一種高信噪比微弱信號(hào)的采集電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明適用微弱信號(hào)采集領(lǐng)域，提供一種高信噪比微弱信號(hào)的采集電路，包括全差分放大模塊、雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊、低通濾波模塊、后級(jí)放大模塊、右腿驅(qū)動(dòng)模塊及信號(hào)采集電極，信號(hào)采集電極的輸出端連接全差分放大模塊的輸入端，全差分放大模塊的輸出端連接雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊的輸入端，雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊的輸出端連接低通濾波模塊的輸入端，低通濾波模塊的輸出端連接后級(jí)放大模塊的輸入端，后級(jí)放大模塊的輸出端輸出處理后的采集信號(hào)，右腿驅(qū)動(dòng)模塊的檢測(cè)端檢測(cè)全差分放大模塊的輸入端采集的微弱信號(hào)的共模電壓并經(jīng)右腿驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端反饋回人體。采用高集成高精度芯片實(shí)現(xiàn)高通濾波，去除極化電壓限制，提高微弱信號(hào)采集的信噪比、降低功耗。
【專利說明】—種高信噪比微弱信號(hào)的采集電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微弱信號(hào)采集領(lǐng)域，尤其涉及一種高信噪比微弱信號(hào)的采集電路。
【背景技術(shù)】
[0002]移動(dòng)健康，個(gè)人便攜式監(jiān)護(hù)醫(yī)療是我國(guó)以后醫(yī)療衛(wèi)生體系中的重要組成部分之
一。能夠連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)護(hù)個(gè)人，能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)被監(jiān)護(hù)人的突發(fā)病情或不正常生理狀況，將是以后醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)發(fā)展的重要需求之一。這種應(yīng)用的實(shí)時(shí)性和普適性要求，需要一套新型監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，必須具備高精度，小型化，集成化，低功耗的特點(diǎn)。
[0003]目前人體一些微弱信號(hào)的采集，例如人體心電信號(hào)，腦電信號(hào)，主要還是采用傳統(tǒng)的儀表放大結(jié)構(gòu)，通過搭建板級(jí)電路實(shí)現(xiàn)，由于輸入信號(hào)直流極化壓差的存在，儀表放大器結(jié)構(gòu)的放大倍數(shù)受限，導(dǎo)致整體采集電路信噪比受限制，同時(shí)占用較大的面積，目前市場(chǎng)上所有主流的醫(yī)療設(shè)備中，都采用這種方式，如圖1所示；近年來出現(xiàn)將該儀表放大結(jié)構(gòu)進(jìn)行芯片集成化，提高電路的集成化，如亞德諾半導(dǎo)體公司(ADI)推出的AD8232芯片，但儀表放大結(jié)構(gòu)的放大倍數(shù)受限問題仍然存在。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)微弱信號(hào)采集存在以下缺陷:
[0005](I)目前主流的傳統(tǒng)采集方式在第一級(jí)放大結(jié)構(gòu)上都是采用儀表放大結(jié)構(gòu)，由于極化電壓的限制，因此這級(jí)放大結(jié)構(gòu)的放大增益必須較小，在傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中該放大增益一般最大為4倍，否則會(huì)超過電路的輸出擺幅導(dǎo)致電路飽和；而第一級(jí)放大增益小會(huì)導(dǎo)致整個(gè)采集電路結(jié)構(gòu)信噪比較??；同時(shí)傳統(tǒng)的采集方式是通過離散元器件搭建信號(hào)采集系統(tǒng)，消耗較大的面積和功耗；
[0006](2)已有的少數(shù)芯片，如TI的ADS1298、亞德諾半導(dǎo)體(ADI)的AD8232，通過集成電路方式實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)采集，但由于極化電壓的限制而導(dǎo)致第一級(jí)放大結(jié)構(gòu)的放大增益必須很小的問題仍然存在，信噪比較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種集成高通濾波功能的全差分放大器取代傳統(tǒng)心電采集電路中的儀表放大結(jié)構(gòu)，適用于解決采集低頻率小信號(hào)時(shí)由于極化壓差而導(dǎo)致放大電路的放大倍數(shù)受限的問題，有效提高整體采集電路的信噪比。
[0008]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種高信噪比微弱信號(hào)的采集電路，所述采集電路包括全差分放大模塊、雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊、低通濾波模塊、后級(jí)放大模塊、右腿驅(qū)動(dòng)模塊及信號(hào)采集電極，所述信號(hào)采集電極的輸出端連接所述全差分放大模塊的輸入端，所述全差分放大模塊的輸出端連接所述雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊的輸入端，所述雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊的輸出端連接所述低通濾波模塊的輸入端，所述低通濾波模塊的輸出端連接所述后級(jí)放大模塊的輸入端，所述后級(jí)放大模塊的輸出端輸出處理后的心電采集信號(hào)，所述右腿驅(qū)動(dòng)模塊的檢測(cè)端檢測(cè)所述全差分放大模塊的輸入端采集的心電信號(hào)的共模電壓并經(jīng)所述右腿驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端反饋回人體。[0009]本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述全差分放大模塊包括第一濾波模塊、第二濾波模塊、比例放大模塊，所述第一濾波模塊的輸出端連接所述比例放大模塊的輸入端，所述第二濾波模塊的輸出端連接所述比例放大器的輸入端，所述第一濾波模塊、第二濾波模塊的結(jié)構(gòu)相同，其包括小電流偏置電路及濾波電路，所述小電流偏置電路的輸出端連接所述濾波電路的輸入端。
[0010]本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述小電流偏置電路包括電流源Ibg、M0S管M1、M0S管 M2、MOS 管 M3、MOS 管 M4、MOS 管 MC1、MOS 管 MC2、MOS 管 MC3 及 MOS 管 MC4，所述電流源Ibg 一端分別連接所述MOS管Ml的漏極、柵極及MOS管M2的柵極，所述MOS管Ml、MOS管M2,MOS管M3及MOS管M4的源極相連，所述MOS管M3的柵極、漏極及MOS管M4的柵極分別連接所述MOS管MC4的漏極，所述MOS管MC4的源極連接所述MOS管MC3的漏極，所述MOS管MC4的柵極分別連接所述MOS管MC3的柵極及MOS管MC2的柵極，所述MOS管MC2的柵極、漏極分別連接所述MOS管M2的漏極，所述MOS管MCl的柵極、漏極分別連接所述MOS管M2的漏極，所述MOS管MC1、MOS管MC2及MOS管MC3的源極接地，所述電流源Ibg的另一端接地。
[0011]本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述濾波電路包括MOS管MA、MOS管MB及電容C2，所述MOS管MA的柵極及MOS管MB的柵極、漏極分別連接所述MOS管M4的漏極，所述MOS管MA的源極與MOS管MB的源極相連，所述電容C2與所述MOS管MA的漏極至源極并聯(lián)。
[0012]本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述MOS管M1、M0S管M2、MOS管M3、MOS管M4、M0S管 MC1、MOS 管 MC2、MOS 管 MC3、MOS 管 MC4、MOS 管 MA 及 MOS 管 MB 均采用 P-MOS。
[0013]本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述比例放大模塊包括雙端輸入雙端輸出的全差分放大器0ΤΑ、兩個(gè)電容Cl、兩個(gè)電容C2，所述全差分放大器OTA的正輸入端連接其中一個(gè)所述電容Cl的一端，其中一個(gè)所述電容C2與所述全差分放大器OTA的正輸入端至負(fù)輸出端并聯(lián)，所述全差分放大器OTA的負(fù)輸入端連接其中另一個(gè)電容Cl的一端，其中另一個(gè)所述電容C2與所述全差分放大器OTA的負(fù)輸入端至正輸出端并聯(lián)，所述全差分放大器OTA與四個(gè)電容構(gòu)成電容比例放大電路實(shí)現(xiàn)增益Av的放大。
[0014]本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4及雙輸入單輸出的放大器Al，所述放大器Al的A端連接所述電阻R2的一端，所述電阻Rl的一端分別連接所述電阻R3及放大器Al的B端，所述電阻R4與所述放大器Al的A端至C端并聯(lián)。
[0015]本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述低通濾波模塊包括跨導(dǎo)放大器Gml、跨導(dǎo)放大器Gm2、跨導(dǎo)放大器Gm3、電容Cl及電容C2，所述電容Cl的一端分別連接所述跨導(dǎo)放大器Gml的C端、跨導(dǎo)放大器Gm2的C端，所述跨導(dǎo)放大器Gm3的A端分別連接所述跨導(dǎo)放大器Gm2的A端及跨導(dǎo)放大器Gml的C端，所述跨導(dǎo)放大器Gm3的B端和C端分別連接所述電容C2的一端；或者所述低通濾波模塊包括電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電容C4、電容C5及放大器AS，所述電阻Rll的一端分別連接所述電阻R12的一端及電容C5的一端，所述電阻R12的另一端分別連接電容C4的一端及放大器AS的A端，所述電容C5的另一端連接所述放大器AS的C端，所述放大器AS的B端分別連接電阻R13及電阻R14，所述電阻R14的另一端連接所述放大器AS的C端。
[0016]本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述后級(jí)放大模塊包括放大器A2、電阻R5及電阻R6，所述放大器A2的A端連接所述電阻R5的一端，所述放大器A2的A端至C端與所述電阻R6并聯(lián)。
[0017]本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述右腿驅(qū)動(dòng)模塊包括放大器A3、放大器A4、放大器A5、放大器A6、預(yù)放大器A7、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻RlO電阻Rf及電容C3，所述電阻RlO與所述電容C3串聯(lián)后與所述電阻Rf并聯(lián)之后與所述放大器A6的A端至C端并聯(lián)，所述放大器A6的A端還連接所述電阻R7的一端，所述電阻R7的另一端分別連接所述放大器A5的C端和B端，所述放大器A5的A端分別連接所述電阻R8及電阻R9的一端，所述預(yù)放大器A7的A端分別連接所述電阻R8的另一端及放大器A3的B端和C端，所述預(yù)放大器A7的B端分別連接所述電阻R9的另一端及放大器A4的B端和C端。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:采用高精度集成全差分放大器芯片取代傳統(tǒng)的儀表搭建構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，使得信號(hào)采集電路高度集成化、小型化得到提高，縮小了儀器的整體體積；預(yù)放大模塊采用更精確比例的電容放大結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更高的共模抑制比；采用高集成高精度芯片實(shí)現(xiàn)高通濾波，去除極化電壓的限制，提高微弱信號(hào)采集的信噪比、降低儀器設(shè)備功耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是傳統(tǒng)心電采集電路原理結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的高信噪比的微弱信號(hào)采集電路原理結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的集成高通濾波功能的全差分放大模塊原理結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的雙端輸出轉(zhuǎn)單端電路原理框圖；
[0023]圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的低通濾波電路原理結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的后級(jí)放大模塊原理結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的右腿驅(qū)動(dòng)模塊原理結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的幅度頻率響應(yīng)圖；
[0027]圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的輸入為正弦時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)；
[0028]圖10是本發(fā)明實(shí)施例提供的But terwor th結(jié)構(gòu)二階有源低通濾波結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖11是本發(fā)明實(shí)施例提供的偏置小電流電路結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]附圖標(biāo)記:10-全差分放大模塊20-雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊30-低通濾波模塊40-后級(jí)放大模塊50-右腿驅(qū)動(dòng)模塊60-信號(hào)米集電極
[0031]圖2示出了本發(fā)明提供的高信噪比微弱信號(hào)的采集電路，所述采集電路包括全差分放大模塊10、雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊20、低通濾波模塊30、后級(jí)放大模塊40、右腿驅(qū)動(dòng)模塊50及信號(hào)采集電極60，所述信號(hào)采集電極60的輸出端連接所述全差分放大模塊10的輸入端，所述全差分放大模塊10的輸出端連接所述雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊20的輸入端，所述雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊20的輸出端連接所述低通濾波模塊30的輸入端，所述低通濾波模塊30的輸出端連接所述后級(jí)放大模塊40的輸入端，所述后級(jí)放大模塊40的輸出端輸出處理后的心電采集信號(hào)，所述右腿驅(qū)動(dòng)模塊50的檢測(cè)端檢測(cè)所述全差分放大模塊10的輸入端采集的心電信號(hào)的共模電壓并經(jīng)所述右腿驅(qū)動(dòng)模塊50的輸出端反饋回人體。信號(hào)采集電極60采集信號(hào)傳輸進(jìn)入全差分放大模塊10，經(jīng)全差分放大模塊10對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)進(jìn)行超低截止頻率的高通濾波能夠；在經(jīng)過全差分放大模塊10處理后的信號(hào)通過雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊后轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào)輸出給低通濾波模塊；經(jīng)低通濾波模塊30 二次濾波后的信號(hào)進(jìn)入后級(jí)放大模塊40對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大后輸出；右腿驅(qū)動(dòng)模塊50對(duì)全差分放大模塊10兩個(gè)輸入端采集到的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)共模電壓并反饋回人體，降低整體電路的共模干擾。采用高精度集成全差分放大器芯片取代傳統(tǒng)的儀表搭建構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，使得信號(hào)采集電路高度集成化、小型化得到提高，縮小了儀器的整體體積；預(yù)放大模塊采用更精確比例的電容放大結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更高的共模抑制比；采用高集成高精度芯片實(shí)現(xiàn)高通濾波，去除極化電壓的限制，提高微弱信號(hào)采集的信噪比、降低儀器設(shè)備功耗。
[0032]如圖3所示，所述全差分放大模塊10包括第一濾波模塊、第二濾波模塊、比例放大模塊，所述第一濾波模塊的輸出端連接所述比例放大模塊的輸入端，所述第二濾波模塊的輸出端連接所述比例放大器的輸入端，所述第一濾波模塊、第二濾波模塊的結(jié)構(gòu)相同，其包括小電流偏置電路及濾波電路，所述小電流偏置電路的輸出端連接所述濾波電路的輸入端。
[0033]全差分放大模塊由高增益，低功耗，低噪聲的雙端輸入雙端輸出的全差分跨導(dǎo)放大器(OTA:operat ional t ransconductance amplifier),電容，小電流偏置電路組成，整個(gè)電路具有對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。該放大電路的傳遞函數(shù)如式(I):
【權(quán)利要求】
1.一種高信噪比微弱信號(hào)的采集電路，其特征在于，所述采集電路包括全差分放大模塊、雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊、低通濾波模塊、后級(jí)放大模塊、右腿驅(qū)動(dòng)模塊及信號(hào)采集電極，所述信號(hào)采集電極的輸出端連接所述全差分放大模塊的輸入端，所述全差分放大模塊的輸出端連接所述雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊的輸入端，所述雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊的輸出端連接所述低通濾波模塊的輸入端，所述低通濾波模塊的輸出端連接所述后級(jí)放大模塊的輸入端，所述后級(jí)放大模塊的輸出端輸出處理后的心電采集信號(hào)，所述右腿驅(qū)動(dòng)模塊的檢測(cè)端檢測(cè)所述全差分放大模塊的輸入端采集的心電信號(hào)的共模電壓并經(jīng)所述右腿驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端反饋回人體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采集電路，其特征在于，所述全差分放大模塊包括第一濾波模塊、第二濾波模塊、比例放大模塊，所述第一濾波模塊的輸出端連接所述比例放大模塊的輸入端，所述第二濾波模塊的輸出端連接所述比例放大器的輸入端，所述第一濾波模塊、第二濾波模塊結(jié)構(gòu)相同，其包括小電流偏置電路及濾波電路，所述小電流偏置電路的輸出端連接所述濾波電路的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采集電路，其特征在于，所述小電流偏置電路包括電流源Ibg, MOS 管 Ml、MOS 管 M2、MOS 管 M3、MOS 管 M4、MOS 管 MC1、MOS 管 MC2、MOS 管 MC3 及 MOS管MC4，所述電流源Ibg—端分別連接所述MOS管Ml的漏極、柵極及MOS管M2的柵極，所述MOS管Ml、MOS管M2、MOS管M3及MOS管M4的源極相連，所述MOS管M3的柵極、漏極及MOS管M4的柵極分別連接所述MOS管MC4的漏極，所述MOS管MC4的源極連接所述MOS管MC3的漏極，所述MOS管MC4的柵極分別連接所述MOS管MC3的柵極及MOS管MC2的柵極，所述MOS管MC2的柵極、漏極分別連接所述MOS管M2的漏極，所述MOS管MCl的柵極、漏極分別連接所述MOS管M2的漏極，所述MOS管MC1、MOS管MC2及MOS管MC3的源極接地，所述電流源Ibg的另一端接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求 3所述的采集電路，其特征在于，所述濾波電路包括MOS管MA、M0S管MB及電容C2，所述MOS管MA的柵極及MOS管MB的柵極、漏極分別連接所述MOS管M4的漏極，所述MOS管MA的源極與MOS管MB的源極相連，所述電容C2與所述MOS管MA的漏極至源極并聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采集電路，其特征在于，所述MOS管M1、M0S管M2、M0S管M3、MOS 管 M4、MOS 管 MCl、MOS 管 MC2、MOS 管 MC3、MOS 管 MC4、MOS 管 MA 及 MOS 管 MB 均采用P-MOS。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采集電路，其特征在于，所述比例放大模塊包括雙端輸入雙端輸出的全差分放大器0ΤΑ、兩個(gè)電容Cl、兩個(gè)電容C2，所述全差分放大器OTA的正輸入端連接其中一個(gè)所述電容Cl的一端，其中一個(gè)所述電容C2與所述全差分放大器OTA的正輸入端至負(fù)輸出端并聯(lián)，所述全差分放大器OTA的負(fù)輸入端連接其中另一個(gè)電容Cl的一端，其中另一個(gè)所述電容C2與所述全差分放大器OTA的負(fù)輸入端至正輸出端并聯(lián)，所述全差分放大器OTA與四個(gè)電容構(gòu)成電容比例放大電路實(shí)現(xiàn)增益Av的放大。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的采集電路，其特征在于，所述雙端轉(zhuǎn)單端放大模塊包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4及雙輸入單輸出的放大器Al,所述放大器Al的A端連接所述電阻R2的一端，所述電阻Rl的一端分別連接所述電阻R3及放大器Al的B端，所述電阻R4與所述放大器Al的A端至C端并聯(lián)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采集電路，其特征在于，所述低通濾波模塊包括跨導(dǎo)放大器Gml、跨導(dǎo)放大器Gm2、跨導(dǎo)放大器Gm3、電容Cl及電容C2，所述電容Cl的一端分別連接所述跨導(dǎo)放大器Gml的C端、跨導(dǎo)放大器Gm2的C端，所述跨導(dǎo)放大器Gm3的A端分別連接所述跨導(dǎo)放大器Gm2的A端及跨導(dǎo)放大器Gml的C端，所述跨導(dǎo)放大器Gm3的B端和C端分別連接所述電容C2的一端；或者所述低通濾波模塊包括電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻RH、電容C4、電容C5及放大器AS，所述電阻Rll的一端分別連接所述電阻R12的一端及電容C5的一端，所述電阻R12的另一端分別連接電容C4的一端及放大器AS的A端，所述電容C5的另一端連接所述放大器AS的C端，所述放大器AS的B端分別連接電阻R13及電阻R14,所述電阻R14的另一端連接所述放大器AS的C端。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的采集電路，其特征在于，所述后級(jí)放大模塊包括放大器A2、電阻R5及電阻R6，所述放大器A2的A端連接所述電阻R5的一端，所述放大器A2的A端至C端與所述電阻R6并聯(lián)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的采集電路，其特征在于，所述右腿驅(qū)動(dòng)模塊包括放大器A3、放大器A 4、放大器A5、放大器A6、預(yù)放大器A7、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻RlO電阻Rf及電容C3，所述電阻RlO與所述電容C3串聯(lián)后與所述電阻Rf并聯(lián)之后與所述放大器A6的A端至C端并聯(lián)，所述放大器A6的A端還連接所述電阻R7的一端，所述電阻R7的另一端分別連接所述放大器A5的C端和B端，所述放大器A5的A端分別連接所述電阻R8及電阻R9的一端，所述預(yù)放大器A7的A端分別連接所述電阻R8的另一端及放大器A3的B端和C端，所述預(yù)放大器A7的B端分別連接所述電阻R9的另一端及放大器A4的B端和C端。
【文檔編號(hào)】A61B5/0428GK104000584SQ201410240170
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】程亞宇 申請(qǐng)人:深圳貝特萊電子科技有限公司