運(yùn)算放大電路、主動(dòng)電極及電生理信號(hào)采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種運(yùn)算放大電路，其由四個(gè)NMOS管、五個(gè)P型共源共柵管、一個(gè)N型共源共柵管、第一電阻及第一電容組成，其中兩個(gè)大柵極面積的NMOS管組成差分輸入對(duì)管，且該NMOS管的柵極構(gòu)成反相輸入端和同相輸入端。本發(fā)明另外提供具有所述運(yùn)算放大電路的主動(dòng)電極及具有所述主動(dòng)電極的電生理信號(hào)采集系統(tǒng)。利用所述運(yùn)算放大電路及所述主動(dòng)電極電路，所述電生理信號(hào)采集系統(tǒng)可在電極上實(shí)現(xiàn)較大增益的信號(hào)放大，有效地增強(qiáng)生理信號(hào)的抗干擾能力、減小噪聲、增強(qiáng)信號(hào)精度；同時(shí)，所述運(yùn)算放大電路具有較大輸入阻抗（遠(yuǎn)高于皮膚阻抗），一方面可解決現(xiàn)有技術(shù)需要皮膚清潔劑和導(dǎo)體膠的問題，另一方面可提高信號(hào)采集精度。
【專利說明】運(yùn)算放大電路、主動(dòng)電極及電生理信號(hào)采集系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及模擬集成電路領(lǐng)域，尤其一種涉及運(yùn)算放大電路、主動(dòng)電極及電生理 信號(hào)采集系。

【背景技術(shù)】
[0002] 在心電、腦電等生理信號(hào)的實(shí)際測量中，通常會(huì)使用皮膚清潔劑和導(dǎo)體膠以減小 皮膚阻抗，增強(qiáng)電極和皮膚間的導(dǎo)電性。然而，這種傳統(tǒng)的測量方法通常需要很長的準(zhǔn)備時(shí) 間，而且會(huì)對(duì)人體的皮膚造成一定程度的損傷，不利于進(jìn)行長期的測量。另一方面，在傳統(tǒng) 電極中，由導(dǎo)連線引入的電子干擾會(huì)產(chǎn)生不期望的噪聲問題，當(dāng)生理采集信號(hào)很小時(shí)，這種 問題顯得尤為嚴(yán)重。
[0003] 針對(duì)上述問題，主動(dòng)電極的設(shè)計(jì)概念在1968年就已經(jīng)提出，雖然這種設(shè)計(jì)較為有 用,但是由于當(dāng)時(shí)的晶體管等電子器件體積大而且成本高,不適于電極內(nèi)集成,主動(dòng)電極并 沒有得到廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著電子和集成電路技術(shù)的發(fā)展、電池及封裝技術(shù)的進(jìn)步， 主動(dòng)電極已能以較為合理的成本得到應(yīng)用。然而，相比于以往，現(xiàn)在需采用新的設(shè)計(jì)技術(shù)來 滿足現(xiàn)代醫(yī)療器械的性能指標(biāo)，因此對(duì)于主動(dòng)電極在生理信號(hào)采集應(yīng)用方面的研究逐漸轉(zhuǎn) 化為電路工程問題?；诖?，現(xiàn)在關(guān)于主動(dòng)電極的設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)類型：一是單位增益放 大緩沖器，這種設(shè)計(jì)能提供高輸入阻抗、低輸出阻抗，實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換的功能，使電極對(duì)電生 理信號(hào)的采集能力更強(qiáng)，受到后極導(dǎo)連線的干擾更弱；二是小增益放大器，這種設(shè)計(jì)相比于 第一類提供一定的信號(hào)放大功能，能進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)導(dǎo)連線噪聲的抗干擾能力；三是較大增 益放大器，這種設(shè)計(jì)抗噪聲干擾能力最強(qiáng)，但是由于人體電生理信號(hào)存在較大的直流失調(diào) 電壓，此種設(shè)計(jì)較難實(shí)現(xiàn)，而且較大的增益容易產(chǎn)生失配，會(huì)減小電路的共模抑制比。
[0004] 對(duì)于集成單位增益放大緩沖器的主動(dòng)電極而言，由于沒有信號(hào)放大功能，電路會(huì) 引入額外的噪聲和功耗。而小增益放大器由于放大倍數(shù)較小，放大器本身的噪聲同樣會(huì)影 響信號(hào)采集精度。集成大增益放大器的主動(dòng)電極通常采用電容反饋的形式實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu) 能較好的消除直流失調(diào)電壓，但是輸入阻抗較低，接受生理信號(hào)能力較弱，另外在實(shí)現(xiàn)極低 的高通截止頻率時(shí)由于采用大的電阻或電容實(shí)現(xiàn)大的時(shí)間常數(shù)，通常會(huì)存在信號(hào)響應(yīng)過慢 的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種可有效解決上述技術(shù)問題的運(yùn)算放大電路、 主動(dòng)電極及電生理信號(hào)采集系。
[0006] 一種運(yùn)算放大電路，其包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三N型共源共柵管、第四 NMOS管、第五P型共源共柵管、第六P型共源共柵管、第七P型共源共柵管、第八P型共源 共柵管、第九N型共源共柵管、第十P型共源共柵管、第一電阻及第一電容；所述第一NMOS 管和所述第二NMOS管均為大柵極面積的MOS管，所述第一NMOS管和所述第二NMOS管組成 差分輸入對(duì)管，所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的柵極分別為所述運(yùn)算放大電路的反 相輸入端和同相輸入端；所述第九N型共源共柵管、所述第四NMOS管、所述第三N型共源共 柵管及所述第十P型共源共柵管的柵極分別接第一電壓、第二電壓、第三電壓及第四電壓； 所述第三N型共源共柵管和所述第九N型共源共柵管的源極均接地；所述第五P型共源共 柵管、所述第六P型共源共柵管和所述第十P型共源共柵管的源極均接電源電壓；所述第一 NMOS管和所述第二NMOS管的源極相接且接所述第四NMOS管的漏極；所述第四NMOS管的 源極接所述第三N型共源共柵管的漏極；所述第五P型共源共柵管和所述第六P型共源共 柵管的柵極相接，且接所述第一NMOS管的漏極；所述第五P型共源共柵管和所述第六P型 共源共柵管的漏極分別接所述第七P型共源共柵管和所述第八P型共源共柵管的源極；所 述第七P型共源共柵管和所述第八P型共源共柵管的漏極分別接所述第一NMOS管和所述 第二NMOS管的漏極；所述第九N型共源共柵管和所述第十P型共源共柵管的漏極相接成為 所述運(yùn)算放大電路的輸出端；所述第一電阻和所述第一電容串聯(lián)于所述第二NMOS管的漏 極和所述輸出端之間，且所述第一電阻和所述第一電容串聯(lián)于所述第十P型共源共柵管的 柵極和所述輸出端之間。
[0007]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述運(yùn)算放大電路的版圖設(shè)計(jì)中，所述差分輸入對(duì)管 置于隔離的P襯底中且其源極和襯底相接。
[0008] -種主動(dòng)電極電路，其包括反饋運(yùn)算放大器、第十一NMOS管、第十二NMOS管、第 十三N型共源共柵管、第一比較器、第二比較器、第一二極管、第二二極管、第二電阻、第三 電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、第九電阻、第二電容、第三電容 及所述運(yùn)算放大電路，所述運(yùn)算放大電路的同相輸入端接輸入電源，反相輸入端通過所述 第二電阻接參考電源，輸出端為所述主動(dòng)電極電路的輸出端；所述反饋運(yùn)算放大器的輸出 端通過所述第三電阻連接于所述運(yùn)算放大電路的反相輸入端、且通過所述第二電容接反相 輸入端，同相輸入端通過所述第五電阻接所述運(yùn)算放大電路的輸出端；所述第十一NMOS管 和所述第十二NMOS管的漏極相接，且連接于相接的柵極；所述第十一NMOS管的源極接所述 反饋運(yùn)算放大器的反相輸入端，且通過所述第九電阻連接于所述第十三N型共源共柵管的 源極；所述第十二NMOS管的源極通過所述第四電阻接所述反饋運(yùn)算放大器的同相輸入端， 且和所述第十三N型共源共柵管的的漏接相接于所述參考電源；所述第十三N型共源共柵 管的柵極通過所述第三電容接地，通過所述第一二極管和所述第二二極管分別接所述第一 比較器和所述第二比較器的輸出端；所述第一比較器的反相輸入端和所述第二比較器的同 相輸入端相接于所述運(yùn)算放大電路的輸出端，所述第一比較器的同相輸入端通過所述第八 電阻接地，且通過所述第七電阻連接于所述第二比較器的反相輸入端；所述第二比較器的 反相輸入端通過所述第六電阻接電源。
[0009]本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述第九電阻為改善穩(wěn)定性的密勒補(bǔ)償電阻。
[0010] 本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述第三電容為改善穩(wěn)定性的密勒補(bǔ)償電容。
[0011] 一種電生理信號(hào)采集系統(tǒng)，用于測量生理信號(hào)，其包括模擬前端電路、電極及所述 主動(dòng)電極電路，所述模擬前端電路和所述主動(dòng)電極電路的輸出端電性連接，所述電極和所 述主動(dòng)電極電路集成于一體，構(gòu)成主動(dòng)電極，且所述電極和所述主動(dòng)電極電路的同相輸入 端相連接。
[0012] 本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述模擬前端電路通過導(dǎo)連線和所述主動(dòng)電極電路的 輸出端電性連接。
[0013] 本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述電極貼附于生理信號(hào)采集對(duì)象。
[0014] 相較于現(xiàn)有技術(shù)，利用所述運(yùn)算放大電路及所述主動(dòng)電極電路，所述電生理信號(hào) 采集系統(tǒng)可在電極上實(shí)現(xiàn)較大增益的信號(hào)放大，抗300mV極化電壓，其可有效地增強(qiáng)生理 信號(hào)的抗干擾能力、減小噪聲、增強(qiáng)信號(hào)精度；同時(shí)，所述運(yùn)算放大電路具有較大輸入阻抗 (遠(yuǎn)高于皮膚阻抗)，一方面可解決現(xiàn)有技術(shù)需要皮膚清潔劑和導(dǎo)體膠的問題，另一方面可 提高信號(hào)采集精度。另外，所述主動(dòng)電極電路采用解塞技術(shù)，可以大大提高信號(hào)響應(yīng)速度， 進(jìn)而可避免由于電生理信號(hào)（心電等）具有極低的高通截止頻率，而存在信號(hào)響應(yīng)時(shí)間過 慢問題。
[0015] 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠 更明顯易懂，以下特舉實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例提供的運(yùn)算放大電路的電路圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例提供的主動(dòng)電極的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例提供的電生理信號(hào)采集系統(tǒng)的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0020] 請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明一實(shí)施例提供一種運(yùn)算放大電路100,其包括第一NMOS管Ml、 第二NMOS管M2、第三N型共源共柵管M3、第四NMOS管M4、第五P型共源共柵管M5、第六P 型共源共柵管M6、第七P型共源共柵管M7、第八P型共源共柵管M8、第九N型共源共柵管 M9、第十P型共源共柵管M10、第一電阻Rl及第一電容C1。所述第一NMOS管Ml和所述第 二NMOS管M2均為大柵極面積的MOS管，所述第一NMOS管Ml和所述第二NMOS管M2組成差 分輸入對(duì)管，所述第一NMOS管Ml和所述第二NMOS管M2的柵極分別為所述運(yùn)算放大電路 100的反相輸入端Vin-和同相輸入端Vin+。所述第九N型共源共柵管M9、所述第四NMOS 管M4、所述第三N型共源共柵管M3及所述第十P型共源共柵管MlO的柵極分別接第一電壓 Vbl、第二電壓Vb2、第三電壓vb3及第四電壓vb4。所述第三N型共源共柵管M3和所述第九 N型共源共柵管M9的源極均接地。所述第五P型共源共柵管M5、所述第六P型共源共柵管 M6和所述第十P型共源共柵管MlO的源極均接電源電壓。所述第一NMOS管Ml和所述第二 NMOS管M2的源極相接且接所述第四NMOS管M4的漏極。所述第四NMOS管M4的源極接所 述第三N型共源共柵管M3的漏極。所述第五P型共源共柵管M5和所述第六P型共源共柵 管M6的柵極相接，且接所述第一NMOS管Ml的漏極。所述第五P型共源共柵管M5和所述 第六P型共源共柵管M6的漏極分別接所述第七P型共源共柵管M7和所述第八P型共源共 柵管M8的源極。所述第七P型共源共柵管M7和所述第八P型共源共柵管M8的漏極分別 接所述第一NMOS管Ml和所述第二NMOS管M2的漏極。所述第九N型共源共柵管M9和所 述第十P型共源共柵管MlO的漏極相接成為所述運(yùn)算放大電路100的輸出端Vout。所述第 一電阻Rl和所述第一電容Cl串聯(lián)于所述第二NMOS管M2的漏極和所述輸出端Vout之間， 且所述第一電阻Rl和所述第一電容Cl串聯(lián)于所述第十P型共源共柵管MlO的柵極和所述 輸出端Vout之間。
[0021] 本實(shí)施例中，所述運(yùn)算放大電路100的版圖設(shè)計(jì)中，所述差分輸入對(duì)管置于隔離 的P襯底中且其源極和襯底相接。
[0022] 請(qǐng)參閱圖2,本發(fā)明第二實(shí)施例提供一種主動(dòng)電極電路200,其包括通路運(yùn)算放大 器AMP1、反饋運(yùn)算放大器AMP2、第i^一NMOS管Ml1、第十二NMOS管Ml2、第十三N型共源共 柵管M13、第一比較器C0M1、第二比較器COM2、第一二極管L1、第二二極管L2、第二電阻R2、 第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻 R9、第二電容C2及第三電容C3,其中，所述通路運(yùn)算放大器AMPl即為本發(fā)明第一實(shí)施例提 供的所述運(yùn)算放大電路100。
[0023] 所述通路運(yùn)算放大器AMPl的同相輸入端Vin+ (即所述運(yùn)算放大電路100的同相 輸入端Vin+)接輸入電源，反相輸入端Vin-(即所述運(yùn)算放大電路100的同相輸入端Vin-) 通過所述第二電阻R2接參考電源Vref，輸出端Vout為所述主動(dòng)電極電路100的輸出端 Vout，即輸出電壓Vout。所述反饋運(yùn)算放大器AMP2的輸出端通過所述第三電阻R3連接于 所述通路運(yùn)算放大器AMPl的反相輸入端Vin-、且通過所述第二電容C2接反相輸入端，同 相輸入端通過所述第五電阻R5接所述通路運(yùn)算放大器AMPl的輸出端Vout，即接輸出電壓 Vout。所述第i^一NMOS管Mll和所述第十二NMOS管M12的漏極相接，且連接于相接的柵 極，即所述第i^一匪OS管Mll和所述第十二NMOS管M12的柵極也相接。所述第i^一NMOS 管Mll的源極接所述反饋運(yùn)算放大器AMP2的反相輸入端，且通過所述第九電阻R9連接于 所述第十三N型共源共柵管M13的源極。所述第十二NMOS管M12的源極通過所述第四電 阻R4接所述反饋運(yùn)算放大器AMP2的同相輸入端，且和所述第十三N型共源共柵管M13的漏 接相接于所述參考電源Vref，可知所述第十二NMOS管M12的源極通過所述第四電阻R4和 所述第五電阻R5接輸出電壓Vout。所述第十三N型共源共柵管M13的柵極通過所述第三 電容C3接地，并通過所述第一二極管Ll和所述第二二極管L2分別接所述第一比較器COMl 和所述第二比較器COM2的輸出端。所述第一比較器COMl的反相輸入端和所述第二比較器 COM2的同相輸入端相接于所述通路運(yùn)算放大器AMPl的輸出端Vout，即接于輸出電壓Vout， 所述第一比較器COMl的同相輸入端通過所述第八電阻R8接地，且通過所述第七電阻R7連 接于所述第二比較器COM2的反相輸入端。所述第二比較器COM2的反相輸入端通過所述第 六電阻R6接電源，可知所述第二比較器COM2的反相輸入端通過所述第七電阻R7和所述第 八電阻R8接地。
[0024] 優(yōu)選地，所述第九電阻R9為改善穩(wěn)定性的密勒補(bǔ)償電阻，所述第三電容C3為改善 穩(wěn)定性的密勒補(bǔ)償電容。
[0025] 本實(shí)施例中，所述通路運(yùn)算放大器AMPl和所述反饋運(yùn)算放大器AMP2構(gòu)成積分反 饋電路，所述第一比較器COMl和所述第二比較器COM2構(gòu)成解塞（deblocking)電路(如圖 2虛線框所示)，可有效解決響應(yīng)時(shí)間問題。所述通路運(yùn)算放大器AMPl的同相輸入端Vin+ 即為采集的電生理信號(hào)，所述參考電源Vref為直流參考電壓，輸出端Vout為所述通路運(yùn)算 放大器AMPl的輸出電壓Vout，所述第i^一NMOS管Ml1和所述第十二NMOS管M12構(gòu)成虛電 阻。
[0026] 可以獲得所述主動(dòng)電極電路200的傳遞函數(shù)為：

【權(quán)利要求】
1. 一種運(yùn)算放大電路，其特征在于，所述運(yùn)算放大電路包括第一 NMOS管、第二NMOS管、 第三N型共源共柵管、第四NM0S管、第五P型共源共柵管、第六P型共源共柵管、第七P型共 源共柵管、第八P型共源共柵管、第九N型共源共柵管、第十P型共源共柵管、第一電阻及第 一電容；所述第一 NMOS管和所述第二NMOS管均為大柵極面積的M0S管，所述第一 NMOS管 和所述第二NMOS管組成差分輸入對(duì)管，所述第一 NMOS管和所述第二NMOS管的柵極分別為 所述運(yùn)算放大電路的反相輸入端和同相輸入端；所述第九N型共源共柵管、所述第四NMOS 管、所述第三N型共源共柵管及所述第十P型共源共柵管的柵極分別接第一電壓、第二電 壓、第三電壓及第四電壓；所述第三N型共源共柵管和所述第九N型共源共柵管的源極均接 地；所述第五P型共源共柵管、所述第六P型共源共柵管和所述第十P型共源共柵管的源極 均接電源電壓；所述第一 NMOS管和所述第二NMOS管的源極相接且接所述第四NMOS管的漏 極；所述第四NMOS管的源極接所述第三N型共源共柵管的漏極；所述第五P型共源共柵管 和所述第六P型共源共柵管的柵極相接，且接所述第一 NMOS管的漏極；所述第五P型共源 共柵管和所述第六P型共源共柵管的漏極分別接所述第七P型共源共柵管和所述第八P型 共源共柵管的源極；所述第七P型共源共柵管和所述第八P型共源共柵管的漏極分別接所 述第一 NMOS管和所述第二NMOS管的漏極；所述第九N型共源共柵管和所述第十P型共源 共柵管的漏極相接成為所述運(yùn)算放大電路的輸出端；所述第一電阻和所述第一電容串聯(lián)于 所述第二NMOS管的漏極和所述輸出端之間，且所述第一電阻和所述第一電容串聯(lián)于所述 第十P型共源共柵管的柵極和所述輸出端之間。
2. 如權(quán)利要求1所述的運(yùn)算放大電路，其特征在于，所述運(yùn)算放大電路的版圖設(shè)計(jì)中， 所述差分輸入對(duì)管置于隔離的P襯底中且其源極和襯底相接。
3. -種主動(dòng)電極電路，其特征在于，所述主動(dòng)電極電路包括反饋運(yùn)算放大器、第i^一 NMOS管、第十二NMOS管、第十三N型共源共柵管、第一比較器、第二比較器、第一二極管、第 二二極管、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、第九 電阻、第二電容、第三電容及如權(quán)利要求1所述的運(yùn)算放大電路，所述運(yùn)算放大電路的同相 輸入端接輸入電源，反相輸入端通過所述第二電阻接參考電源，輸出端為所述主動(dòng)電極電 路的輸出端；所述反饋運(yùn)算放大器的輸出端通過所述第三電阻連接于所述運(yùn)算放大電路的 反相輸入端、且通過所述第二電容接反相輸入端，同相輸入端通過所述第五電阻接所述運(yùn) 算放大電路的輸出端；所述第十一 NMOS管和所述第十二NMOS管的漏極相接，且連接于相 接的柵極；所述第十一 NMOS管的源極接所述反饋運(yùn)算放大器的反相輸入端，且通過所述第 九電阻連接于所述第十三N型共源共柵管的源極；所述第十二NMOS管的源極通過所述第四 電阻接所述反饋運(yùn)算放大器的同相輸入端，且和所述第十三N型共源共柵管的的漏接相接 于所述參考電源；所述第十三N型共源共柵管的柵極通過所述第三電容接地，通過所述第 一二極管和所述第二二極管分別接所述第一比較器和所述第二比較器的輸出端；所述第一 比較器的反相輸入端和所述第二比較器的同相輸入端相接于所述運(yùn)算放大電路的輸出端， 所述第一比較器的同相輸入端通過所述第八電阻接地，且通過所述第七電阻連接于所述第 二比較器的反相輸入端；所述第二比較器的反相輸入端通過所述第六電阻接電源。
4. 如權(quán)利要求3所述的主動(dòng)電極電路，其特征在于，所述第九電阻為改善穩(wěn)定性的密 勒補(bǔ)償電阻。
5. 如權(quán)利要求3所述的主動(dòng)電極電路，其特征在于，所述第三電容為改善穩(wěn)定性的密 勒補(bǔ)償電容。
6. -種電生理信號(hào)采集系統(tǒng)，用于測量生理信號(hào)，其特征在于，所述電生理信號(hào)采集系 統(tǒng)包括模擬前端電路、電極及如權(quán)利要求3?5任一項(xiàng)所述的主動(dòng)電極電路，所述模擬前端 電路和所述主動(dòng)電極電路的輸出端電性連接，所述電極和所述主動(dòng)電極電路集成于一體， 構(gòu)成主動(dòng)電極，且所述電極和所述主動(dòng)電極電路的同相輸入端相連接。
7. 如權(quán)利要求6所述的電生理信號(hào)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬前端電路通過導(dǎo) 連線和所述主動(dòng)電極電路的輸出端電性連接。
8. 如權(quán)利要求6所述的電生理信號(hào)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述電極貼附于生理信號(hào) 采集對(duì)象。
【文檔編號(hào)】H03F1/26GK104426491SQ201310400333
【公開日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】黃實(shí), 張金勇, 盛亮亮, 蔡錦和, 王磊 申請(qǐng)人:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院