专利名称：消除直流偏移的放大器的制作方法
技术领域：
本发明属于电路设计技术领域，涉及一种放大电路的设计，具体涉及一种能够动态消除运算放大器直流偏移电压的三运算前置放大器的设计。
背景技术：
在电生理信号采集中，通常会受到周围各种噪声的干扰，特别是共模信号的干扰，在同等的工艺条件下，进一步提高共模抑制比的方法是提高前置放大器差模电压的放大倍数，但电生理信号中的直流偏移电压的存在限制了前置放大器的差模电压放大倍数，因此在没有消除直流偏压的情况下想进一步提高前置放大器的共模抑制比是非常困难的。Enrique M 等在“AC Coupled Three op-amp Bio-potential Amplifier withActive DC Suppression, IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL.47, N0.12，DECEMBER2000,1616-1619”中提出了交流耦合三运算放大器去除直流的方案。但该方案存在如下几个问题:一、积分电路的使用是不恰当的，采用的积分电路中的电容Ci没有电阻与其构成回路，很容易使放大器产生饱和，此时输出最大直流信号，不仅没有去除直流偏压，反而会产生新的直流电压偏移量，严重时可能引起整个运算放大电路的饱和；二、积分电路的截止频率由于硬件限制不能做的很低，因此它提取的信号包括了直流信号和一定成份的交流信号，当这些信号被叠加到三运算放大电路的输入端时，会将这些低频的交流信号叠加在有用的源信号中，由于这些低频信号被包含在有用信号频带的范围内很难被滤除，所以引入了新的干扰源，严重影响了信号的准确性；三、所选用的光耦器件属于非线性的器件，在没有对光耦器件产生的电流和偏移电压产生的电流进行对应修正的情况下，光耦器件所产生的电流可能与偏移电压在输入端产生的电流不一致，从而无法对直流偏移电压进行消除甚至有可能弓I入新的电压偏移量。CN1414701A公开了一种高共模抑制比的前置放大器，具体采用并联型双运放，放大器的输出端分别与两组阻容耦合电路连接的方式来提高前置放大器的共模抑制比。这种方案因为引入了电容，由于电容的匹配程度很低，容易将共模信号转换成差模干扰信号，进而引入了新的干扰，而且通过电容滤除直流电压时需要的电容的容值很大，实现起来比较困难。在消除直流偏压的问题上，CN102185812A通过提取直流信号然后与原始信号相减来消除偏移电压，这种方案虽然比较简单，但是在三运算差动前置放大电路中因为电路是差分输入，如果采用此方案将会破坏电路的对称性，无法提高电路的共模抑制比。
发明内容
本发明的目的就是针对上述提高前置放大器共模抑制比方案的不足和消除直流偏压的问题，提出一种即能够动态的消除直流偏移电压又能够提高前置放大器共模抑制比的放大器，同时能够满足电路性能需要。本发明的技术方案为:一种消除直流偏移的放大器，具体包括:前置放大器电路、直流信号提取电路和隔离电路，其中，所述前置放大器电路包括两个输入端和一个输出端，所述两个输入端用于输入两个待测信号；所述直流信号提取电路的输入端与所述前置放大器电路的输出端相连接，用于提取所述前置放大器电路输出的直流成份信号；所述隔离电路用于根据接收到的所述直流信号提取电路的直流成份信号，产生一个与两个待测信号所带的直流偏移电压在所述前置放大器电路中产生的直流偏移电流大小相等方向相反的电流并反馈输入到所述的前置放大器电路中。进一步的，所述前置放大器电路包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻，其中，第一放大器和第二放大器同相输入端作为所述前置放大器电路的两个输入端，第一放大器和第二放大器反相输入端通过第三电阻连接，第一放大器的反相输入端和输出端通过第一电阻连接；第二放大器的反相输入端和输出端通过第二电阻连接；第三放大器的同相输入端通过第六电阻与第一放大器的输出端连接，并通过第七电阻与第三放大器的输出端相连接；第三放大器的反相输入端通过第八电阻与第二放大器的输出端连接，并通过第九电阻藕接于地电位；第四电阻和第五电阻串接于第一放大器的输出端和第二放大器端之间；第三放大器的输出端作为所述前置放大器电路的输出端。进一步的，所述直流信号提取电路包括一模数转换器、一数模转换器和一信号处理单元；所述模数转换器的输入端作为所述直流信号提取电路的输入端，所述模数转换器输出的数字信号输入到所述信号处理单元中，所述信号处理单元对输入的数字信号进行交流滤波处理输出直流数字信号至所述的数模转换器，所述的数模转换器用于将输入的直流数字信号转换为直流模拟信号。进一步的，所述隔离电路具体包括第一隔离器件、第二隔离器件、第十电阻、第十一电阻和第十二电阻，其中，第十电阻的一端作为所述隔离电路的输入端，第十电阻的另一端连接至第一隔离器件的反相输入端和第二隔离器件的同相输入端；第一隔离器件的输出端经第十二电阻连接至第三电阻的一端；第二隔离器件的输出端经第十一电阻连接至第三电阻的另一端。本发明的有益效果:本发明的消除直流偏移的放大器通过将测量到的三运放输出端输出的信号送入直流信号提取电路中，在直流信号提取电路中提取所述前置放大器电路输出的直流成份信号，并将直流成份信号转换为模拟信号输送到隔离电路中，然后隔离电路将输入电压转换为恒流源并反相反馈到前置放大器的输入端，从而实现直流偏移的动态消除。本发明的放大器能够动态的去除较宽幅度范围内的直流偏移电压，所以能够在不同的状态下使用，在提高共模抑制、消除偏移电压时基本没有引入新的噪声源，可以广泛的应用到电生理信号采集中，具有很大的灵活性。
图1是本发明实施例的除直流偏移的放大器结构示意图；图2是本发明实施例的隔离器件的恒流源特性示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
本发明提供了一种消除直流偏移的放大器，具体包括:前置放大器电路、直流信号提取电路和隔离电路，其中，所述前置放大器电路包括两个输入端和一个输出端，所述两个输入端用于输入两个待测信号；所述直流信号提取电路的输入端与所述前置放大器电路的输出端相连接，用于提取所述前置放大器电路输出的直流成份信号；所述隔离电路用于根据接收到的所述直流信号提取电路的直流成份信号，产生一个与两个待测信号所带的直流偏移电压在所述前置放大器电路中产生的直流偏移电流大小相等方向相反的电流并反馈输入到所述的前置放大器电路中。本发明的消除直流偏移的放大器通过将测量到的三运放输出端输出的信号送入直流信号提取电路中，在直流信号提取电路中提取所述前置放大器电路输出的直流成份信号，并将直流成份信号转换为模拟信号输送到隔离电路中，然后隔离电路将输入电压转换为恒流源并反相反馈到前置放大器的输入端，从而实现直流偏移的动态消除。图1给出了一种前置放大器电路的具体实现结构图，在图1中，并联型双运放放大器包括运算放大器101、运算放大器102、电阻Rl、R2、R3，后级放大器包括运算放大器103、电阻R6、R7、R8、R9，共模信号的提取由电阻R4、R5构成，其中运算放大器可以使用高精度双电源型0P4177，它里面包含四个独立的运算放大器，运算放大器101、102、103可采用0P4177里面的三个放大器。其中，两个待测信号Vil、Vi2分别从运算放大器101、运算放大器102的同相输入端输入，运算放大器101、运算放大器102的输出级分别接电阻R6、R8，电阻R3分别与运算放大器101、运算放大器102的负相输入端相连，电阻R1、R2分别与运算放大器101、运算放大器102的输出级及电阻R3的两端相连，电阻R4、R5顺序相连并分别接于运算放大器101、运算放大器102的输出级。电阻R6 分别接于运算放大器101的输出端和运算放大器103的反相输入端。电阻R7分别接于运算放大器103的反相输入端输出端和运算放大器103的输出端。电阻R8分别接于运算放大器102的输出端和运算放大器103的同相输入端。电阻R9分别接于运算放大器103的同相输入端输出端和公共地。在前置放大器电路中，共模信号取样电路通与其并联型双运放的输出端相连提取共模信号，这里为了进一步提高前置放大器的共模抑制比，从R4、R5相连端引出共模电压到右腿驱动电路RL。图1中的直流信号提取电路，包括:模数转换器104、信号处理单元105和数模转换器106，其中，模数转换器104可采用16位双极性的AD转换芯片LTC1608，信号处理单元105可采用数字处理芯片TMS320F2812，数模转换器106可采用16位的AD5668。其中,运算放大器103输出的模拟信号Vo输送到模数转换器104的模拟信号输入端后，模数转换器104在信号处理单元105的控制下将其转换成数字信号送入信号处理单元 105。图1中的隔离电路，包括隔离器件107、隔离器件108、电阻1 10、1 11、1 12，还包括了电阻R13、R14，其中，隔离器件107的正相输入脚与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端接公共地，隔离器件107的反相输入脚与隔离器件108的正相输入脚相连并与电阻RlO相接，隔离器件107的输出脚与电阻R12相连，电阻R12的另一端接于运算放大器102的反相输入端，隔离器件108的输出脚与电阻Rll相连，电阻Rll的另一端接于运算放大器101的反相输入端，隔离器件108的反相输入脚与电阻R13相连，电阻R13的另一端接到公共地。
在本实施例中隔离器件107、108可采用光耦芯片4N35。具体实现过程为:前置放大器电路后级运算放大器输出信号包含了直流成份和交流成份，图1直流提取电路实时的将前置放大器电路中的直流偏移电压提取出来，并转换为恒流源反相叠加到前置放大器的输入端电阻R3上，该电流与前置放大器电路输入信号中所带的直流偏移电压在R3上形成的电流相等方向相反，从而能够抵消直流偏移电压在R3上的直流偏移电流，最终实现动态消除前置放大器电路中直流偏移电压的目的。当直流偏移电压消除后可以通过提高前置放大器电路的差模电压放大倍数来提高前置放大器电路的共模抑制比。设定图1中R3两端的直流偏移电压为Vio,则流过R3的偏移电流(设为ID。)为:
权利要求
1.种消除直流偏移的放大器，具体包括:前置放大器电路、直流信号提取电路和隔离电路，其中，所述前置放大器电路包括两个输入端和一个输出端，所述两个输入端用于输入两个待测信号；所述直流信号提取电路的输入端与所述前置放大器电路的输出端相连接，用于提取所述前置放大器电路输出的直流成份信号；所述隔离电路用于根据接收到的所述直流信号提取电路的直流成份信号，产生一个与两个待测信号所带的直流偏移电压在所述前置放大器电路中产生的直流偏移电流大小相等方向相反的电流并反馈输入到所述的前置放大器电路中。
2.据权利要求1所述的消除直流偏移的放大器，其特征在于，所述前置放大器电路包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻，其中，第一放大器和第二放大器同相输入端作为所述前置放大器电路的两个输入端，第一放大器和第二放大器反相输入端通过第三电阻连接，第一放大器的反相输入端和输出端通过第一电阻连接；第二放大器的反相输入端和输出端通过第二电阻连接；第三放大器的同相输入端通过第六电阻与第一放大器的输出端连接，并通过第七电阻与第三放大器的输出端相连接；第三放大器的反相输入端通过第八电阻与第二放大器的输出端连接，并通过第九电阻藕接于地电位；第四电阻和第五电阻串接于第一放大器的输出端和第二放大器端之间；第三放大器的输出端作为所述前置放大器电路的输出端。
3.据权利要求2所述的消除直流偏移的放大器，其特征在于，所述直流信号提取电路包括一模数转换器、一数模转换器和一信号处理单元；所述模数转换器的输入端作为所述直流信号提取电路的输入端，所述模数转换器输出的数字信号输入到所述信号处理单元中，所述信号处理单元对输入的数字信号进行交流滤波处理输出直流数字信号至所述的数模转换器，所述的数模转换器用于将输入的直流数字信号转换为直流模拟信号。
4.据权利要求2或3所述的消除直流偏移的放大器，其特征在于，所述隔离电路具体包括第一隔离器件、第二隔离器件、第十电阻、第十一电阻和第十二电阻，其中，第十电阻的一端作为所述隔离电路的输入端，第十电阻的另一端连接至第一隔离器件的反相输入端和第二隔离器件的同相输入端；第一隔离器件的输出端经第十二电阻连接至第三电阻的一端；第二隔离器件的输出端经第十一电阻连接至第三电阻的另一端。
5.据权利要求4所述的消除直流偏移的放大器，其特征在于，所述的隔离器件具体为光耦芯片4N35。
6.据权利要求1至5任一项权利要求所述的消除直流偏移的放大器，其特征在于，还包括与第四电阻和第五电阻相连端相连的右腿驱动电路。
7.据权利要求3所述的消除直流偏移的放大器，其特征在于，所述的信号处理单元还包括一个低通滤波器用于对模数转换器所转换的信号进行滤波处理。
全文摘要
本发明公开了一种消除直流偏移的放大器，包括前置放大器电路、直流信号提取电路和隔离电路，其中，直流信号提取电路用于提取前置放大器电路输出的直流成份信号；隔离电路用于根据接收到的所述直流信号提取电路的直流成份信号产生一个与两个待测信号所带的直流偏移电压在所述前置放大器电路中产生的直流偏移电流大小相等方向相反的电流并反馈输入到所述的前置放大器电路中。本发明的放大器通过将三运放输出端输出的信号送入直流信号提取电路中，提取前置放大器电路输出的直流成份信号，并将直流成份转换为模拟信号输送到隔离电路中，然后隔离电路将输入电压转换为恒流源并反相反馈到前置放大器的输入端，从而实现直流偏移的动态消除。
文档编号H03F3/45GK103095233SQ20131002426
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月23日 优先权日2013年1月23日
发明者郜东瑞, 刘铁军, 尧德中, 刘志煊, 甘玉龙, 郭茜, 张志伟 申请人:电子科技大学