CN111448464A - 用于生物医学测量的电流传感器 - Google Patents

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Abstract

用于生物医学测量的电流传感器包括：第一放大器；第一电容器；第二电容器；第一开关，与该第一电容器并联；第二开关，与该第二电容器并联；第二放大器；第三电容器；电阻器；以及开关电容网络。该第一电容器与该第二电容器串联并跨联该第一放大器的第一输入和输出。该第三电容器和该电阻器分别跨联该第二放大器的第一输入和输出。该开关电容网络连接于该第一放大器的输出和该第二放大器的第一输入之间。

Description

用于生物医学测量的电流传感器
【技术领域】
本专利申请总体涉及电子电路，特别地涉及一种用于生物医学测量的电流传感器。
【背景技术】
在生物医学或电化学测量中，被测量的参数通常会跨越不同数量级地变化。此外，要测量的生物医学或电化学过程通常是高度非线性的。因此，这些测量要求测量电路，通常为电流检测电路或电流传感器，有尽可能宽的动态范围。生物医学或电化学测量本身的特性都要求测量电路时基本上是低噪声的，以使得测量分辨率高于可接受的水平。但是，传统的电流检测电路通常遭受低动态范围或由这些电流检测电路中存在的偏置或反馈机制所引入的高噪声的困扰。
【发明内容】
本专利申请提供一种用于生物医学测量的电流传感器。在一个实施例中，一种用于生物医学测量的电流传感器包括：第一放大器；第一电容器；第二电容器；第一开关，其与所述第一电容器并联；第二开关，其与所述第二电容器并联；第二放大器；第三电容器；电阻器；以及开关电容网络。所述第一电容器与所述第二电容器串联并跨联所述第一放大器的第一输入和输出。所述第三电容器和所述电阻器分别跨联所述第二放大器的第一输入和输出。所述开关电容网络连接于所述第一放大器的输出和所述第二放大器的第一输入之间。
所述用于生物医学测量的电流传感器还可以包括：第一比较器；第二比较器；或门；第一触发器；第二触发器；还有第三触发器。所述第一比较器的第一输入和所述第二比较器的第一输入与所述第一放大器的输出可以相连。所述第一比较器的输出和所述第二比较器的输出分别与所述或门的输入可以相连，并与所述第一触发器的时钟端口和所述第二触发器的时钟端口可以相连。所述第一触发器、所述第二触发器及所述第三触发器中每个触发器的D端口，与该触发器的
Figure BDA0002528944160000011
端口可以相连。
所述开关电容网络可以包括第四电容器、第五电容器、与所述第四电容器并联的第三开关，以及与所述第五电容器并联的第四开关，所述第四电容器与所述第五电容器相互串联并连接于所述第一放大器的输出和所述第二放大器的第一输入之间。
所述第一开关与所述第四开关可以由第一时钟控制，所述第二开关和所述第三开关可以由第二时钟控制，该第二时钟可以与所述第一时钟反相。所述第三触发器的
Figure BDA0002528944160000021
端口可以输送所述第一时钟，所述第三触发器的Q端口可以输送所述第二时钟。
所述第一放大器的第二输入和所述第二放大器的第二输入可以偏压于第一参考电压，所述第一比较器的第二输入可以偏压于第二参考电压，所述第二比较器的第二输入可以偏压于第三参考电压，V2>V1和V2＝-V3。
【附图说明】
图1是根据本专利申请一个实施例的用于生物医学测量的电流传感器的一部分的电路图；
图2为图1所示的用于生物医学测量的电流传感器的另一部分的电路图。
【具体实施方式】
下面将结合附图及实施例对本专利申请的用于生物医学测量的电流传感器进行详细说明。
图1是根据本专利申请一个实施例的用于生物医学测量的电流传感器的一部分的电路图。参见图1，用于生物医学测量的电流传感器包括：第一放大器101；第一电容器103；第二电容器105；第一开关107，与所述第一电容器103并联；第二开关109，与所述第二电容器105并联；第二放大器111；第三电容器113；一个电阻器115，以及一个开关电容网络120。
所述第一电容器103与所述第二电容器105串联并跨联所述第一放大器101的第一输入(IN)和输出(Vx)；所述第三电容器113和所述电阻器115分别跨联所述第二放大器111的第一输入(Vy)和输出(OUT1)。
所述开关电容网络120连接于所述第一放大器101的输出(Vx)和所述第二放大器111的第一输入(Vy)之间。所述开关电容网络120包括第四电容器121、第五电容器123、与所述第四电容器121并联的第三开关125，以及与所述第五电容器123并联的第四开关127，所述第四电容器121与所述第五电容器123相互串联并连接于所述第一放大器101的输出(Vx)和所述第二放大器111的第一输入(Vy)之间。
图2为图1所示的用于生物医学测量的电流传感器的另一部分的电路图。参见图2，这一部分的电流传感器电路包括第一比较器201；第二比较器203；或门205；第一触发器207；第二触发器209；以及第三触发器211。所述第一比较器201的第一输入和所述第二比较器203的第一输入与所述第一放大器101的输出(Vx)相连。所述第一比较器201的输出与所述第二比较器203的输出分别与所述或门205的输入相连，并与所述第一触发器207的时钟端口及所述第二触发器209的时钟端口相连。所述或门205的输出与所述第三触发器211的时钟端口相连。所述第一触发器207、所述第二触发器209及所述第三触发器211中每个触发器的D端口，与该触发器的
Figure BDA0002528944160000032
端口相连。
本实施例中，所述第一放大器101的第二输入与所述第二放大器111的第二输入都偏压于第一参考电压V1。所述第一比较器201的第二输入偏压于第二参考电压V2。所述第二比较器203的第二输入偏压于第三参考电压V3。在本实施例中，V2>V1和V2＝-V3。
所述第一开关107与所述第四开关127由第一时钟A控制。所述第二开关109和所述第三开关125由第二时钟B控制，该第二时钟B与所述第一时钟A反相。本实施例中，所述第三触发器211的
Figure BDA0002528944160000031
端口(CLOCK A)输送所述第一时钟A，所述第三触发器211的Q端口(CLOCK B)输送所述第二时钟B。
当所述第一时钟A为高(“1”)的时候，并且所述第二时钟B为低(“0”)的时候，所述第一开关107是闭合的而第二开关109是断开的。因此，所述第一电容器103被重置而所述第二电容器105在充电。在同一周期内，所述第四开关127是闭合的而第三开关125是打开的。因此，所述第五电容器123被重置而所述第四电容器121在充电。
当所述第一时钟A为低(“0”)的时候，并且所述第二时钟B为高(“1”)的时候，所述第一开关107是断开的而所述第二开关109是闭合的。因此，所述第一电容器103在充电而所述第二电容器105被重置。在同一周期内，所述第四开关127是断开的而所述第三开关125是闭合的。因此，所述第五电容器123在充电而所述第四电容器121被重置。
在上述电荷保持配置中，用于给电容器103，105，121，123充电的电荷由本地提供，而不是由所述放大器101和111提供的。电容器的运转时间比放大器的置位时间更快。因此，所述电路的重置瞬态和复原时间都被最小化。
所述第二放大器111的输出(OUT1)是所述用于生物医学测量的电流传感器的第一个输出端口，用于输出与第一输入(IN)处电流IIN线性相关的电压。更具体地，VOUT1＝V1+C1·IIN,其中C1是一个由第一电容器103，第二电容器105，第四电容器121，第五电容器123以及电阻器115共同决定的恒定值。
所述第一触发器207的Q端口(OUT2)或所述第二触发器209的Q端口(OUT3)，根据电流IIN的方向，输出一个数字信号，其频率与所述第一输入(IN)端的电流IIN成正比。更具体地说，所述第一放大器101的输出(Vx)周期性地随着时间线性增加，直到其达到V2或V3为止。当Vx达到V2或V3时，所述第一比较器201或所述第二比较器203用于输出数字“1”，该输出反转所述CLOCK A、CLOCK B及OUT2(或OUT3)的输出，并重置Vx至0。在每个周期内，所述第一放大器101的输出(Vx)随时间增加的速率与IIN成正比，因此，OUT2(或OUT3)输出的信号的频率与IIN成正比。所述第一触发器207的Q端口(OUT2)和所述第二触发器209的Q端口(OUT3)由此作为所述用于生物医学测量的电流传感器的第二和第三输出端口使用。
本实施例中，对于相对较小和高频的电流IIN，所述第二放大器111的输出(OUT1)，作为该电流传感器的第一个输出端口的，提供一相对较低噪音的电流测量。对于相对较大的电流IIN，所述用于生物医学测量的电流传感器的第二或第三个输出端口提供与电流IIN成正比的频率输出。因此，所述用于生物医学测量的电流传感器的动态范围被大大拓宽。此外，上述实施例提供的用于生物医学测量的电流传感器不需要任何外部的重置时钟或取样时钟，因此所述电流传感器的带宽不受任何取样速率的限制。
虽然本专利申请以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本专利申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本专利申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本专利申请技术方案内容，依据本专利申请技术对以上实施例所做任何的简单修改、等同变化与修饰，均属于本专利申请技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种用于生物医学测量的电流传感器，其包括：
第一放大器；
第一电容器；
第二电容器；
第一开关，其与所述第一电容器并联；
第二开关，其与所述第二电容器并联；
第二放大器；
第三电容器；
电阻器；
开关电容网络；
第一比较器；
第二比较器；
或门；
第一触发器；
第二触发器；以及
第三触发器；其中：
所述第一电容器与所述第二电容器串联并跨联所述第一放大器的第一输入和输出；
所述第三电容器和所述电阻器分别跨联所述第二放大器的第一输入和输出；
所述开关电容网络连接于所述第一放大器的输出和所述第二放大器的第一输入之间；
所述开关电容网络包括第四电容器、第五电容器、与所述第四电容器并联的第三开关，以及与所述第五电容器并联的第四开关，所述第四电容器与所述第五电容器相互串联并连接于所述第一放大器的输出和所述第二放大器的第一输入之间；
所述第一比较器的第一输入和所述第二比较器的第一输入与所述第一放大器的输出相连；
所述第一比较器的输出与所述第二比较器的输出分别与所述或门的输入相连，并与所述第一触发器的时钟端口及所述第二触发器的时钟端口相连；
所述或门的输出与所述第三触发器的时钟端口相连；
所述第一触发器、所述第二触发器及所述第三触发器中每个触发器的D端口，与该触发器的
Figure FDA0002528944150000021
端口相连；
所述第一开关与所述第四开关由第一时钟控制；
所述第二开关和所述第三开关由第二时钟控制，该第二时钟与所述第一时钟反相；
所述第三触发器的
Figure FDA0002528944150000022
端口输送所述第一时钟；及
所述第三触发器Q端口输送所述第二时钟。
2.根据权利要求1所述的用于生物医学测量的电流传感器，其中所述第一放大器的第二输入与所述第二放大器的第二输入偏压于第一参考电压，所述第一比较器的第二输入偏压于第二参考电压，所述第二比较器的第二输入偏压于第三参考电压，V2>V1和V2＝-V3。
3.用于生物医学测量的电流传感器，其包括：
第一放大器；
第一电容器；
第二电容器；
第一开关，其与所述第一电容器并联；
第二开关，其与所述第二电容器并联；
第二放大器；
第三电容器；
电阻器；以及
开关电容网络；其中：
所述第一电容器与所述第二电容器串联并跨联所述第一放大器的第一输入和输出；
所述第三电容器和所述电阻器分别跨联所述第二放大器的第一输入和输出；
所述开关电容网络连接于所述第一放大器的输出和所述第二放大器的第一输入之间。
4.根据权利要求3所述的用于生物医学测量的电流传感器还包括：第一比较器；第二比较器；或门；第一触发器；第二触发器；以及第三触发器，其中所述第一比较器的第一输入和所述第二比较器的第一输入与所述第一放大器的输出相连；所述第一比较器的输出和所述第二比较器的输出分别与所述或门的输入相连，并与所述第一触发器的时钟端口和所述第二触发器的时钟端口相连；所述或门的输出与所述第三触发器的时钟端口相连；所述第一触发器、所述第二触发器及所述第三触发器中每个触发器的D端口，与该触发器的
Figure FDA0002528944150000031
端口相连。
5.根据权利要求3所述的用于生物医学测量的电流传感器，其中所述开关电容网络包括第四电容器、第五电容器、与所述第四电容器并联的第三开关，以及与所述第五电容器并联的第四开关，所述第四电容器与所述第五电容器相互串联并连接于所述第一放大器的输出和所述第二放大器的第一输入之间。
6.根据权利要求4所述的用于生物医学测量的电流传感器，所述第一开关与所述第四开关由第一时钟控制；所述第二开关和所述第三开关由第二时钟控制，该第二时钟与所述第一时钟反相。
7.根据权利要求6所述的用于生物医学测量的电流传感器，其中所述第三触发器的
Figure FDA0002528944150000032
端口输送所述第一时钟；所述第三触发器的Q端口输送所述第二时钟。
8.根据权利要求4所述的用于生物医学测量的电流传感器，其中所述第一放大器的第二输入和所述第二放大器的第二输入偏压于第一参考电压，所述第一比较器的第二输入偏压于第二参考电压，所述第二比较器的第二输入偏压于第三参考电压，V2>V1和V2＝-V3。
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