[發明專利]生物電傳感器模擬前端電路

有效

• 申請號: 202010635789.3
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111682856B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 鄧晨曦
• 申請（專利權）人: 曦成半導體技術（上海）有限公司
• 主分類號: H03F1/32
• 分類號: H03F1/32
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 陸惠中

本發明提出了一種生物電傳感器模擬前端電路，包含兩個前饋放大器及其各自的反饋網絡、輸出共模電壓檢測器、誤差放大器、泄漏電流補償器、電阻分壓器，可以有效抑制多種泄漏電流的共模成分。

技術領域

本發明涉及集成電路領域，特別涉及一種生物電傳感器模擬前端電路。

背景技術

儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，可以提供很高的共模抑制能力，避免環境中很大的工業用電頻率(50Hz/60Hz工頻)的干擾；這種干擾疊加在很小的待測差分信號上，形成整體輸入信號的共模部分，通常達到幾Vpp，甚至幾十Vpp。儀表放大器還提供匹配的很高的輸入阻抗，避免對輸入信號源產生負載分壓效應導致無法真實提取出差分信號的問題，另外高輸入阻抗也可降低差分信號源阻抗不匹配帶來的共模抑制能力下降問題。在需要的帶寬內放大待測差分信號，同時抑制其他帶寬外成分，因而儀表放大器有時要集成濾波功能，即加入電阻電容一起構造零極點；有時，特別是生物電領域的信號具有很小的帶寬頻率下限，比如1Hz以下，需要很大的電阻電容組合。

經典的儀表放大器結構，如圖1所示，通過兩個前饋放大器、電阻R1、R2、R3、R4，構成一對稱的電路；其中，R1與R2阻值相等，R3與R4阻值相等，電阻R1、R3、R4、R2在兩個前饋放大器的輸出端之間串聯；一個前饋放大器的正輸入端接差分輸入信號的第一信號Vin，負輸入端連接電阻R1、R3的連接節點；另一個前饋放大器的正輸入端接差分輸入信號的第二信號Vip，負輸入端連接電阻R2、R4的連接節點；電阻R3、R4的連接節點接入有一固定的參考電壓Vref。上述結構的儀表放大器，可提供匹配的很高的輸入阻抗，避免輸入源的阻抗對系統的共模抑制產生較大影響；電路對稱可以避免環境如溫度、工藝等對差分信號的放大產生較大影響；設置R1阻值大于R3阻值時，可對差分信號提供放大增益，但是會同時對共模信號放大相同的倍數，不利于整體的共模抑制。

如圖2所示，是應用于生物電領域時儀表放大器的一種改進結構，其包含兩個前饋放大器、電阻R1、R2、R5、R6和電容C1、C2、C3、C4；相比圖1的電路，在改進結構中將原有的電阻R3、R4替換為電容C3、C4，使R1、C3、C4、R2在兩個前饋放大器的輸出端之間串聯，并且R1與C1并聯，R2與C2并聯；還將原有固定參考電壓Vref，替換為由對稱電阻R5、R6分壓出來的共模輸入電壓Vcm；電阻R5、R6在兩個前饋放大器的正輸入端之間串聯，R5、R6的連接節點的電壓對應于共模輸入電壓Vcm，其接入到電容C3、C4的連接節點。

上述改進結構消除了儀表放大器經典結構中的缺點，即對差分信號放大的同時，共模信號不會被放大而只是以單位增益的形式被跟隨，整體的共模抑制得以提高；對C3、C4電容的替換實現了高通濾波功能的集成，R1、C1(R2、C2)形成高通轉角頻率，設置電容之間阻抗的關系為C1＝C2C3＝C4，則對應高通頻點以上的差分AC信號，會被放大相應倍數。然而，為了避免因R5、R6的設置導致輸入阻抗的降低，需要為R5、R6設計很大的阻值；此外，在生物電領域應用時，一些生物電信號比如ECG(心電圖)、EEG(腦電圖)的高通轉角頻率很小(經常在1Hz以下)，導致R1、C1的乘積要很大，為避免電容外接，也需要為R1、R2設置很大的阻值。

偽電阻是一種以非電阻器件(比如MOS管)的形式，構造等效阻值很大、功能近似于電阻的結構。經典的偽電阻結構中，兩個二極管連接的PMOS管左右對稱，背靠背地連接形成偽電阻；圖3、圖3a是兩種PMOS管背靠背連接的示例。偽電阻的形式下，通過選取不同Vth或柵氧厚度的MOS管，或調整MOS管的寬長比等，可以實現幾百兆歐(MΩ)至吉歐(GΩ)范圍甚至太歐(TΩ)級的等效阻值。