多功能生物電采集模擬前端中的增益帶寬可編程放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于放大器【技術領域】，具體為一種多功能生物電采集模擬前端中的增益帶寬可編程放大器。本發(fā)明由2個跨導放大器、4個固定值電容、4個增益選擇電容陣列、2個帶寬選擇電容陣列和8個PMOS管組成；它具有增益可配置、帶寬可配置、微功耗和低的等效輸入失調(diào)電壓等特點，可應用于可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)。利用本發(fā)明的多功能生物電信號采集模擬前端可以實現(xiàn)對腦電、心電、肌電信號的調(diào)理放大。
【專利說明】多功能生物電采集模擬前端中的增益帶寬可編程放大器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于放大器【技術領域】，具體涉及一種增益帶寬可編程放大器，應用于可穿 戴設備中對微弱信號進行準確測量的模擬前端中。

【背景技術】
[0002] 如今，隨著人們對醫(yī)療保健越來越重視，以及人口老齡化進程的加快，未來的醫(yī)療 保健模式將從傳統(tǒng)的"以醫(yī)院為中心"轉(zhuǎn)向"以病人為中心"，以緩解醫(yī)療保健費用急劇增 長、醫(yī)療服務資源有限和醫(yī)療保健手續(xù)繁冗復雜等問題?；跓o線體域網(wǎng)的穿戴式健康監(jiān) 護系統(tǒng)已成為集成電路研究領域的熱點。
[0003] 基于無線體域網(wǎng)的穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)中的儀表放大器和具有濾波功能的可編 程放大器合稱為模擬前端，是穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)中極其重要的一個模塊，其性能的優(yōu)劣 直接關系到穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)的好壞。
[0004] 常見的生物電信號包括腦電信號（EEG)、心電信號（ECG)以及肌電信號（EMG)三 種，它們具有不同的頻率范圍和幅度范圍，例如EEG信號的幅度為20-100uV，頻率范圍 為0. l-40Hz ;ECG信號的幅度為100uV-5mV，頻率范圍為0. 5-150Hz ;EMG信號的幅度為 l-10mV，頻率范圍為20-2KHZ。多功能生物電信號采集模擬前端需要同時具備采集上述三種 生物電信號的能力，這就要求模擬前端電路具有增益和帶寬可調(diào)的功能，而這部分功能由 可編程放大器來提供。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的主要目的是提供一種可應用于可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)的多功能生物電采 集模擬前端電路中的增益帶寬可編程放大器，它具有增益可配置、帶寬可配置和微功耗等 特點。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是：一種可應用于可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)的 多功能生物電采集模擬前端電路中的增益帶寬可編程放大器(如圖1所示)，由2個跨導放 大器，4個固定值電容，4個增益選擇電容陣列，2個帶寬選擇電容陣列和8個PM0S管組成。 其中： 外部模擬輸入信號Vin和Vip分別與電容Cinll和Cinl2的一端相連；電容Cinll的 另一端、PM0S管PM0的柵極、PM0S管PM0的漏極、增益選擇電容陣列gain_selll的一端、跨 導放大器Gml的反相輸入端共點；電容Cinl2的另一端、PM0S管PM2的柵極、PM0S管PM2的 漏極、增益選擇電容陣列gain_sell2的一端、跨導放大器Gml的同相輸入端共點；PM0S管 PM0的源極、PM0S管PM1的漏極、PM0S管PM1的柵極共點；PM0S管PM2的源極、PM0S管PM3 的漏極、PM0S管PM3的柵極共點；PM0S管PM1的源極、跨導放大器Gml的同相輸出端、增益 選擇電容陣列gain_selll的另一端、帶寬選擇電容陣列BW_sell的一端、電容Cin21的一 端共點；PM0S管PM3的源極、跨導放大器Gml的反相輸出端、增益選擇電容陣列gain_sell2 的另一端、帶寬選擇電容陣列BW_sell的另一端、電容Cin22的一端共點；電容Cin21的另 一端、PMOS管PM4的柵極、PMOS管PM4的漏極、增益選擇電容陣列gain_sel21的一端、跨導 放大器Gm2的反相輸入端共點；電容Cin22的另一端、PM0S管PM6的柵極、PM0S管PM6的 漏極、增益選擇電容陣列gain_sel22的一端、跨導放大器Gm2的同相輸入端共點；PMOS管 PM4的源極、PMOS管PM5的漏極、PMOS管PM5的柵極共點；PMOS管PM6的源極、PMOS管PM7 的漏極、PMOS管PM7的柵極共點；PMOS管PM5的源極、跨導放大器Gm2的同相輸出端、增益 選擇電容陣列gain_sel21的另一端、帶寬選擇電容陣列BW_sel2的一端與增益帶寬可編程 放大器的輸出端Voutn相連；PMOS管PM7的源極、跨導放大器Gm2的反相輸出端、增益選擇 電容陣列gain_sel22的另一端、帶寬選擇電容陣列BW_sel2的另一端與增益帶寬可編程放 大器的輸出端Voutp相連。
[0007] 增益帶寬可編程放大器中的增益選擇電容陣列gain_selll和gain_sell2是相 同的，gain_sel21和gain_sel22也是相同的，它們采用相同的電路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，具有兩個 端子A和B。圖2給出了上述增益選擇電容陣列的一個實施實例，由三個電容和2個開關組 成。其中： 增益選擇電容陣列的一端A與電容C1的一端以及開關SW1的一端相連，電容C1的另 一端與電容C2的一端以及開關SW1的另一端相連，電容C2的另一端與電容C3的一端以及 開關SW2的一端相連，電容C3的另一端與開關SW2的另一端以及增益選擇電容陣列的另一 端B相連。開關SW1和開關SW2由不同的控制信號來控制其打開和合上。
[0008] 增益帶寬可編程放大器中的帶寬選擇電容陣列BW_sell和BW_sel2采用相同的結(jié) 構(gòu)來實現(xiàn)，具有兩個端子C和D。圖3給出了上述帶寬選擇電容陣列的一個實施實例，由6 個電容和6個開關組成。其中： 帶寬選擇電容陣列的一端C與開關SW3,SW4,SW5的一端相連；開關SW3的另一端與電 容C11的一端相連；開關SW4的另一端與電容C12的一端相連；開關SW5的另一端與電容 C13的一端相連；電容C11的另一端、電容C12的另一端、電容C13的另一端與地共點；帶寬 選擇電容陣列的一端D與開關SW6,SW7,SW8的一端相連；開關SW6的另一端與電容C21的 一端相連；開關SW7的另一端與電容C22的一端相連；開關SW8的另一端與電容C23的一 端相連；電容C21的另一端、電容C22的另一端、電容C23的另一端與地共點。開關SW3和 開關SW6具有相同的控制信號，開關SW4和開關SW7具有相同的控制信號，開關SW5和開關 SW8具有相同的控制信號。電容Cl1與電容C21具有相同的電容值，電容C12與電容C22具 有相同的電容值，電容C13與電容C23具有相同的電容值。
[0009] 利用本發(fā)明的多功能生物電信號采集模擬前端可以實現(xiàn)對腦電、心電、肌電信號 的調(diào)理放大，具有以下有益效果： 1、利用本發(fā)明，可以在不占用過大片內(nèi)面積的情況下獲得很大的增益調(diào)節(jié)范圍，如 40dB_80dB，以滿足腦電、心電、肌電信號的所有調(diào)理需要?？纱┐飨到y(tǒng)中通常要求跨導放大 器Gml和Gm2僅消耗很少的電流，同時要求反饋網(wǎng)絡具有很大的等效阻抗。采用電容反饋， 相比較電阻反饋，可節(jié)省芯片面積；與增益選擇電容陣列并聯(lián)的柵漏短接的PM0S串聯(lián)管具 有極大的等效阻抗，為跨導放大器Gml和Gm2提供直流偏置。
[0010] 2、本發(fā)明具有很低的等效輸入失調(diào)電壓，以滿足高增益的設計需求。該放大器的 等效輸入失調(diào)為第二級放大器的等效輸入失調(diào)除以第一級放大器的直流增益。
[0011] 3、利用本發(fā)明可以實現(xiàn)很低的高通截止頻率，從而在不影響信號低頻分量的前提 下，實現(xiàn)對電極失調(diào)電壓的抑制。采用本發(fā)明的增益控制電容陣列，可以獲得平滑理想的低 頻高通響應。
[0012] 4、本發(fā)明中的帶寬選擇陣列BW_sell和BW_sel2共用一對帶寬控制字，通過合理 地設計電容陣列，增益帶寬可編程放大器可以等效為一個兩階低通濾波器，一方面可以更 好地濾除帶寬附近頻率的殘余噪聲；另一方面可以進一步抑制前級斬波儀表放大器的殘余 紋波電壓。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明增益帶寬可編程放大器電路的電路圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明增益帶寬可編程放大器電路中的增益選擇電容陣列的電路圖。
[0015] 圖3為本發(fā)明增益帶寬可編程放大器電路中的帶寬選擇電容陣列的電路圖。

【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0017] 圖1為本發(fā)明增益帶寬可編程放大器電路的電路圖。增益 帶寬可編程放大器由兩級放大電路組成。第一級放大電路的增益 為M由增益選擇電容陣列gain_selll、gain_sell2和電容Cinll、Cinl2來決定，其帶寬由 帶寬選擇陣列BW_sell和跨導放大器Gml的跨導決定；第二級放大電路的增益^^由增 益選擇電容陣列gain_sel21、gain_sel22和電容Cin21、Cin22來決定，其帶寬由帶寬選擇 陣列BW_sel2和跨導放大器Gm2的跨導決定。
[0018] 整個增益帶寬可編程放大器電路的增益A2為：

【權利要求】
1. 一種多功能生物電采集模擬前端中的增益帶寬可編程放大器，應用于可穿戴健康 監(jiān)護系統(tǒng)，其特征在于：由2個跨導放大器，4個固定值電容，4個增益選擇電容陣列，2個帶 寬選擇電容陣列和8個PMOS管組成；其中： 外部模擬輸入信號Vin和Vip分別與第一電容Cinll和第二電容Cinl2的一端相連； 第一電容Cinll的另一端、第零PMOS管PMO的柵極、第零PMOS管PMO的漏極、第一增益選 擇電容陣列gain_selll的一端、第一跨導放大器Gml的反相輸入端共點；第二電容Cinl2 的另一端、第二PMOS管PM2的柵極、第二PMOS管PM2的漏極、第二增益選擇電容陣列gain_ sel 12的一端、第一跨導放大器Gml的同相輸入端共點；第零PMOS管PMO的源極、第一 PMOS 管PM1的漏極、第一 PMOS管PM1的柵極共點；第二PMOS管PM2的源極、第三PMOS管PM3的 漏極、第三PMOS管PM3的柵極共點；第一 PMOS管PM1的源極、第一跨導放大器Gml的同相 輸出端、第一增益選擇電容陣列gain_selll的另一端、第一帶寬選擇電容陣列BW_sell的 一端、第三電容Cin21的一端共點；第三PMOS管PM3的源極、第一跨導放大器Gml的反相 輸出端、第二增益選擇電容陣列gain_sell2的另一端、第一帶寬選擇電容陣列BW_sell的 另一端、第四電容Cin22的一端共點；第三電容Cin21的另一端、第四PMOS管PM4的柵極、 第四PMOS管PM4的漏極、第三增益選擇電容陣列gain_sel21的一端、第二跨導放大器Gm2 的反相輸入端共點；第四電容Cin22的另一端、第六PMOS管PM6的柵極、第六PMOS管PM6 的漏極、第四增益選擇電容陣列gain_sel22的一端、第二跨導放大器Gm2的同相輸入端共 點；第四PMOS管PM4的源極、第五PMOS管PM5的漏極、第五PMOS管PM5的柵極共點；第六 PMOS管PM6的源極、第七PMOS管PM7的漏極、第七PMOS管PM7的柵極共點；第五PMOS管 PM5的源極、第二跨導放大器Gm2的同相輸出端、第三增益選擇電容陣列gain_sel21的另一 端、第二帶寬選擇電容陣列BW_sel2的一端與增益帶寬可編程放大器的輸出端Voutn相連； 第七PMOS管PM7的源極、第二跨導放大器Gm2的反相輸出端、第四增益選擇電容陣列gain_ sel22的另一端、第二帶寬選擇電容陣列BW_sel2的另一端與增益帶寬可編程放大器的輸 出端Voutp相連。
2. 根據(jù)權利要求1所述的增益帶寬可編程放大器，其特征在于所述第一增益選擇電 容陣列gain_selll和第二增益選擇電容陣列gain_sell2相同，第三增益選擇電容陣列 gain_sel21和第四增益選擇電容陣列gain_sel22也相同，它們采用相同的電路結(jié)構(gòu)，具有 兩個端子A和B ;分別由三個電容和2個開關組成，其中： 增益選擇電容陣列的一端A與第五電容C1的一端以及第一開關SW1的一端相連，第五 電容C1的另一端與第六電容C2的一端以及第一開關SW1的另一端相連，第六電容C2的另 一端與第七電容C3的一端以及第二開關SW2的一端相連，第七電容C3的另一端與第二開 關SW2的另一端以及增益選擇電容陣列的另一端B相連；第一開關SW1和第二開關SW2由 不同的控制信號來控制其打開和合上。
3. 根據(jù)權利要求1所述的增益帶寬可編程放大器，其特征在于所述第一帶寬選擇電 容陣列BW_sell和第二帶寬選擇電容陣列BW_sel2采用相同的結(jié)構(gòu)，具有兩個端子C和D ; 分別由6個電容和6個開關組成；其中： 帶寬選擇電容陣列的一端C與第三開關SW3,第四開關SW4,第五開關SW5的一端相連； 第三開關SW3的另一端與第八電容C11的一端相連；第四開關SW4的另一端與第九電容C12 的一端相連；第五開關SW5的另一端與第十電容C13的一端相連；第八電容C11的另一端、 第九電容C12的另一端、第十電容C13的另一端與地共點；帶寬選擇電容陣列的一端D與第 六開關SW6、第七開關SW7、第八開關SW8的一端相連；第六開關SW6的另一端與第十一電容 C21的一端相連；第七開關SW7的另一端與第十二電容C22的一端相連；第八開關SW8的另 一端與第十三電容C23的一端相連；第^ 電容C21的另一端、第十二電容C22的另一端、 第十三電容C23的另一端與地共點；第三開關SW3和第六開關SW6具有相同的控制信號， 第四開關SW4和第七開關SW7具有相同的控制信號，第五開關SW5和第八開關SW8具有相 同的控制信號；第八電容C11與第i^一電容C21具有相同的電容值，第九電容C12與第十二 電容C22具有相同的電容值，第十電容C13與第十三電容C23具有相同的電容值。
【文檔編號】H03F3/45GK104410368SQ201410585909
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權日:2014年10月28日
【發(fā)明者】柯可人, 秦文輝, 易婷, 洪志良 申請人:復旦大學