一种用于心电采集的电流反馈放大器的制作方法

本发明属于电子放大器领域，尤其涉及了一种用于心电采集的电流反馈放大器。

背景技术：

心电信号广泛应用于临床医学诊断。传统的心电、心电信号采集仪器体积大、功耗高，只能应用于医院和诊所。可穿戴心电、心电信号采集系统是未来的发展趋势，而低功耗、低噪声的放大器是其中必不可少的模块。

用于实现心电、心电信号采集的低功耗、低噪声仪表放大器通常有三种结构，一是三运放仪表放大器，它具有输入阻抗高、共模抑制比高等优点。但是，由于３个跨导放大器共同贡献噪声，三运放仪表放大器的噪声性能较差，且占用的芯片面积也较大。二是电容耦合型放大器，利用反馈电容与伪电阻形成的高通滤波器，有效地滤除了DC失配。但是，伪电阻阻值会随两端电压的变化而变化，且由于阻值较大，电路的启动时间很长。三是斩波放大器，利用斩波调制器将低频的1/f噪声调制到高频处滤除，从而实现低噪声设计，但斩波器会引入输出纹波干扰。

综上所述，心电信号采集的放大器，既要满足低噪声的要求，又要降低电路功耗。

技术实现要素：

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种用于心电采集的电流反馈放大器，同时满足低功耗和低噪声的技术要求。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于心电采集的电流反馈放大器，包括：

电平转换电路，以小于１的增益将输出端电压衰减到合适的范围内，使得在输出轨到轨的情况下M4管能够正常工作，用于实现了轨到轨输出；

后台数字失配校准电路，对差分电极失配进行校准，使放大器增益不受差分电极失配的限制，降低了对ADC精度的要求。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：本发明提供了一种用于心电采集的电流反馈放大器，在不显著增加制造成本的同时，降低了电路的功耗，有效地改善了电路的噪声。本发明的装置可满足心电采集系统的技术要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种用于心电采集的电流反馈放大器的电路框图；

图2是本发明实施例提供的一种用于心电采集的电流反馈放大器的电平转换电路图。

图3是本发明实施例提供的一种用于心电采集的电流反馈放大器的数字失配校准原理图。

图4是本发明实施例提供的一种用于心电采集的电流反馈放大器的等效输入噪声频谱图。

图5是本发明实施例提供的一种用于心电采集的电流反馈放大器的电平转换电路前后输出范围对比图。

图6是本发明实施例提供的一种用于心电采集的电流反馈放大器的采用后台数字失配校准前后输出波形对比图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

参考图1，一种用于心电采集的电流反馈放大器，包括：

电平转换电路，如图２所示，包含两个电阻和一个电压跟随器，在输出端和M4管输入端之间增加电平转换电路来实现输出轨到轨；通过电阻分压，将轨到轨的输出衰减到较小的电压范围内；电压跟随器将电压转换到适合M4管的范围内；Ｖ_ＯＵＴ和Ｖ_ｂ之间的关系为：

（1）

在输出轨到轨的情况下，为了使M4管工作在强反型区，设计R_a的值远大于R_b。V_b电压范围小，意味着M4管的跨导保持相对恒定，可以减小由于M3和M4管的跨导值变化而带来的谐波失真。通过将输出端的直流电压调节到VDD/2，可以使输出交流波形轨到轨。为了降低静态电流消耗，设计Ｒ_ａ和Ｒ_ｂ的值较大，不必增大OTA 功耗来驱动Ｒ_ａ和Ｒ_ｂ。通过降低电压跟随器的偏置电流，电平转换电路的功耗仅为50nA，相比仪表放大器整体功耗，可以忽略不计。

后台数字失配校准电路，如图3所示，开关电容对输出端进行采样，利用两个比较器判断输出端是否超出饱和范围；当判断超出饱和范围时，逐次逼近型（SAR）逻辑电路产生一组５位输出来控制５位电流DAC，将输出端电压控制在0.2-1.6V范围内。初始条件下，M8管的电流是M7管的3/4，DAC提供另外1/4的电流，通过增大或者减小DAC的电流来校准正或者负的失配电压；最大可校准输入失配为：

（2）

其中，ｉ_ＤＡＣ是DAC提供的最大电流值；当增益为57dB时，最大可调输入失配为3.1mV。

基于0.18μm CMOS工艺对电流反馈型仪表放大器进行仿真。电路供电电压为1.8V，电流消耗为1.7μA。通过改变Ｒ_２的阻值，实现了49dB, 53dB和57dB三档闭环增益。输入噪声频谱图如图４所示。当Ｒ_２阻值改变时，等效输入噪声保持不变，为1.5μＶ（0-100Hz），满足心电信号采集需求。

图５给出了采用电平转换电路前后输出范围的变化情况。不采用电平转换电路时，最大输出电压幅度仅仅为0.2Ｖ；在采用电平转换电路后，输出电压幅度为0.8Ｖ，即电压范围为0.2-1.6Ｖ，基本实现了输出轨到轨，付出的代价仅仅是额外的50nA电流消耗。

图６给出了采用后台数字失配校准电路前后的波形图。在没有使用后台数字失配校准电路情况下，输出波形出现硬失真；当采用后台数字失配校准电路后，输出波形被校准到饱和区内。校准电路持续工作，以确保仪表放大器输出电压没有超出饱和范围。除了DC失配电压动态失配，温度漂移等失配也可以通过该数字失配校准电路来校准。校准过程中引入的信号突变可以在数字域进行补偿。当输出电压没有超出饱和区时，SAR数字电路模块不翻转，从而将校准电路功耗降到最低。

本实施例中，所述一种用于心电采集的电流反馈放大器，采用电平转换电路，实现了轨到轨输出；采用后台数字失配校准电路校准差分电极失配。本发明的电流反馈放大器增益为５７ｄＢ时，最大可校准输入失配为3.1mV；在0-100Hz范围内，等效输入噪声为1.5μV(rms），满足心电信号采集需求；在1.8V电源电压下，电流消耗仅为1.7μA。仿真结果表明，电路具有较好的性能，可满足心电信号采集需求。

以上所述，仅为本发明较佳实施例，不以此限定本发明实施的范围，依本发明的技术方案及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应属于本发明涵盖的范围。