本發(fā)明涉及涉及CMOS模擬集成電路設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路。

背景技術(shù)：

近年來，穿戴式醫(yī)用設(shè)備隨著微電子技術(shù)和生物監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，逐漸進(jìn)入到人們的日常生活中。作為穿戴式醫(yī)用設(shè)備核心芯片中的首級電路和重要組成部分，模擬前端電路的功耗、信噪比等性能直接決定了系統(tǒng)的工作時長和檢測精度。

生理電勢信號的頻率通常低于500Hz，信號幅度僅有數(shù)百微伏。由于生理電勢信號中都包含有幾十毫伏到數(shù)百毫伏的直流失調(diào)電壓。因此，為了濾除該直流失調(diào)電壓，傳統(tǒng)設(shè)計都需要在模擬前端的輸入端串聯(lián)一個隔直電容。但該電容值一般在10微法以上，面積極大，無法實現(xiàn)電容與芯片的單片集成。同時為了滿足芯片中數(shù)字信號處理的要求，模擬前端中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要具有至少10bit的有效精度。更為重要的是，穿戴式設(shè)備都采用電池供電，放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器必須進(jìn)行低功耗設(shè)計，以滿足長時間的待機(jī)需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路，以解決現(xiàn)有技術(shù)中：1)由于使用隔直流電容而無法實現(xiàn)電容與芯片的單片集成問題；2)放大器功耗高的問題；3)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣精度和低功耗要求之間的矛盾。

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路，包括：放大器100和逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器110，其中，

所述放大器100用于將生理電勢信號放大，所述逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器110用于將放大后的生理電勢信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼，輸出給一數(shù)字信號處理平臺；

其中，所述放大器100包括跨導(dǎo)放大器、輸入電容Cin1、輸入電容Cin2、共模通路1001a、共模通路1001b、輸入通路1002、輸出通路1003、反饋通路1004，其中，輸入信號通過輸入通路1002與輸入電容Cin1的一個極板相連，輸入電容Cin1的另一個極板與跨導(dǎo)放大器的正相輸入端連接；共模通路1001a的一端外接電源，另一端通過輸入電容Cin2與跨導(dǎo)放大器的反相輸入端連接；共模通路1001b并聯(lián)在輸入電容Cin2的兩端；輸出通路1003連接在跨導(dǎo)放大器的輸出端，反饋通路1004的一端與跨導(dǎo)放大器的正相輸入端連接，另一端與輸出通路1003連接。

優(yōu)選地，所述共模通路1001a包括：電阻R1、R2和R3，其中，電阻R1和R2串聯(lián)在電源和地之間；電阻R3的一端連接在電阻R1和R2之間，另一端與輸入電容Cin2連接。

優(yōu)選地，所述電阻R1、R2和R3的阻值相等。

優(yōu)選地，所述共模通路1001b包括：共模輸入電容Cb、場效應(yīng)管M1和M2，其中，場效應(yīng)管M1和M2串聯(lián)，串聯(lián)后的電路與共模輸入電容Cb并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述反饋通路1004包括：反饋電容Cf、場效應(yīng)管M3和M4，其中，場效應(yīng)管M3和M4串聯(lián)，串聯(lián)后的電路與反饋電容Cf并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述跨導(dǎo)放大器包括：NMOS晶體管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5，PMOS晶體管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5，其中，

NMOS晶體管NM5的柵極和漏極相連后外接偏置電流Iin，源極接地；NMOS晶體管NM4的柵極與NMOS晶體管NM5的柵極相連，源極接地，漏極與PMOS晶體管PM3的漏極相連；PMOS晶體管PM3的柵極與漏極相連，形成二極管連接，源極接電源VDD；PMOS晶體管PM4的柵極與PM3柵級相連，輸入偏置電壓，源極接電源VDD，漏極連接到PMOS輸入晶體管PM1和PM2的源極；PMOS晶體管PM1和PM2的柵極分別輸入負(fù)向輸入信號VIN和正向輸入信號VIP，PMOS晶體管PM1的漏極連接到NMOS晶體管NM1的漏極，PMOS晶體管PM2的漏極連接到NMOS晶體管NM2的漏極；NM1的柵極和漏極相連，構(gòu)成二極管連接，源極接地；NM2的柵極與NM1的柵極相連，源極接地；PMOS晶體管PM5的源極接電源VDD，柵極與PMOS晶體管PM4的柵極相連，漏極接NMOS晶體管NM3的漏極；NMOS晶體管NM3的漏極與PMOS晶體管PM5的漏極相連，柵極與NM2的漏極相連，源極接地；

其中，PMOS晶體管PM5的漏極為所述跨導(dǎo)放大器的輸出端Vo。

優(yōu)選地，所述跨導(dǎo)放大器還包括：補償電容Cc和補償電阻Rc，其中，補償電容Cc和補償電阻Rc串聯(lián)，串聯(lián)后的電路一端與NMOS晶體管NM2的漏極相連，另一端與NMOS晶體管NM3的漏極相連。

優(yōu)選地，所述跨導(dǎo)放大器還包括負(fù)載電容CL，負(fù)載電容CL的一個極板連接在所述跨導(dǎo)放大器的輸出端Vo，另一個極板接地；所述負(fù)載電容CL用于調(diào)節(jié)所述跨導(dǎo)放大器的帶寬。

優(yōu)選地，所述PMOS晶體管PM1和PM2工作在亞閾值區(qū)。

優(yōu)選地，所述NMOS晶體管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5的結(jié)構(gòu)和型號相同，PMOS晶體管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5的結(jié)構(gòu)和型號相同。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，至少具備以下有益效果：

可以理解的是，本發(fā)明提供的這種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路，共模通路1001a產(chǎn)生輸入共模電壓Vcm，輸入共模電壓Vcm通過共模通路1001b對跨導(dǎo)放大器進(jìn)行偏置，使得跨導(dǎo)放大器的輸入晶體管工作在亞閾值區(qū)；輸入電容Cin1與反饋電容Cf的比值形成放大器的閉環(huán)增益；輸入電容Cin2將輸入共模結(jié)點與跨導(dǎo)放大器負(fù)向輸入端隔離；反饋通路1004與跨導(dǎo)放大器構(gòu)成閉環(huán)增益級結(jié)構(gòu)；反饋通路具有高通特性，濾除了生理電勢信號中的直流失調(diào)電壓，解決了芯片外串聯(lián)隔直電容的問題，實現(xiàn)了放大器的全集成。

另外，本發(fā)明提供的這種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路，通過在跨導(dǎo)放大器中使用工作在亞閾值區(qū)的輸入晶體管PM1和PM2，使得PM1、PM2具有很低的功耗，而其余晶體管又工作在飽和區(qū)，保證了電路的穩(wěn)定性；通過在模擬前端中采用逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以在極低的功耗下對生理電勢信號直接進(jìn)行量化、編碼，輸出至數(shù)字信號處理平臺進(jìn)行處理；實踐證明，本發(fā)明提供的這種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路，輸出信號精度達(dá)到78dB以上，在實現(xiàn)電路極低功耗的同時獲得了10bit以上的信噪比輸出，具有精度高、可靠性強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點，適用于生理電勢信號檢測芯片的應(yīng)用。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一實施例提供的一種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路的電路原理圖；

圖2為本發(fā)明一實施例提供的跨導(dǎo)放大器的電路原理圖；

圖3為本發(fā)明一實施例提供的用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路在電源電壓為1.8V，輸入信號為頻率為45Hz、幅度為600μV的正弦信號，時鐘頻率為1.25kHz時的輸出信號頻譜圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所得到的所有其它實施方式，都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

參見圖1，本發(fā)明一實施例提供的一種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路，包括：放大器100和逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器110，其中，

所述放大器100用于將生理電勢信號放大，所述逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器110用于將放大后的生理電勢信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼，輸出給一數(shù)字信號處理平臺；其中，

參見圖2，所述放大器100包括跨導(dǎo)放大器、輸入電容Cin1、輸入電容Cin2、共模通路1001a、共模通路1001b、輸入通路1002、輸出通路1003、反饋通路1004，其中，輸入信號通過輸入通路1002與輸入電容Cin1的一個極板相連，輸入電容Cin1的另一個極板與跨導(dǎo)放大器的正相輸入端連接；共模通路1001a的一端外接電源，另一端通過輸入電容Cin2與跨導(dǎo)放大器的反相輸入端連接；共模通路1001b并聯(lián)在輸入電容Cin2的兩端；輸出通路1003連接在跨導(dǎo)放大器的輸出端，反饋通路1004的一端與跨導(dǎo)放大器的正相輸入端連接，另一端與輸出通路1003連接。

可以理解的是，采用逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠節(jié)約功耗，實現(xiàn)10bit以上的輸出信噪比。

優(yōu)選地，所述共模通路1001a包括：電阻R1、R2和R3，其中，電阻R1和R2串聯(lián)在電源和地之間；電阻R3的一端連接在電阻R1和R2之間，另一端與輸入電容Cin2連接。

優(yōu)選地，所述電阻R1、R2和R3的阻值相等。

優(yōu)選地，所述共模通路1001b包括：共模輸入電容Cb、場效應(yīng)管M1和M2，其中，場效應(yīng)管M1和M2串聯(lián)，串聯(lián)后的電路與共模輸入電容Cb并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述反饋通路1004包括：反饋電容Cf、場效應(yīng)管M3和M4，其中，場效應(yīng)管M3和M4串聯(lián)，串聯(lián)后的電路與反饋電容Cf并聯(lián)。

可以理解的是，本發(fā)明提供的這種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路，共模通路1001a產(chǎn)生輸入共模電壓Vcm，輸入共模電壓Vcm通過共模通路1001b對跨導(dǎo)放大器進(jìn)行偏置，使得跨導(dǎo)放大器輸入晶體管工作在亞閾值區(qū)，具有極小的功耗；輸入電容Cin1與反饋電容Cf的比值形成放大器的閉環(huán)增益；輸入電容Cin2將輸入共模結(jié)點與跨導(dǎo)放大器負(fù)向輸入端隔離；反饋通路1004與跨導(dǎo)放大器構(gòu)成閉環(huán)增益級結(jié)構(gòu)；反饋通路具有低頻截止頻率，形成高通特性，濾除了生理電勢信號中的直流失調(diào)電壓，實現(xiàn)了放大器的全集成。當(dāng)放大器輸入正弦波信號時，反饋通路1004濾除其中的直流成分，只保留其中的交流分量，并通過共模通路1001b施加新的直流共模成分。放大器將正弦波信號放大Cin1/Cf倍，輸出以共模電壓Vcm為中心的正弦波信號。

優(yōu)選地，所述跨導(dǎo)放大器包括：NMOS晶體管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5，PMOS晶體管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5，其中，

NMOS晶體管NM5的柵極和漏極相連后外接偏置電流Iin，源極接地；NMOS晶體管NM4的柵極與NMOS晶體管NM5的柵極相連，源極接地，漏極與PMOS晶體管PM3的漏極相連；PMOS晶體管PM3的柵極與漏極相連，形成二極管連接，源極接電源VDD；PMOS晶體管PM4的柵極與PM3柵級相連，輸入偏置電壓，源極接電源VDD，漏極連接到PMOS輸入晶體管PM1和PM2的源極；PMOS晶體管PM1和PM2的柵極分別輸入負(fù)向輸入信號VIN和正向輸入信號VIP，PMOS晶體管PM1的漏極連接到NMOS晶體管NM1的漏極，PMOS晶體管PM2的漏極連接到NMOS晶體管NM2的漏極；NM1的柵極和漏極相連，構(gòu)成二極管連接，源極接地；NM2的柵極與NM1的柵極相連，源極接地；PMOS晶體管PM5的源極接電源VDD，柵極與PMOS晶體管PM4的柵極相連，漏極接NMOS晶體管NM3的漏極；NMOS晶體管NM3的漏極與PMOS晶體管PM5的漏極相連，柵極與NM2的漏極相連，源極接地；

其中，PMOS晶體管PM5的漏極為所述跨導(dǎo)放大器的輸出端Vo。

優(yōu)選地，所述跨導(dǎo)放大器還包括：補償電容Cc和補償電阻Rc，其中，補償電容Cc和補償電阻Rc串聯(lián)，串聯(lián)后的電路一端與NMOS晶體管NM2的漏極相連，另一端與NMOS晶體管NM3的漏極相連。

優(yōu)選地，所述跨導(dǎo)放大器還包括負(fù)載電容CL，負(fù)載電容CL的一個極板連接在所述跨導(dǎo)放大器的輸出端Vo，另一個極板接地；所述負(fù)載電容CL用于調(diào)節(jié)所述跨導(dǎo)放大器的帶寬。

優(yōu)選地，所述PMOS晶體管PM1和PM2工作在亞閾值區(qū)。

可以理解的是，PMOS輸入晶體管PM1和PM2設(shè)置為工作在亞閾值區(qū)，功耗極低，降低了整體電路的功耗，

優(yōu)選地，所述NMOS晶體管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5的結(jié)構(gòu)和型號相同，PMOS晶體管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5的結(jié)構(gòu)和型號相同。

優(yōu)選地，所述逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以例化為10bit/1.25kHz逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。其輸入信號為被放大Cin/Cf倍的，以共模電壓Vcm為中心的正弦波信號，經(jīng)過逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化、編碼，輸出標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制數(shù)字碼。

為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明的要義以及本發(fā)明的有益技術(shù)效果，特選取電源電壓為1.8V，輸入信號頻率為45Hz、幅度為600μV的正弦信號，時鐘頻率為1.25kHz輸入到本發(fā)明提供的這種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路進(jìn)行驗證。圖3為根據(jù)本發(fā)明提供的這種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路輸出信號的頻譜分析結(jié)果。如圖3所示，采用本發(fā)明提供的這種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路，對上述輸入信號經(jīng)過放大后，10bit/1.25kHz逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的頻譜分析結(jié)果顯示輸出信噪比在78dB以上，有效精度9.4bit，功耗僅有76微瓦，技術(shù)效果良好。

綜上所述，本發(fā)明提供的這種用于生理電勢信號檢測的模擬前端電路，具有以下優(yōu)點：(1)采用放大器以及逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，放大器通過內(nèi)置的反饋通路形成高通信號通路，消除了生理電勢信號中的直流失調(diào)電壓，解決了芯片外串聯(lián)隔直電容的問題，實現(xiàn)了電路的全集成；(2)通過在跨導(dǎo)放大器中使用工作在亞閾值區(qū)的輸入晶體管PM1和PM2，使得PM1、PM2具有很低的功耗，而其余晶體管又工作在飽和區(qū)，保證了電路的穩(wěn)定性；(3)通過在模擬前端中采用逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以在極低的功耗下對生理電勢信號直接進(jìn)行量化、編碼，輸出至數(shù)字信號處理平臺進(jìn)行處理；(4)整體模擬前端電路輸出信號精度達(dá)到78dB以上，在實現(xiàn)電路極低功耗的同時獲得了10bit以上的信噪比輸出，具有精度高、可靠性強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點，適用于生理電勢信號檢測芯片的應(yīng)用。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。術(shù)語“多個”指兩個或兩個以上，除非另有明確的限定。