CN110190816A - 一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器 - Google Patents

一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器，包括：输入电容Cin，放大器A，反馈电阻R以及反馈电容Cf；其中，所述放大器A包括第一级放大器A1和第二级放大器A2；所述输入电容Cin连接于输入端Vin和所述第一级放大器A1的输入端之间；所述反馈电阻R并联在所述第一级放大器A1的输入端和输出端之间；所述反馈电容Cf连接于所述第一级放大器A1的输入端和所述第二级放大器A2的输出端之间。本发明提供的低噪声放大器通过改变反馈电阻的连接方式，不仅极大地提升了放大器的滤波常数，实现了更低的高通截止频率，还有效的减少了所需反馈电容的大小，降低了功耗，同时还避免了反馈电阻自身的非线性对输出信号的影响。

Description

一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器。
背景技术
在移动互联网大浪潮下，可穿戴技术迅猛发展，可穿戴医疗设备应运而生。可穿戴医疗设备是可以直接穿戴在身上的便携式医疗或健康电子设备，在软件支持下感知、记录人体信息，并进行分析、调控、干预甚至治疗疾病或维护健康状态，其中，人体信息的准确收集是非常重要的，关乎到后续的分析治疗，因而采集人体信息的生物医学芯片成为可穿戴医疗设备的关键部分。在整体生物医学芯片中最关键、最重要的模块是模拟前端信号采集处理电路，它是连接人体、传感器、电路***的关键电路，也是人体信息到电路信号转化的桥梁，而模拟前端电路中的低噪声放大器决定了所获取信号的完整性、精确度、信噪比、失真等重要性能。
然而，由于低噪声放大器需要处理生物电极的直流失调电压、电源线50/60Hz工频干扰、人体运动伪影等干扰，使得其功耗非常大；加之人体生物信号非常微弱、频率极低、带宽窄，这就对低噪声放大器提出了更高的要求，同时，可穿戴医疗设备在缩小电路芯片的面积方面也至关重要，因此，设计一种低功耗、高性能、低成本的低噪声放大器对现代可穿戴医疗设备的发展有着重要意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器，包括：输入电容Cin，放大器A，反馈电阻R以及反馈电容Cf；其中，所述放大器A包括第一级放大器A1和第二级放大器A2；
所述输入电容Cin连接于输入端Vin和所述第一级放大器A1的输入端之间；
所述反馈电阻R并联在所述第一级放大器A1的输入端和输出端之间；
所述反馈电容Cf连接于所述第一级放大器A1的输入端和所述第二级放大器A2的输出端之间；
所述第二级放大器A2的输入端连接所述第一级放大器A1的输出端，所述第二级放大器A2的输出端连接输出端Vout。
在本发明的一个实施例中，所述输入电容Cin包括容值相同的第一输入电容Cinn和第二输入电容Cinp，所述反馈电阻R包括阻值相同的第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2，所述反馈电容Cf包括容值相同的第一反馈电容Cfn和第二反馈电容Cfp；其中，
所述第一输入电容Cinn连接于第一输入端Vinn和所述第一级放大器A1的同相输入端之间，所述第二输入电容Cinp连接于第二输入端Vinp和所述第一级放大器A1的反相输入端之间；
所述第一反馈电阻R1并联在所述第一级放大器A1的同相输入端和第二输出端Voutp1之间，所述第二反馈电阻R2并联在所述第一级放大器A1的反相输入端和第一输出端Voutn1之间；
所述第一反馈电容Cfn连接于所述第一级放大器A1的同相输入端和所述第二级放大器A2的第二输出端Voutp之间，所述第二反馈电容Cfp连接于所述第一级放大器A1的反相输入端和所述第二级放大器A2的第一输出端Voutn之间。
本发明的有益效果：
1、本发明通过改变反馈电阻的连接方式，在反馈电容容值不变的情况下，极大的提升了放大器的滤波常数，实现了更低的高通截止频率；使用更小的反馈电容，能够有效节省电路面积，减小芯片尺寸；
2、本发明通过改变反馈电阻的连接方式，有效的消除了电极失调和放大器内部失调造成的影响；
3、本发明通过改变反馈电阻的连接方式，提升了电路输出信号的线性度；
4、本发明能够在0.5V电源电压条件下工作，在不需要额外偏置电路的情况下，设置输入级直流工作点，节省了***的功耗。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器的简化框图；
图2是本发明实施例提供的一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的传统的低噪声放大器的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的两种放大器产生的高通角位置；
图5为本发明实施例提供的两种放大器输出信号THD对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器的简化框图。
本发明提供的一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器，包括：输入电容Cin，放大器A，反馈电阻R以及反馈电容Cf；其中，放大器A包括第一级放大器A1和第二级放大器A2；
所述输入电容Cin连接于输入端Vin和所述第一级放大器A1的输入端之间；
所述反馈电阻R并联在所述第一级放大器A1的输入端和输出端之间；
所述反馈电容Cf连接于所述第一级放大器A1的输入端和所述第二级放大器A2的输出端之间；
所述第二级放大器A2的输入端连接所述第一级放大器A1的输出端，所述第二级放大器A2的输出端连接输出端Vout。
由于在获取生物信号过程中往往存在着直流电极失调(50mV)，而生物信号往往小于1mV，这会导致应用于生物信号的高增益放大器出现饱和，无法获取有用的生物信号。因此本发明采取电容耦合的方式获取输入信号，利用电容的特性，有效的滤除了输入信号的直流分量，避免了直流电极失调对放大器的干扰。生物信号经输入电容Cin的耦合，输入至第一级放大器。
在本实施例中，放大器A为晶体管构成的常见的两级放大器。而晶体管构成的放大器要做到不失真地将信号电压放大，就应该通过偏置电路设置它的工作点。
传统的偏置方式有两种，第一种为反馈电阻直接连接在放大器的输入节点和输出节点，这样产生的滤波常数为R*C，其中R为反馈电阻值，C为反馈电容的容值。第二种为反馈电阻一端连接在放大器的输入节点，另一端直接连接Vcm共模电平，这样产生的滤波常数为R*C*Av，其中Av为放大器开环增益，这种偏置电路虽然将滤波常数增大了Av倍，但是放大器输入管的任何轻微失调都会导致放大器输出饱和，造成放大器失效。
在本实施例中，反馈电阻R并联在第一级放大器A1的输入端和输出端之间，从第一级放大器输出节点V2获取放大器输入管所需的偏置电压，避免了额外设置偏置电路，，节省了***的功耗。采用本发明这种连接方式产生的滤波常数为R*C*Av1，其中，R为反馈电阻的阻值，C为反馈电容Cf的容值，Av1为放大器的第一级开环增益。
由于生物信号频率低，幅度小，必须保证高通截止频率在1Hz以下，这样就需要放大器具有非常大的滤波常数。为了实现超大的滤波常数，则需要使用到具有超大阻值的电阻。在本实施例中，反馈电阻为具有超大阻值的伪电阻，可以由按照二极管方式连接的PMOS管构成，其实际阻抗约为100GΩ，这样就可以保证低频的生物信号能够被采集到，同时消除直流电极失调造成的影响。
本实施例采用反馈电容的方式设置增益，采用超大阻值的反馈电阻来设置直流工作点，并通过本发明这种方式连接，不但减少了外部偏置电路的使用，有效的降低了功耗，缩小了电路芯片的面积；还实现了超大滤波常数，更低的高通截止频率，并有效消除了放大器输入管失配造成的影响。
按照传统的连接方式，超大阻值的伪电阻在输出端连接，由于自身的非线性，会降低输出信号的线性度。
在本实施例中，将反馈电阻连接在放大器的输入端口和第一级放大器的输出端口，让经过反馈电阻的信号幅度更小，提升了放大器输出信号的线性度。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器的结构示意图。其中，Vinp、Vinn为放大器的双端输入信号，Cinn和Cinp为相同规格的第一输入电容和第二输入电容，Cfn和Cfp为规格相同的第一反馈电容和第二反馈电容，R1和R2为反馈支路上的规格相同的第一反馈电阻和第二反馈电阻，Voutn1和Voutp1分别为第一级放大器A1的两个输出。Voutn和Voutp为分别为第二级放大器的输出。ST1和ST2为本发明所采用的两级放大器。
双端输入信号端Vinn和Vinp分别通过输入电容Cinn和Cinp与第一级放大器的同相输入端和反向输入端连接。
反馈电阻R1并联在第一级放大器的同相输入端和输出负端Voutp1之间，构成一条负反馈支路；反馈电阻R2并联在第一级放大器的反相输入端和输出正端Voutn1之间，构成第二条负反馈支路。
反馈电容Cfn并联在第一级放大器的同相输入端和第二级放大器的输出负端Voutp之间，构成第三条反馈支路；反馈电容Cfp并联在第一级放大器的反相输入端和第二级放大器的输出正端Voutn之间，构成第四条反馈支路。
在本实施例中，输入的差分信号Vinn与Vinp分别通过输入电容Cinn与Cinp耦合到放大器的输入端。通过放大器时，由Cin与Cf的比值，设置精确增益，利用Cf与反馈电阻R设置整体通路的高通截止频率，最终实现对带宽内的有用信号进行放大，并且滤除会导致放大器饱和的直流电极失调信号。
实施例二
为使本发明的上述优点能够更加明显易懂，下面结合传统的低噪声放大器对本发明的效果做对比分析说明。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的传统的低噪声放大器的结构示意图。
在本实施例中，设置输入电容Cin和反馈电容Cf分别为10pF和100fF，反馈电阻使用由PMOS管连接组成得超大阻值的伪电阻，其实际阻抗约为100GΩ，使用同样的伪电阻对采取传统偏置方式的低噪声放大器和本发明提供的新型偏置方式的低噪声放大器进行仿真实验对比。
请参见图4，图4为本发明实施例提供的两种放大器产生的高通角(即高通截止频率)位置。从图中可以看到，仅仅通过更改伪电阻的连接方式，就将高通角位置由586mHz降低到了10mHz。
除此之外，连接方式的改变也大幅度的提升了输出信号的THD(谐波失真)。请参见图5，图5为本发明实施例提供的两种放大器输出信号的THD对比图。传统方式中伪电阻与信号直接相连，输出信号的变化会导致伪电阻阻值发生变化，以致高通角位置变化，从而降低了低频处信号的THD。本发明提出的连接方式，将伪电阻与第一级输出点相连，在保证能够消除放大器自身失调的基础上，最大程度的减少了伪电阻对输出信号的影响。
本发明提供的一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器通过改变反馈电阻的连接方式，不仅极大地提升了放大器的滤波常数，实现了更低的高通截止频率，还有效的减少了所需反馈电容的大小，降低了功耗，同时还避免了反馈电阻自身的非线性对输出信号的影响。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种应用于生物电势处理的自反馈低噪声放大器，其特征在于，包括：输入电容Cin，放大器A，反馈电阻R以及反馈电容Cf；其中，所述放大器A包括第一级放大器A1和第二级放大器A2；
所述输入电容Cin连接于输入端Vin和所述第一级放大器A1的输入端之间；
所述反馈电阻R并联在所述第一级放大器A1的输入端和输出端之间；
所述反馈电容Cf连接于所述第一级放大器A1的输入端和所述第二级放大器A2的输出端之间；
所述第二级放大器A2的输入端连接所述第一级放大器A1的输出端，所述第二级放大器A2的输出端连接输出端Vout。
2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述输入电容Cin包括容值相同的第一输入电容Cinn和第二输入电容Cinp，所述反馈电阻R包括阻值相同的第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2，所述反馈电容Cf包括容值相同的第一反馈电容Cfn和第二反馈电容Cfp；其中，
所述第一输入电容Cinn连接于第一输入端Vinn和所述第一级放大器A1的同相输入端之间，所述第二输入电容Cinp连接于第二输入端Vinp和所述第一级放大器A1的反相输入端之间；
所述第一反馈电阻R1并联在所述第一级放大器A1的同相输入端和所述第一级放大器A1的第二输出端Voutp1之间，所述第二反馈电阻R2并联在所述第一级放大器A1的反相输入端和所述第一级放大器A1的第一输出端Voutn1之间；
所述第一反馈电容Cfn连接于所述第一级放大器A1的同相输入端和所述第二级放大器A2的第二输出端Voutp之间，所述第二反馈电容Cfp连接于所述第一级放大器A1的反相输入端和所述第二级放大器A2的第一输出端Voutn之间。
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