例的瞬態時域響應(Time-domain transient Response)圖。如圖所示，其係為使用輸入信號為[0.9+100V sin(1KHz)]的單個神經放大器的時域瞬態響應(time-domain transient response)，並測量輸出信號的瞬態時域響應(Time-domain transient Response)圖。
綜上所述，本發明透過交換電容操作取代外接直流屏蔽電容，且在部分實施例中，各交換電容及開關可配置為由電晶體構成，進一步減少整體設計的積體電路面積。除此之外，藉由交換電容操作減少直流屏蔽電容漏電流，更進一步改善神經訊號失真的情況。
再者，透過對應各個感測通道獨立設置的神經訊號放大器的生理訊號接收通道架構，使本發明的神經訊號放大器所設計多通道神經訊號擷取架 構接收神經訊號的訊號更精準，也使類比前端電路的感測訊號更易由生理訊號偵測端排查檢測。
除此之外，透過調整可切換的交換電容設置還可調整本發明的神經訊號放大器電路穩定量測的偵測範圍以及整所設計的多通道神經訊號擷取架構的放大增益範圍，進一步適用於其他量測其他生理訊號源。
還需要說明的是，在本發明中，所構成的多通道神經訊號放大系統進一步還透過分別提供交換電容電路輸入單元、交換電容回授電路單元複數個偏壓的偏壓電壓產生單元設置，消除神經訊號放大器中不同電流電路間的不匹配。並且，透過共用複數個電壓源減少整體電路架構的電源消耗，進一步改善提升訊號放大倍率的精確度。
本發明可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例。相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明係依所附的申請專利範圍來定義。
10‧‧‧交換電容電路輸入單元
20‧‧‧放大器
30‧‧‧交換電容電路回授單元
40‧‧‧交換電容電路輸出單元
Vi1‧‧‧第一輸入端
Vi2‧‧‧第二輸入端
Vo1‧‧‧第一輸出端
Vo2‧‧‧第二輸出端
Vcmc‧‧‧共模回饋輸入端

Claims (8)

  1. 一種神經訊號放大器，包含：一放大器，包含一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端、一第二輸出端以及一共模回饋輸入端，該第一輸入端接受一第一輸入訊號，該第二輸入端接受一第二輸入訊號及該共模回饋輸入端接收一共模回饋輸入訊號，以產生並在該第一輸出端及該第二輸出端上分別輸出一第一放大輸出訊號以及一第二放大輸出訊號；一交換電容電路輸入單元，接收一第一生物電位訊號以及一第二生物電位訊號，以產生該第一輸入訊號以及該第二輸入訊號；二交換電容電路回授單元，分別電性連接該放大器之該第一輸入端與該第一輸出端之間、以及該第二輸入端與該第二輸出端之間；以及一交換電容電路輸出單元，接收該第一放大輸出訊號以及該第二放大輸出訊號，以產生該共模回饋輸入訊號；其中該交換電容電路輸入單元包含：一第一差動開關，連接於產生該第一生物電位訊號的一第一生物電位訊號源；一第一共模開關，連接於該第一差動開關與一第一電容之間，該第一電容與該第一輸入端連接；一第二差動開關，連接於產生該第二生物電位訊號的一第二生物電位訊號源； 一第二共模開關，連接於該第二差動開關與一第二電容之間，該第二電容與該第二輸入端連接；以及一第一參考電壓，連接於該第一共模開關與該第二共模開關之間；其中，該交換電容電路輸入單元、該二交換電容電路回授單元以及該交換電容電路輸出單元還設置有複數個差動開關以及複數個共模開關，當該複數個差動開關導通而該複數個共模開關不導通，該神經訊號放大器處於差動放大狀態；當該複數個差動開關不導通而該複數個共模開關導通，該神經訊號放大器處於一共模重建狀態，透過操作該複數個差動開關與該複數個共模開關控制該神經訊號放大器在該差動放大狀態與該共模重建狀態間切換，以重建共模電流抑制直流電流漂移。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之神經訊號放大器，其中該交換電容電路回授單元包含：一第三共模開關；一第四共模開關，連接接供給一第五偏壓的一第五偏壓源，該第五偏壓源還與該第三共模開關連接；一第三差動開關，連接該第四共模開關；一第三電容，連接該第三共模開關與該第四共模開關之間；以及一低通電容，連接該第三共模開關與該第三差動開關之間； 其中該第三電容、該低通電容及該第三共模開關分別與該第一輸入端或該第二輸入端連接，該低通電容、該第四共模開關分別與該第一輸出端或該第二輸出端連接。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之神經訊號放大器，其中該交換電容電路輸出單元包含：一第六共模開關，連接該第一輸出端；一第七共模開關，連接該共模回饋輸入端；一第八共模開關，連接該第二輸出端；一第六差動開關，一端連接該第六共模開關，另一端連接供給一第五偏壓的一第五偏壓源；一第七差動開關，一端連接該第七共模開關，另一端連接供給一第一偏壓的一第一偏壓源；一第八差動開關，連接該第八共模開關，另一端連接供給該第五偏壓的該第五偏壓源；一第五電容，該第五電容一端連接該第一輸出端與該第七共模開關之間，該第五電容另一端連接該共模回饋輸入端與該第七差動開關之間；一第六電容，該第六電容一端連接該共模回饋輸入端與該第七共模開關之間，該第六電容另一端連接該第二輸出端與該第八共模開關之間；一第七電容，該第七電容一端連接該第六共模開關與該第八差動開關之間，該第七電容另一端連接該第七共模開關與該第七差動開關之間；以及 一第八電容，該第八電容一端連接該第七共模開關與該第七差動開關之間，該第八電容另一端連接該第八共模開關與該第八差動開關之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之神經訊號放大器，其還包含一開關控制單元，該開關控制單元與該交換電容電路輸入單元、該二交換電容電路回授單元、該交換電容電路輸出單元電性連接，該開關控制單元輸出一開關控制訊號控制各該差動開關及各該共模開關，當該開關控制訊號高於一標準值，該複數個差動開關導通而該複數個共模開關不導通；當該開關控制訊號低於該標準值，該複數個差動開關不導通而該複數個共模開關導通。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之神經訊號放大器，其還包含一偏壓電壓產生單元，該偏壓電壓產生單元與該二交換電容電路回授單元及該交換電容電路輸出單元電性連接，產生並供給該二交換電容電路回授單元該第五偏壓，以及產生並供給該交換電容電路輸出單元該第五偏壓以及該第一偏壓，其中該偏壓電壓產生單元與複數個不同偏壓源連接。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之神經訊號放大器，其中該偏壓電壓產生單元包含由Sooch Cascode電流鏡(Sooch Cascode current mirror)構成的供電電路。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之神經訊號放大器，其中該放大器包含由全差動折疊共源柵放大器(FDFC Amp)構成的放大電路。
  8. 一種多通道神經訊號放大系統，包含：複數個神經訊號放大器耦合單元，其中各該神經訊號放大器耦 合單元包含複數個如申請專利範圍第1至7項任一項所述之神經訊號放大器；複數個類比訊號微處理器，其中每一該類比訊號微處理器與其中一該神經訊號放大器耦合單元連接；以及複數個神經訊號感測通道，各該神經訊號感測通道與各該神經訊號放大器連接。
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