[發明專利]差分電容網絡反饋結構CMOS生物醫學信號采集器

有效

• 申請號: 201210298923.0
• 申請日: 2012-08-22
• 公開（公告）號: CN102832904A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 吳朝暉;梁凱;李斌
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H03H11/02
• 分類號: H03H11/02
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及電路與系統、微電子學、集成電路設計方法學及生物醫療電子學等交叉技術領域，特別涉及一種差分電容網絡反饋結構CMOS生物醫學信號采集器。

背景技術

我國是世界上人口最大的國家，這必然導致對普通醫療服務需求也是最大；而且我國人口老齡化問題越來越突出，給我國現行的醫療體系帶來了較重的負擔。

另一方面，隨著人們生活節奏的加快，工作壓力越來越大，處于亞健康狀態的人群規模也越來越大，心臟病、高血壓、糖尿病成為影響人們健康的三大殺手。對突發疾病進行提早診斷和及時治療，實時監控患者的健康狀況，成為了全社會的迫切需求。大多數醫療設備往往需要對生物醫學信號進行觀測、分析和處理，這樣才能及時和準確地診斷與治療。而生物醫學信號是人體最直接、最原始也是最能反映病癥的信號；其幅值小、頻率低且極易受外界設備和環境干擾，從而會疊加大量噪聲，降低信號信噪比。因此，從人體中正確、有效地提取生物信號往往具有很大挑戰性，該環節性能的好壞將直接影響著后續信號地處理和分析，并最終影響對病理特征地發現和診斷。

目前，生物醫學信號采集主要從三個方面進行研究：

一、基于儀表運算放大器的結構，該結構具有良好的共模抑制能力和高輸入阻抗特征；但由于電路中需要對兩個輸入運算放大器進行嚴格匹配，在集成化設計中，很難做到高精度的匹配；此外，由于結構中運用了三個運算放大器，功耗和噪聲都比較大。

二、基于斬波放大器結構，該結構具有較低的噪聲特性；但由于采用斬波技術，功耗和面積比較大，不適合于植入式體內信號的探測。

三、采用傳統的比例運算電路結構，對該電路進行改進后，采用交流耦合電容反饋式拓撲結構，很適合對多種生物醫學信號進行采集，具有低噪聲、低功耗和小面積的特點。目前正在進行這種技術的研究開發。

發明內容

本發明的發明目的是針對現有生物醫學信號采集領域的技術不足，提供一種提高采集信號的信噪比的差分電容網絡反饋結構CMOS生物醫學信號采集器。

為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

提供一種差分電容網絡反饋結構CMOS生物醫學信號采集器，包括差分前置放大器、差分可變增益放大器及差分四階開關電容濾波器；其中，

所述差分前置放大器的正向輸出端與差分可變增益放大器的反向輸入端連接，差分前置放大器的反向輸出端與差分可變增益放大器的正向輸入端連接；

所述差分可變增益放大器的正向輸出端與差分四階開關電容濾波器的正向輸入端連接；差分可變增益放大器的反向輸出端與差分四階開關電容濾波器的反向輸入端連接。

優選地，所述第一反饋網絡包括第一晶體管、第二晶體管、第三電容與第四電容；所述第三電容的一端與全差分跨導運算放大器的正向輸入端連接，第三電容的另一端與第四電容的一端連接，第四電容的另一端與全差分跨導運算放大器的反向輸出端連接；第一晶體管與第二晶體管的漏極相連；第一晶體管和第二晶體管的源極連接到各自的襯底；第一晶體管的源極與全差分跨導運算放大器的正向輸入端連接，第二晶體管的源極還與全差分跨導運算放大器的反向輸出端連接；

所述第二反饋網絡包括第三晶體管、第四晶體管、第五電容與第六電容；所述第五電容的一端與全差分跨導運算放大器的反向輸入端連接，第五電容的另一端與第六電容的一端連接，第六電容的另一端與全差分跨導運算放大器的正向輸出端連接；第三晶體管與第四晶體管的漏極相連；第三晶體管和第四晶體管的源極連接到各自的襯底；第三晶體管的源極與全差分跨導運算放大器的反向輸入端連接，第四晶體管的源極還與全差分跨導運算放大器的正向輸出端連接；

第一、二、三和四晶體管的柵極全部連接在一起，與外部調節電壓連接。

優選地，第三電容及第四電容的連接點與第五電容及第六電容的連接點之間跨接第七電容。

差分前置放大器采用交流耦合全差分的形式，利用其輸入端的正向耦合電容和反向耦合電容，能有效抑制消除記錄電極與參考電極間的直流漂移。差分前置放大器的增益由輸入端正向耦合電容和反向耦合電容的容量值與第一反饋網絡和第二反饋網絡的等效電容的容量值的比值來決定，避免使用電阻比例中電阻帶來的熱噪聲。第一、二、三和四晶體管偏置在亞閾值區形成偽電阻，一方面給跨導運算放大器提供直流偏置，另一方面與反饋回路上的反饋電容網絡形成一個高通低頻截止點，有效抑制電路中的低頻噪聲。通過控制偽電阻的柵壓可以控制偽電阻的阻值，從而控制了低頻截止點的位置。