一種應用于人體生理信號的低通濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應用于人體生理信號的低通濾波器；包括一個濾波單元或多個依次串聯(lián)連接的濾波單元，濾波單元包括運算放大電路，電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容C1、電容C2和電容C3；電阻R1的一端用于連接人體生理信號，電阻R1的另一端通過依次串聯(lián)的電阻R3和電阻R4連接至運算放大電路的反向輸入端；運算放大電路的輸出端用于輸出小于10HZ的低頻人體生理信號。本發(fā)明采用全模擬電路實現(xiàn)對采集到的人體生理信號的低通濾波。本發(fā)明的基本模塊是一個三階有源低通濾波器，在運用中，根據(jù)電路精度、功耗等參數(shù)的要求，有三階，六階，九階和更高階濾波電路可供選擇，根據(jù)信號頻率的不同，調節(jié)電路中的電阻和電容的大小濾出所需頻段的信號。
【專利說明】
一種應用于人體生理信號的低通濾波器
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于模擬集成電路實現(xiàn)領域，更具體地，是應用于人體生理信號的低通濾波器。【背景技術】
[0002]低通濾波電路在可穿戴設備中占有十分重要的位置，而可穿戴設備逐漸成為人們生活中的必備品。低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過，但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。低通濾波器有很多種，其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器，巴特沃斯濾波器原則是帶內(nèi)帶外最佳平穩(wěn)，但是低階的過渡帶比較寬，切比雪夫濾波器原則是過度帶可以很窄，但是帶內(nèi)帶外幅頻震蕩比較嚴重，由于人體生理信號比較微弱，所以在處理這類信號時一般會選擇前者。除此之外，在可穿戴設備上無源濾波器也時常被采用。
[0003]目前，濾波器分為無源濾波器和有源濾波器，在可穿戴設備上，有很多采用無源濾波器，而無源濾波器包括RC濾波器和RL濾波器，首先它們相對于有源濾波器來說，集成度較差，由于可穿戴設備對面積和體積的要求，它們不適合在可穿戴設備上使用，而有源濾波器集成度較高，可以將面積最小化，同時又能達到想要的濾波效果。其次，信號經(jīng)過無源濾波器后會有一定程度的衰減或者失真，而人體生理信號本身就比較微弱，如果濾波后有失真或者衰減，會嚴重影響人的判斷。而信號通過有源濾波器后衰減或失真會比經(jīng)過無源濾波器后小得多。[〇〇〇4]而在有源濾波器方面，在實際使用時，我們一般會采用較高階的低通濾波器來達到較好的濾波效果，這樣就會帶來功耗大和占用面積大的問題，這就不利于在可穿戴設備上使用。本發(fā)明實現(xiàn)了基本模塊三階有源低通濾波器，在實現(xiàn)較好濾波效果的同時減少了電路。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種應用于人體生理信號的低通濾波器，旨在解決在可穿戴設備上對于采集到的人體生理信號的低通濾波后信噪比低的問題。
[0006]本發(fā)明提供了一種應用于人體生理信號的低通濾波器，包括一個濾波單元或多個依次串聯(lián)連接的濾波單元，所述濾波單元包括運算放大電路A1，電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容C1、電容C2和電容C3;電阻R1的一端用于連接人體生理信號，電阻R1的另一端通過依次串聯(lián)的電阻R3和電阻R4連接至所述運算放大電路A1的反向輸入端；電阻R1的另一端還通過電阻R2連接至運算放大電路A1的輸出端；電阻R1的另一端還通過電容C1接地；電容 C2的一端連接至電阻R3與電阻R4的串聯(lián)連接端，電容C2的另一端連接至運算放大電路A1的輸出端；電容C3的一端連接至運算放大電路A1的反向輸入端，電容C3的另一端連接至運算放大電路A1的輸出端;運算放大電路A1的正向輸入端接地;運算放大電路A1的輸出端用于輸出小于1OHZ的低頻人體生理信號。
[0007]更進一步地，運算放大電路A1包括:偏置模塊、補償模塊、第一放大模塊和第二放大模塊;第一放大模塊的輸入端作為運算放大電路A1的正相輸入端和反相輸入端，所述第一放大模塊的控制端連接至所述偏置模塊的輸出端，第二放大模塊的第一輸入端連接至所述偏置模塊的輸出端，第二放大模塊的第二輸入端連接至所述第一放大模塊的輸出端，第二放大模塊的輸出端作為運算放大電路A1的輸出端;補償模塊的輸入端連接至第一放大模塊的輸出端，補償模塊的輸出端連接至所述第二放大模塊的輸出端;偏置模塊用于給第一放大模塊和第二放大模塊提供偏置電壓使得第一放大模塊和第二放大模塊正常工作;第一放大模塊用于對人體生理信號進行放大;第二放大模塊用于對經(jīng)過第一放大模塊放大后的人體生理信號再進行放大;補償模塊用于對經(jīng)過第一放大模塊放大后的人體生理信號進行補償使得其不失真。
[0008]更進一步地，所述偏置模塊包括:第六晶體管M6，第七晶體管M7，第八晶體管M8，第九晶體管M9,第十晶體管M10,第十一晶體管Mil和電阻R0;電阻R0—端接地，另一端與所述第六晶體管源級連接;第六晶體管M6的漏極與第八晶體管M8的源級連接，第六晶體管的柵極與所述第七晶體管M7的柵極連接;第七晶體管M7的源級接地，第七晶體管M7的漏極與第九晶體管M9的源級連接，第七晶體管M7的柵極和其漏極連接;第八晶體管M8的柵極與第九晶體管M9的柵極連接，第八晶體管M8的漏極與第十晶體管Ml 0的漏極連接;第九晶體管M9的漏極與第十一晶體管Mil的漏極連接，所述第九晶體管M9的柵極和其漏極連接;第十晶體管 Ml 0的源級連接電源VDD，第十晶體管Ml 0的柵極與所述第^^一晶體管Ml 1的柵極連接，第十晶體管M10的漏極和其柵極連接;第十一晶體管Mil的源級連接電源VDD;第十晶體管M10的柵極和第十一晶體管Mil的柵極連接后作為所述偏置模塊的輸出端。
[0009]更進一步地，第一放大模塊包括:第一晶體管Ml，第二晶體管M2，第三晶體管M3，第四晶體管M4和第五晶體管M5;第一晶體管Ml的漏極與所述第三晶體管M3的漏極連接，所述第一晶體管Ml的源級與所述第五晶體管M5的漏極連接;第二晶體管M2的漏極與所述第四晶體管M4的漏極連接，所述第二晶體管M2的源級與所述第五晶體管M5的漏極連接;第三晶體管M3的源級接地，第三晶體管M3的柵極與第四晶體管M4的柵極連接，第三晶體管M3的柵極與其漏極連接;第四晶體管M4的源級接地;第五晶體管M5的源級連接電源VDD;第一晶體管 Ml的柵極和第二晶體管M2的柵極作為第一放大模塊的輸入端，所述第五晶體管M5的柵極作為第一放大模塊的控制端，第二晶體管M2和所述第四晶體管M4的漏極連接后作為第一放大模塊的輸出端。
[0010]更進一步地，第二放大模塊包括第十二晶體管M12和第十三晶體管M13;第十二晶體管M12的源極連接電源VDD，第十二晶體管M12的柵極作為所述第二放大模塊的第一輸入端;第十三晶體管Ml 3的源極接地，所述第十三晶體管Ml 3的柵極作為所述第二放大模塊的第二輸入端;第十二晶體管M12的漏極與所述第十三晶體管M13的漏極連接后作為所述第二放大模塊的輸出端。
[0011]更進一步地，所述補償模塊包括電容C0,所述電容C0的一端作為所述補償模塊的輸入端，所述電容C0的另一端作為所述補償模塊的輸出端。[0〇12]更進一步地，所述第一晶體管Ml，第二晶體管M2,第五晶體管M5,第十晶體管M10， 第i^一晶體管Ml 1和第十二晶體管M12均為PM0S管;所述第三晶體管M3，第四晶體管M4，第六晶體管M6，第七晶體管M7，第八晶體管M8，第九晶體管M9和第十三晶體管Ml 3均為NMOS管。
[0013]通過本發(fā)明所構思的以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比，由于在實際運用中通常需要串接多個低階低通濾波器來實現(xiàn)高階濾波，本發(fā)明是三階有源低通濾波器，相對于其他低階來說，能夠取得面積較小，同時又能達到濾波要求的有益效果。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明實施例提供的應用于人體生理信號的低通濾波器的電路結構示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明實施例提供的應用于人體生理信號的低通濾波器中運算放大電路的原理框圖；
[0016]圖3是本發(fā)明實施例提供的應用于人體生理信號的低通濾波器中運算放大電路的具體電路圖；
[0017]圖4是本發(fā)明實施例提供的3n階低通濾波電路結構示意圖；
[0018]圖5是本發(fā)明實施例提供的三階到十二階低通濾波電路交流仿真輸出電壓信號圖；
[0019]圖6是本發(fā)明實施例提供的二階到十二階低通濾波電路信號取DB20后的圖。
【具體實施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0021]針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種精度高，穩(wěn)定性強的模擬集成低通濾波器，適用于處在較低頻段的人體生理信號(心電、腦電、血壓、脈搏、血氧等表征人體生理特征的信號)的濾波，且在芯片上的集成度高，占用面積小，可用于可穿戴設備上。
[0022]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種應用于人體生理信號的低通濾波電路，其基本模塊是一個三階有源低通濾波電路，該基本模塊是由Rl?R4，C1?C3和一個兩級放大器構成的。在實際應用中，放大器的增益越高，信號的失真越小?？筛鶕?jù)所需信號頻段的不同調節(jié)該基本模塊中的電阻和電容值來濾出所需頻段的信號，同時，也可根據(jù)整體電路參數(shù)的需求選擇三階、六階、九階或者更高階3n階濾波電路結構，階數(shù)越高，在通帶外信號衰減越快，在通帶內(nèi)信號衰減越小。3n階濾波電路結構即是將η個基本模塊即三階有源低通濾波電路串聯(lián)起來構成的。
[0023]本發(fā)明提供了一種應用于人體生理信號的低通濾波電路，可以濾出處于較低頻段的人體生理信號。
[0024]其基本模塊為一個三階有源低通濾波器，該基本模塊是由Rl?R4，Cl?C3和一個兩級放大器構成的。而上述兩級放大器包括一級差分放大器、一級共源極放大器，偏置電路和密勒補償電容。密勒補償電容通過對電路極點的調節(jié)使放大器更加穩(wěn)定。在運用中，可以通過調節(jié)各個MOS管的寬長比，使該放大器的增益盡量大，這樣可以保證信號通過該濾波器時信號的完整度更好，失真更小。電路連接如圖所示，Rl，R3，R4依次串連在放大器Al的負向輸入端，輸入信號Vin從Rl輸入，經(jīng)過RC網(wǎng)絡和放大器Al，輸出結點為D，R1與R3的連接點為A，R3與R4的連接點為B，R4與放大器Al負向輸入端的連接點為C，R2連接在A點與D點之間，Cl連接在A點與地之間，C2連接在B點與D點之間，C3連接在C點與D點之間。R1/R2是該三階有源低通濾波器的增益，根據(jù)實際情況，調節(jié)R1/R2的比值，實現(xiàn)信號的放大或縮小，R1/R2比值即為輸出電壓與輸入電壓的比值，Rl /R2比值越大，輸出電壓越大，反之則輸出電壓越小，以此來滿足與下級電路的連接。
[0025]如圖所示放大器Al的電路連接圖，第一級放大電路由第一晶體管Ml，第二晶體管M2，第三晶體管M3，第四晶體管M4，第五晶體管M5構成。第一晶體管Ml與第三晶體管M3串聯(lián)，第二晶體管M2與第四晶體管M4串聯(lián)，第一晶體管Ml的源極與第二晶體管M2的源極連接在一起，連接點為c，第二晶體管M2的漏極與第四晶體管M4的漏極連接點為e，第三晶體管M3的柵極和漏極連接在一起，第三晶體管M3和第四晶體管M4的源極分別接地，第五晶體管M5源極與VDD連接，連接點為a，其漏極與連接點c連接。第二級放大電路由第十二晶體管M12和第十三晶體管M13構成，第十二晶體管M12與第十三晶體管M13串聯(lián)在一起，第十二晶體管M12的漏極與第十三晶體管M13的漏極的連接點為d，第十二晶體管M12源極與連接點a連接，第十三晶體管M13的源極接地，第十三晶體管Ml 3的柵極與連接點e連接。電容CO是對電路進行密勒補償，其連接在連接點d和e之間。第六晶體管M6，第七晶體管M7，第八晶體管M8，第九晶體管M9，第十晶體管M10，第十一晶體管Mll和電阻RO構成了放大器Al的偏置產(chǎn)生電路。電阻RO，第六晶體管M6，第八晶體管M8，第十晶體管MlO依次串接在一起，RO連接在地和第六晶體管M6的源極之間，第七晶體管M7，第九晶體管M9，第^^一晶體管Ml I依次串接在一起，第十晶體管MlO的柵極和漏極連接在一起，第十晶體管MlO的源極和第^^一晶體管Ml I的源極與VDD連接，第十晶體管MlO的柵極和第^^一晶體管Ml I的柵極連接在一起，連接點為b，第九晶體管M9的柵極和漏極連接在一起，第七晶體管M7的柵極和漏極連接在一起，第七晶體管M7的源極接地。該偏置產(chǎn)生電路的連接點b與第五晶體管M5的柵極和第十二晶體管M12的柵極連接，對兩級放大電路提供偏置電壓。
[0026]該三階有源低通濾波器的截止頻率，可根據(jù)不同的截止頻率，再結合該三階有源低通濾波器的傳遞函數(shù)調節(jié)該基本模塊中1?1、1?3、1?4、(:1、02工3的值來濾出所需頻段的信號。同時，也可根據(jù)整體電路參數(shù)的需求選擇三階、六階、九階或者更高階3n階濾波電路結構，階數(shù)越高，在通帶外信號衰減越快，在通帶內(nèi)信號衰減越小。3n階濾波電路結構即是將η個基本模塊即三階有源低通濾波電路串聯(lián)起來構成的。
[0027]目前，濾波器分為無源濾波器和有源濾波器，在可穿戴設備上，有很多采用無源濾波器，而無源濾波器包括RC濾波器和RL濾波器，首先它們相對于有源濾波器來說，集成度較差，由于可穿戴設備對面積和體積的要求，它們不適合在可穿戴設備上使用，而有源濾波器集成度較高，可以將面積最小化，同時又能達到想要的濾波效果。其次，信號經(jīng)過無源濾波器后會有一定程度的衰減或者失真，而人體生理信號本身就比較微弱，如果濾波后有失真或者衰減，會嚴重影響人的判斷。而信號通過有源濾波器后衰減或失真會比經(jīng)過無源濾波器后小得多。
[0028]而在有源濾波器方面，在實際使用時，我們一般會采用較高階的低通濾波器來達到較好的濾波效果，這樣就會帶來功耗大和占用面積大的問題，這就不利于在可穿戴設備上使用。本發(fā)明實現(xiàn)了基本模塊三階有源低通濾波器，在實現(xiàn)較好濾波效果的同時減少了電路。
[0029]本發(fā)明實施例采用模擬電路實現(xiàn)了對人體生理信號的低通濾波。根據(jù)實際信號的頻率和電路的參數(shù)要求，選取合適的Rl，R2，R3，R4，Cl，C2，C3值和低通濾波器的階數(shù)。當原始信號輸入到濾波器后，輸出的信號就是所需頻段的信號。如圖5和圖6，是對上述三階、六階、九階和十二階低通濾波器的仿真，圖5是交流仿真輸出電壓信號隨頻率變化而變化的仿真圖。圖6是將圖5中的電壓信號取DB20后的圖，圖中voutl，Vout2，Vout3，Vout4分別代表三階、六階、九階和十二階低通濾波器的仿真圖。從圖中可以看出，在低頻范圍內(nèi)，電壓是很平坦的，隨著頻率的增大，電壓迅速衰減，且低通濾波器的階數(shù)越高，在通帶內(nèi)的衰減越小，在通帶外的衰減越快。
[0030]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種應用于人體生理信號的低通濾波器，其特征在于，包括一個濾波單元或多個依 次串聯(lián)連接的濾波單元，所述濾波單元包括運算放大電路A1，電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻 R4、電容C1、電容C2和電容C3;所述電阻R1的一端用于連接人體生理信號，所述電阻R1的另一端通過依次串聯(lián)的電阻 R3和電阻R4連接至所述運算放大電路A1的反向輸入端;所述電阻R1的另一端還通過所述電 阻R2連接至所述運算放大電路A1的輸出端;所述電阻R1的另一端還通過所述電容C1接地；所述電容C2的一端連接至所述電阻R3與所述電阻R4的串聯(lián)連接端，所述電容C2的另一 端連接至所述運算放大電路A1的輸出端；所述電容C3的一端連接至所述運算放大電路A1的反向輸入端，所述電容C3的另一端連 接至所述運算放大電路A1的輸出端；所述運算放大電路A1的正向輸入端接地;所述運算放大電路A1的輸出端用于輸出小于 10HZ的低頻人體生理信號。2.如權利要求1所述低通濾波器，其特征在于，所述運算放大電路A1包括:偏置模塊 (1)、補償模塊(3)、第一放大模塊(2)和第二放大模塊(4);所述第一放大模塊(2)的輸入端作為所述運算放大電路A1的正相輸入端和反相輸入 端，所述第一放大模塊(2)的控制端連接至所述偏置模塊(1)的輸出端，所述第二放大模塊 (4)的第一輸入端連接至所述偏置模塊(1)的輸出端，所述第二放大模塊(4)的第二輸入端 連接至所述第一放大模塊(2)的輸出端，所述第二放大模塊(4)的輸出端作為所述運算放大 電路A1的輸出端；所述補償模塊(3)的輸入端連接至所述第一放大模塊(2)的輸出端，所述補償模塊(3) 的輸出端連接至所述第二放大模塊(4)的輸出端；所述偏置模塊(1)用于給所述第一放大模塊(2)和所述第二放大模塊(4)提供偏置電壓 使得所述第一放大模塊(2)和所述第二放大模塊(4)正常工作；所述第一放大模塊(2)用于對所述人體生理信號進行放大；所述第二放大模塊(4)用于對經(jīng)過第一放大模塊(2)放大后的人體生理信號再進行放 大；所述補償模塊(3)用于對經(jīng)過第一放大模塊(2)放大后的人體生理信號進行補償使得其不失真。3.如權利要求2所述的低通濾波器，其特征在于，所述偏置模塊(1)包括:第六晶體管 M6，第七晶體管M7，第八晶體管M8，第九晶體管M9，第十晶體管M10，第^^一晶體管Ml 1和電阻 R0；所述電阻R0—端接地，另一端與所述第六晶體管源級連接；所述第六晶體管M6的漏極與所述第八晶體管M8的源級連接，所述第六晶體管的柵極與 所述第七晶體管M7的柵極連接；所述第七晶體管M7的源級接地，所述第七晶體管M7的漏極與第九晶體管M9的源級連 接，所述第七晶體管M7的柵極和其漏極連接；所述第八晶體管M8的柵極與第九晶體管M9的柵極連接，所述第八晶體管M8的漏極與所 述第十晶體管Ml 0的漏極連接；所述第九晶體管M9的漏極與所述第十一晶體管Mil的漏極連接，所述第九晶體管M9的柵極和其漏極連接；所述第十晶體管M10的源級連接電源VDD，所述第十晶體管M10的柵極與所述第十一晶 體管Ml 1的柵極連接，所述第十晶體管M10的漏極和其柵極連接；所述第十一晶體管Ml 1的源級連接電源VDD;所述第十晶體管M10的柵極和所述第十一晶體管Mil的柵極連接后作為所述偏置模塊 (1)的輸出端。4.如權利要求2或3所述的低通濾波器，其特征在于，所述第一放大模塊(2)包括:第一 晶體管Ml，第二晶體管M2，第三晶體管M3，第四晶體管M4和第五晶體管M5;所述第一晶體管Ml的漏極與所述第三晶體管M3的漏極連接，所述第一晶體管Ml的源級 與所述第五晶體管M5的漏極連接；所述第二晶體管M2的漏極與所述第四晶體管M4的漏極連接，所述第二晶體管M2的源級 與所述第五晶體管M5的漏極連接；所述第三晶體管M3的源級接地，所述第三晶體管M3的柵極與所述第四晶體管M4的柵極 連接，所述第三晶體管M3的柵極與其漏極連接；所述第四晶體管M4的源級接地；所述第五晶體管M5的源級連接電源VDD;所述第一晶體管Ml的柵極和所述第二晶體管M2的柵極作為所述第一放大模塊(2)的輸 入端，所述第五晶體管M5的柵極作為所述第一放大模塊(2)的控制端，所述第二晶體管M2和 所述第四晶體管M4的漏極連接后作為所述第一放大模塊(2)的輸出端。5.如權利要求2-4任一項所述的低通濾波器，其特征在于，所述第二放大模塊(4)包括 第十二晶體管M12和第十三晶體管M13;所述第十二晶體管M12的源極連接電源VDD，所述第十二晶體管M12的柵極作為所述第 二放大模塊(4)的第一輸入端；所述第十三晶體管M13的源極接地，所述第十三晶體管M13的柵極作為所述第二放大模 塊(4)的第二輸入端；所述第十二晶體管M12的漏極與所述第十三晶體管M13的漏極連接后作為所述第二放 大模塊(4)的輸出端。6.如權利要求2-5任一項所述的低通濾波器，其特征在于，所述補償模塊(3)包括電容 C0,所述電容C0的一端作為所述補償模塊(3)的輸入端，所述電容C0的另一端作為所述補償 模塊(3)的輸出端。7.如權利要求2-6任一項所述的低通濾波器，其特征在于，所述第一晶體管Ml，第二晶 體管M2,第五晶體管M5,第十晶體管M10,第^^一晶體管Mil和第十二晶體管M12均為PMOS管； 所述第三晶體管M3，第四晶體管M4，第六晶體管M6，第七晶體管M7，第八晶體管M8，第九晶體 管M9和第十三晶體管組3均為匪03管。
【文檔編號】H03H11/12GK105958965SQ201610269049
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】鄭朝霞, 鄒雪城, 玉冬, 劉謙, 張佳文, 鄭威, 吳旭峰
【申請人】華中科技大學