TWI757656B - 應用於生物電勢採集系統的電路 - Google Patents

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Abstract

本申請提供一種應用於生物電勢採集系統的電路，其中，該電路包括主動電流源和放大器。在該電路的操作中，該主動電流源被配置為提供電流給該電路的兩個輸入端，其中，該電路的兩個輸入端耦接于該生物電勢採集系統的兩個輸入電極，以及，該放大器被配置為接收來自該兩個輸入電極的輸入信號，以產生輸出信號。

Description

應用於生物電勢採集系統的電路
本申請涉及生物傳感技術領域，以及更特別地，涉及一種應用於生物電勢採集系統的電路。
常見的醫療設備通常使用大的乾電極或濕電極來測量生理(physiological)信號，例如心電圖(electrocardiography，ECG)信號。醫療設備通常具有三個電極，其中兩個電極分別連接到左側身體(left body)和右側身體(right body)，以獲得生物電勢信號(biopotential signal)，而另一個電極用作右腿驅動(right-leg-drive，RLD)電極，以減少電力線(power line)共模干擾(例如，60Hz干擾)。近來，諸如便攜式/可穿戴醫療設備之類的個人生物傳感器(biosensor)因隨時提供生理資訊以供用戶參考而變得流行。考慮到這些便攜式醫療設備的使用和設計，較小的乾電極更合適，以及右腿驅動(RLD)電極被移除。然而，較小的乾電極意味著較差的電極阻抗，以及，移除右腿驅動(RLD)電極將導致嚴重的電力線共模干擾。
為了解決雙電極(two-electrode)便攜式醫療設備的較差電 極阻抗的問題，兩個偏置電阻器被使用，以向電路的輸入端提供偏置電壓，該電路接收來自兩個電極的生物電勢信號，以及偏置電阻的電阻值被設計得較大，以改善生物電勢信號的信號品質。然而，具有大電阻值的偏置電阻器將導致大的共模電壓擺幅，即電力線共模干擾將變得更加嚴重。因此，信號品質和電力線共模干擾之間的權衡成為設計者需考量的問題。
另外，由於電極不可能完全相同，因此，兩個電極的電極失配(mismatch)將共模電壓轉換為差模電壓，以及，被測量的生物電勢信號將受到由電極失配造成的此差模電壓的影響。
因此，本發明的目的之一是提供一種應用於生物電勢採集系統的電路，該電路能夠有效地改善信號品質並降低電力線共模干擾，以解決上述問題。
根據本發明的一實施例，提供了一種應用於生物電勢採集系統的電路，其中，該電路包括主動電流源和放大器。在電路的操作中，主動電流源被配置為向電路的兩個輸入端提供電流，其中，電路的兩個輸入端耦接至生物電勢採集系統的兩個輸入電極，以及，放大器被配置為從兩個輸入端接收輸入信號以產生輸出信號。
根據本發明的一實施例，提供了一種應用於生物電勢採集系統的電路，其中，該電路包括放大器和電極失配補償電路。在電路的 操作中，放大器被配置為從生物電勢採集系統的兩個輸入電極接收輸入信號以產生輸出信號，以及，電極失配補償電路被配置為根據輸出信號的電力線頻率分量調整輸出信號以產生調整後的輸出信號。
在下面的詳細描述中，為了說明的目的，闡述了許多具體細節，以便所屬技術領域中具有通常知識者能夠更透徹地理解本發明實施例。然而，顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節的情況下實施一個或複數個實施例，不同的實施例或不同實施例中披露的不同特徵可根據需求相結合，而並不應當僅限於附圖所列舉的實施例。
100:生物電勢採集系統
110:電路
112:主動電流源
114:放大器
116:反饋電路
118:電極失配補償電路
119:電極失配補償電路
102、104:電極
200、300、400、502:電流源
610、910、920:類比至數位轉換器(ADC)
620、710:混頻器
630、720:低通濾波器(LPF)
810、820:運算放大器
930:可變增益放大器
940:組合器
第1圖是根據本發明一實施例示出的一種生物電勢採集系統的示意圖。
第2圖是根據本發明的第一實施例示出的一種電流源的示意圖。
第3圖是根據本發明的第二實施例示出的一種電流源的示意圖。
第4圖是根據本發明的第三實施例示出的一種電流源的示意圖。
第5圖是根據本發明一實施例示出的一種反饋電路的示意圖。
第6圖是根據本發明一實施例示出的電極失配檢測電路的示意圖。
第7圖是根據本發明另一實施例示出的電極失配檢測電路的示意圖。
第8圖是根據本發明一實施例示出的電極失配補償電路的示意圖。
第9圖是根據本發明另一實施例示出的電極失配補償電路的示意圖。
以下描述為本發明實施的較佳實施例。以下實施例僅用來例舉闡釋本發明的技術特徵，並非用來限制本發明的範疇。在通篇說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的組件。所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的組件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區別組件的方式，而係以組件在功能上的差異來作為區別的基準。本發明的範圍應當參考后附的申請專利範圍來確定。在以下描述和申請專利範圍當中所提及的術語“包含”和“包括”為開放式用語，故應解釋成“包含，但不限定於...”的意思。此外，術語“耦接”意指間接或直接的電氣連接。因此，若文中描述一個裝置耦接至另一裝置，則代表該裝置可直接電氣連接於該另一裝置，或者透過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至該另一裝置。文中所用術語“基本”或“大致”係指在可接受的範圍內，所屬技術領域中具有通常知識者能夠解決所要解決的技術問題，基本達到所要達到的技術效果。舉例而言，“大致等於”係指在不影響結果正確性時，所屬技術領域中具有通常知識者能夠接受的與“完全等於”有一定誤差的方式。
第1圖是根據本發明一實施例示出的生物電勢採集系統100的示意圖。如第1圖所示，生物電勢採集系統100是僅具有兩個電極102和104的雙電極生物電勢採集系統，以及，電極102和104用於連接到右側身體(例如右手)和左側身體(例如左手)，以獲取人體的生物電勢信號，並且，生物電勢採集系統100能夠處理和分析生物電勢信號，以確定生理信號，諸如心電圖(ECG)信號，以及，能夠在生物電勢採集系統100的屏幕上顯示生理特徵。在該實施例中，生物電勢採集系統100能夠內置在任何便攜式電子設備或可穿戴電子設備中。
由於生物電勢採集系統100僅具有兩個電極102和104，而沒有使用右 腿驅動(RLD)電極來衰減電力線共模干擾(如60Hz干擾)，因此，用於處理從電極102和104接收到的生物電勢信號的電路110會遭受嚴重的電力線共模干擾。為了獲得具有較高品質的信號並減小電力線共模干擾的影響，生物電勢採集系統100內的電路110被設計為具有高差動輸入阻抗(high differential input impedance)和低共模輸入阻抗(low common mode input impedance)，以實現期望的效果。具體地，電路110具有兩個輸入端N1和N2，以及，電路110包括主動電流源(active current source)112、放大器114、反饋電路116、電極失配補償電路(electrode mismatch compensation circuit)118和電極失配檢測電路(electrode mismatch detection circuit)119。在電路110的操作中，兩個輸入端N1和N2分別連接到電極102和104，並從電極102和104接收輸入信號(即，生物電勢信號)Vip和Vin。主動電流源112用於提供電流至輸入端N1和N2，以及，放大器114從兩個輸入端N1和N2接收輸入信號Vip和Vin，以產生差動輸出信號Voutp和Voutn。然後，反饋電路116(例如，可以由轉導放大器實現)將差動輸出信號Voutp和Voutn的共模信號Voutc與參考共模電壓Vcm進行比較，以產生控制信號Vc1和Vc2去控制主動電流源112。在該實施例中，通過將主動電流源112設置在放大器114之前，主動電流源112能夠被視為對於差動信號(即，輸入信號Vip和Vin)具有大電阻值的電阻器，因此，輸入信號Vip和Vin將具有較好的信號品質，適合後續操作。具體地，如果生物電勢採集系統100的電極102和104是小的乾電極，則電極102和104將具有大阻抗，因此，對於差動信號具有高電阻值的主動電流源112能夠減小電壓降以增加信號品質。另外，通過設置反饋電路116，如果人體遭受電力線共模干擾(或稱為干擾信號，例如，干擾信號的頻率為60Hz)，則放大器114輸出的共模信號Voutc將包括該電力線共模干擾，以及，反饋電路116能夠立即調整主動電流源112提供的電流，以衰減電力線共模干擾的影響。通過設置反饋電路116，主動電流源112和反饋電路116能夠被看作是對共模信號具有 小電阻值的電阻，因此電力線共模干擾將被大大降低，也就是說，生物電勢採集系統100能夠容忍更高的共模信號擺幅(swing)。
第2圖是根據本發明的第一實施例示出的電流源200的示意圖，其中，電流源200用於實現第1圖所示的主動電流源112的一部分。如第2圖所示，電流源200包括耦接在供給電壓(supply voltage)VDD和地電壓(ground voltage)之間的N型電晶體M1和P型電晶體M2，N型電晶體M1和P型電晶體M2被電壓Vb1和Vb2分別控制，以及，N型電晶體M1的汲極連接到輸入端N1。在本實施例中，電壓Vb1和Vb2是根據反饋電路116產生的控制信號Vc1和Vc2確定的，或者，控制信號Vc1和Vc2能夠用作電壓Vb1和Vb2。第2圖所示的電流源200用於提供電流給輸入端N1，以及，具有類似結構的另一電流源可以用於提供電流給輸入端N2。
第3圖是根據本發明的第二實施例示出的電流源300的示意圖，其中，電流源300用於實現第1圖所示的主動電流源112的一部分。如第3圖所示，電流源300包括兩個N型電晶體M1、M3以及兩個P型電晶體M2、M4，這些電晶體耦接在供給電壓VDD和地電壓之間，N型電晶體M1、P型電晶體M2、N型電晶體M3、P型電晶體M4分別被電壓Vb1、Vb2、Vb3、Vb4控制，以及，N型電晶體M3的汲極連接到輸入端N1。在本實施例中，電壓Vb1和Vb2是根據反饋電路116產生的控制信號Vc1和Vc2確定的，或者，控制信號Vc1和Vc2可以用作電壓Vb1和Vb2。第3圖所示的電流源300用於提供電流至輸入端N1，以及，具有類似結構的另一電流源可以用於提供電流至輸入端N2。具有共源共閘(cascode)結構的電流源300具有比第2圖所示的電流源200更高的差動輸入阻抗。
第4圖是根據本發明的第三實施例示出的電流源400的示意圖，其 中，電流源400用於實現第1圖所示的主動電流源112的一部分。如第3圖所示，電流源400包括：耦接在供給電壓VDD和地電壓之間的兩個N型電晶體M1、M3以及兩個P型電晶體M2、M4，以及兩個運算放大器410和420。N型電晶體M1和P型電晶體M2分別被電壓Vb1和Vb2控制，而N型電晶體M3和P型電晶體M4分別被運算放大器420和410的輸出信號控制，其中，運算放大器410的負輸入端耦接至P型電晶體M4的源極，運算放大器410的正輸入端耦接至電壓Vb4，運算放大器420的負輸入端耦接至N型電晶體M3的源極，運算放大器420的正輸入端連接到電壓Vb3。在本實施例中，電壓Vb1和Vb2是根據反饋電路116產生的控制信號Vc1和Vc2確定的，或者，控制信號Vc1和Vc2可以用作電壓Vb1和Vb2。第4圖中所示的電流源400用於提供電流給輸入端N1，以及，具有類似結構的另一電流源可以用於提供電流給輸入端N2。電流源400具有比第3圖所示的電流源300更高的差動輸入阻抗。
第5圖是根據本發明一實施例示出的反饋電路116的示意圖。如第5圖所示，反饋電路116由電流鏡轉導放大器實現，包括電流源502、三個N型電晶體M5，M6和M7以及三個P型電晶體M8，M9和M10。如第5圖所示，P型電晶體M8和M9的閘極分別接收參考共模電壓Vcm和共模信號Voutc，以及，N型電晶體M5的閘極處的電壓和P型電晶體M10的閘極處的電壓分別用作控制信號Vc1和Vc2。在該實施例中，控制信號Vc1和Vc2可以分別用作第2圖至第4圖中所示的電壓Vb1和Vb2。
在另一實施例中，第5圖所示的電流源502可以是自適應電流源，該自適應電流源受共模信號Voutc的擺幅/振幅或大小控制，以通過調整反饋電路116(如轉導放大器)的偏置電流來減少主動電流源112的雜訊。例如，在一示 例中，當共模信號Voutc的擺幅增大時，自適應電流源的電流變大。再例如，在一示例中，當共模信號Voutc的擺幅在閾值以下變化時，自適應電流源的電流保持不變，在另一示例中，當共模信號Voutc的擺幅在閾值以上變化(例如，增大或減小)時，自適應電流源的電流做相應地改變(例如，增大或減小)，以減少主動電流源112的雜訊。
另外，由於電極102和104之間的失配(mismatch)將把共模電壓轉換成差模電壓，以及，輸入信號Vip和Vin會受到該差模電壓的影響。為了消除干擾帶中的該差模電壓，在電路110中設計了電極失配補償電路118和電極失配檢測電路119。在電極失配補償電路118和電極失配檢測電路119的操作中，電極失配補償電路118用於根據補償信號Vc3調整差動輸出信號Voutp和Voutn，以產生調整後的差動輸出信號Voutp'和Voutn'，其中，補償信號Vc3表示該調整後的差動輸出信號的電力線頻率分量(power line frequency component)，即表示差動輸出信號中的干擾信號(具有電力線頻率的信號)的振幅，通常，差動輸出信號包括所需的生理信號和被視為干擾源的干擾信號(例如，電力線頻率為60Hz)。電極失配檢測電路119被配置為檢測該調整後的差動輸出信號Voutp’和Voutn’的電力線頻率分量，以產生補償信號Vc3。應當說明的是，在變型實施例中，耦接于電極失配補償電路118的電極失配檢測電路119可被修改為耦接于放大器114和電極失配補償電路118，以根據放大器114輸出的差動輸出信號Voutp和Voutn產生補償信號Vc3，進而，電極失配補償電路118根據補償信號Vc3調整放大器114輸出的差動輸出信號Voutp和Voutn，以產生調整後的差動輸出信號Voutp’和Voutn’，具體地，本發明不做限制。
第6圖是根據本發明一實施例示出的電極失配檢測電路119的示意 圖。如第6圖所示，電極失配檢測電路119包括類比至數位轉換器(analog-to-digital converter，ADC)610、混頻器(mixer)620和低通濾波器(low-pass filter，LPF)630。在電極失配檢測電路119的操作中，ADC 610對調整後的差動輸出信號Voutp'和Voutn'執行類比至數位運算以產生數位(digital)調整後的差動輸出信號，以及，混頻器620將數位調整後的差動輸出信號與振盪信號OS1進行混頻，以產生混頻信號，其中，振盪信號OS1的頻率等於電力線頻率(諸如60Hz)。然後，低通濾波器(LPF)630對混頻信號進行濾波(以獲取差動輸出信號中具有電力線頻率的信號的振幅/大小/強度)，以產生補償信號Vc3。在該實施例中，補償信號Vc3表示電力線頻率分量，換句話說，補償信號Vc3表示差動輸出信號中的電力線頻率信號的振幅，通常，補償信號Vc3為直流信號。
第7圖是根據本發明另一實施例示出的電極失配檢測電路119的示意圖。如第7圖所示，電極失配檢測電路119包括混頻器710和低通濾波器(LPF)720。在電極失配檢測電路119的操作中，混頻器710將調整後的差動輸出信號Voutp'和Voutn'與振盪信號OS1進行混頻，以產生混頻信號，其中，振盪信號OS1的頻率等於電力線頻率(諸如60Hz)。然後，低通濾波器(LPF)720對混頻信號進行濾波，以產生補償信號Vc3。在該實施例中，補償信號Vc3表示電力線頻率分量，換句話說，補償信號Vc3表示差動輸出信號中的電力線頻率信號的振幅。
第8圖是根據本發明一實施例示出的電極失配補償電路118的示意圖。如第8圖所示，電極失配補償電路118包括：兩個運算放大器810和820，以及可變電阻器R1和多個電阻器R2-R8，其中，可變電阻器R1的電阻值受補償信號Vc3的控制。在第8圖所示的實施例中，運算放大器810和可變電阻器R1用作類比可變增益單對差動放大器(analog variable gain single to differential amplifier)， 而運算放大器820用作類比至數位加法放大器(analog to digital summing amplifier)，用於對差動輸出信號Voutp、Voupn與運算放大器810的輸出相加，以產生調整後的差動輸出信號Voutp’和Voutn’。
第9圖是根據本發明另一實施例示出的電極失配補償電路118的示意圖。如第9圖所示，電極失配補償電路118包括兩個類比至數位轉換器(ADC)910和920、可變增益放大器930和組合器(combiner)940。在電極失配補償電路118的操作中，類比至數位轉換器(ADC)910對差動輸出信號Voutp和Voutn執行類比至數位轉換操作，以產生數位差動輸出信號，類比至數位轉換器(ADC)920對共模信號Voutc執行類比至數位轉換操作，以產生數位共模信號，可變增益放大器930參考補償信號Vc3將數位共模信號轉換成差動信號，以及，組合器940將數位差動輸出信號與可變增益放大器930輸出的差動信號進行組合(例如，相加)，以產生調整後的差動輸出信號Voutp'和Voutn'。
簡要概述，在本發明的應用於生物電勢採集系統的電路中，耦接到輸入端的主動電流源和相關的反饋電路被設計為提供高差動輸入阻抗和低共模阻抗，以改善信號品質並同時減少電力線共模干擾。另外，電極失配補償電路和電極失配檢測電路被設計為減小由電極失配引起的干擾帶中的差模電壓，以提高生物電勢信號的精度。
雖然上述描述已經對本發明實施例及其優點進行了詳細說明，但應當理解的係，在不脫離本發明的精神以及申請專利範圍所定義的範圍內，可以對本發明進行各種改變、替換和變更，例如，可以通過結合不同實施例的若干部分來得出新的實施例。所描述的實施例在所有方面僅用於說明的目的而並非 用於限制本發明。本發明的保護範圍當視所附的申請專利範圍所界定者為准。所屬技術領域中具有通常知識者皆在不脫離本發明之精神以及範圍內做些許更動與潤飾。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:生物電勢採集系統
110:電路
112:主動電流源
114:放大器
116:反饋電路
118:電極失配補償電路
119:電極失配補償電路
102、104:電極

Claims (7)

  1. 一種應用於生物電勢採集系統的電路，包括：主動電流源，用於向該電路的兩個輸入端提供電流，其中，該電路的兩個輸入端耦接至該生物電勢採集系統的兩個輸入電極，該兩個輸入電極用於獲取人體的生物電勢信號；放大器，用於接收來自該兩個輸入端的輸入信號，以產生輸出信號；以及，反饋電路，用於根據該輸出信號的共模信號產生控制信號去控制該主動電流源提供的電流，以減小電力線共模干擾。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的電路，其中，該反饋電路是跨導放大器。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的電路，其中，該跨導放大器包括受該共模信號的振幅控制的自適應電流源，以減小電流源雜訊。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的電路，其中，該電路還包括：電極失配補償電路，耦接至該放大器，用於根據該輸出信號的電力線頻率分量調整輸出信號以產生調整後的輸出信號。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述的電路，其中，該電路還包括：電極失配檢測電路，用於檢測該調整後的輸出信號的電力線頻率分量，以產生補償信號至該電極失配補償電路，進而調整該輸出信號。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述的電路，其中，該電極失配檢測電路包括：混頻器，用於將該調整後的輸出信號與振盪信號混頻，以產生混頻信號，其中，該振盪信號的頻率等於電力線頻率；以及，耦接該混頻器的低通濾波器，用於接收該混頻信號並產生該補償信號。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的電路，其中，該生物電勢採集系 統是雙電極生物電勢採集系統。
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