一种高信噪比微弱信号的采集电路的制作方法
【专利摘要】本发明适用微弱信号采集领域，提供一种高信噪比微弱信号的采集电路，包括全差分放大模块、双端转单端放大模块、低通滤波模块、后级放大模块、右腿驱动模块及信号采集电极，信号采集电极的输出端连接全差分放大模块的输入端，全差分放大模块的输出端连接双端转单端放大模块的输入端，双端转单端放大模块的输出端连接低通滤波模块的输入端，低通滤波模块的输出端连接后级放大模块的输入端，后级放大模块的输出端输出处理后的采集信号，右腿驱动模块的检测端检测全差分放大模块的输入端采集的微弱信号的共模电压并经右腿驱动模块的输出端反馈回人体。采用高集成高精度芯片实现高通滤波，去除极化电压限制，提高微弱信号采集的信噪比、降低功耗。
【专利说明】—种高信噪比微弱信号的采集电路
【技术领域】
[0001]本发明属于微弱信号采集领域，尤其涉及一种高信噪比微弱信号的采集电路。
【背景技术】
[0002]移动健康，个人便携式监护医疗是我国以后医疗卫生体系中的重要组成部分之
一。能够连续长时间的监护个人，能够及时地发现被监护人的突发病情或不正常生理状况，将是以后医疗卫生服务发展的重要需求之一。这种应用的实时性和普适性要求，需要一套新型监护系统，必须具备高精度，小型化，集成化，低功耗的特点。
[0003]目前人体一些微弱信号的采集，例如人体心电信号，脑电信号，主要还是采用传统的仪表放大结构，通过搭建板级电路实现，由于输入信号直流极化压差的存在，仪表放大器结构的放大倍数受限，导致整体采集电路信噪比受限制，同时占用较大的面积，目前市场上所有主流的医疗设备中，都采用这种方式，如图1所示；近年来出现将该仪表放大结构进行芯片集成化，提高电路的集成化，如亚德诺半导体公司(ADI)推出的AD8232芯片，但仪表放大结构的放大倍数受限问题仍然存在。
[0004]现有技术的对微弱信号采集存在以下缺陷:
[0005](I)目前主流的传统采集方式在第一级放大结构上都是采用仪表放大结构，由于极化电压的限制，因此这级放大结构的放大增益必须较小，在传统实现方案中该放大增益一般最大为4倍，否则会超过电路的输出摆幅导致电路饱和；而第一级放大增益小会导致整个采集电路结构信噪比较小；同时传统的采集方式是通过离散元器件搭建信号采集系统，消耗较大的面积和功耗；
[0006](2)已有的少数芯片，如TI的ADS1298、亚德诺半导体(ADI)的AD8232，通过集成电路方式实现微弱信号采集，但由于极化电压的限制而导致第一级放大结构的放大增益必须很小的问题仍然存在，信噪比较低。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种集成高通滤波功能的全差分放大器取代传统心电采集电路中的仪表放大结构，适用于解决采集低频率小信号时由于极化压差而导致放大电路的放大倍数受限的问题，有效提高整体采集电路的信噪比。
[0008]本发明是这样实现的，一种高信噪比微弱信号的采集电路，所述采集电路包括全差分放大模块、双端转单端放大模块、低通滤波模块、后级放大模块、右腿驱动模块及信号采集电极，所述信号采集电极的输出端连接所述全差分放大模块的输入端，所述全差分放大模块的输出端连接所述双端转单端放大模块的输入端，所述双端转单端放大模块的输出端连接所述低通滤波模块的输入端，所述低通滤波模块的输出端连接所述后级放大模块的输入端，所述后级放大模块的输出端输出处理后的心电采集信号，所述右腿驱动模块的检测端检测所述全差分放大模块的输入端采集的心电信号的共模电压并经所述右腿驱动模块的输出端反馈回人体。[0009]本发明的进一步技术方案是:所述全差分放大模块包括第一滤波模块、第二滤波模块、比例放大模块，所述第一滤波模块的输出端连接所述比例放大模块的输入端，所述第二滤波模块的输出端连接所述比例放大器的输入端，所述第一滤波模块、第二滤波模块的结构相同，其包括小电流偏置电路及滤波电路，所述小电流偏置电路的输出端连接所述滤波电路的输入端。
[0010]本发明的进一步技术方案是:所述小电流偏置电路包括电流源Ibg、M0S管M1、M0S管 M2、MOS 管 M3、MOS 管 M4、MOS 管 MC1、MOS 管 MC2、MOS 管 MC3 及 MOS 管 MC4，所述电流源Ibg 一端分别连接所述MOS管Ml的漏极、栅极及MOS管M2的栅极，所述MOS管Ml、MOS管M2,MOS管M3及MOS管M4的源极相连，所述MOS管M3的栅极、漏极及MOS管M4的栅极分别连接所述MOS管MC4的漏极，所述MOS管MC4的源极连接所述MOS管MC3的漏极，所述MOS管MC4的栅极分别连接所述MOS管MC3的栅极及MOS管MC2的栅极，所述MOS管MC2的栅极、漏极分别连接所述MOS管M2的漏极，所述MOS管MCl的栅极、漏极分别连接所述MOS管M2的漏极，所述MOS管MC1、MOS管MC2及MOS管MC3的源极接地，所述电流源Ibg的另一端接地。
[0011]本发明的进一步技术方案是:所述滤波电路包括MOS管MA、MOS管MB及电容C2，所述MOS管MA的栅极及MOS管MB的栅极、漏极分别连接所述MOS管M4的漏极，所述MOS管MA的源极与MOS管MB的源极相连，所述电容C2与所述MOS管MA的漏极至源极并联。
[0012]本发明的进一步技术方案是:所述MOS管M1、M0S管M2、MOS管M3、MOS管M4、M0S管 MC1、MOS 管 MC2、MOS 管 MC3、MOS 管 MC4、MOS 管 MA 及 MOS 管 MB 均采用 P-MOS。
[0013]本发明的进一步技术方案是:所述比例放大模块包括双端输入双端输出的全差分放大器0ΤΑ、两个电容Cl、两个电容C2，所述全差分放大器OTA的正输入端连接其中一个所述电容Cl的一端，其中一个所述电容C2与所述全差分放大器OTA的正输入端至负输出端并联，所述全差分放大器OTA的负输入端连接其中另一个电容Cl的一端，其中另一个所述电容C2与所述全差分放大器OTA的负输入端至正输出端并联，所述全差分放大器OTA与四个电容构成电容比例放大电路实现增益Av的放大。
[0014]本发明的进一步技术方案是:所述双端转单端放大模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4及双输入单输出的放大器Al，所述放大器Al的A端连接所述电阻R2的一端，所述电阻Rl的一端分别连接所述电阻R3及放大器Al的B端，所述电阻R4与所述放大器Al的A端至C端并联。
[0015]本发明的进一步技术方案是:所述低通滤波模块包括跨导放大器Gml、跨导放大器Gm2、跨导放大器Gm3、电容Cl及电容C2，所述电容Cl的一端分别连接所述跨导放大器Gml的C端、跨导放大器Gm2的C端，所述跨导放大器Gm3的A端分别连接所述跨导放大器Gm2的A端及跨导放大器Gml的C端，所述跨导放大器Gm3的B端和C端分别连接所述电容C2的一端；或者所述低通滤波模块包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C4、电容C5及放大器AS，所述电阻Rll的一端分别连接所述电阻R12的一端及电容C5的一端，所述电阻R12的另一端分别连接电容C4的一端及放大器AS的A端，所述电容C5的另一端连接所述放大器AS的C端，所述放大器AS的B端分别连接电阻R13及电阻R14，所述电阻R14的另一端连接所述放大器AS的C端。
[0016]本发明的进一步技术方案是:所述后级放大模块包括放大器A2、电阻R5及电阻R6，所述放大器A2的A端连接所述电阻R5的一端，所述放大器A2的A端至C端与所述电阻R6并联。
[0017]本发明的进一步技术方案是:所述右腿驱动模块包括放大器A3、放大器A4、放大器A5、放大器A6、预放大器A7、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻RlO电阻Rf及电容C3，所述电阻RlO与所述电容C3串联后与所述电阻Rf并联之后与所述放大器A6的A端至C端并联，所述放大器A6的A端还连接所述电阻R7的一端，所述电阻R7的另一端分别连接所述放大器A5的C端和B端，所述放大器A5的A端分别连接所述电阻R8及电阻R9的一端，所述预放大器A7的A端分别连接所述电阻R8的另一端及放大器A3的B端和C端，所述预放大器A7的B端分别连接所述电阻R9的另一端及放大器A4的B端和C端。
[0018]本发明的有益效果是:采用高精度集成全差分放大器芯片取代传统的仪表搭建构成的结构，使得信号采集电路高度集成化、小型化得到提高，缩小了仪器的整体体积；预放大模块采用更精确比例的电容放大结构，实现更高的共模抑制比；采用高集成高精度芯片实现高通滤波，去除极化电压的限制，提高微弱信号采集的信噪比、降低仪器设备功耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是传统心电采集电路原理结构图；
[0020]图2是本发明实施例提供的高信噪比的微弱信号采集电路原理结构图；
[0021]图3是本发明实施例提供的集成高通滤波功能的全差分放大模块原理结构图；
[0022]图4是本发明实施例提供的双端输出转单端电路原理框图；
[0023]图5是本发明实施例提供的低通滤波电路原理结构图；
[0024]图6是本发明实施例提供的后级放大模块原理结构图；
[0025]图7是本发明实施例提供的右腿驱动模块原理结构图；
[0026]图8是本发明实施例提供的幅度频率响应图；
[0027]图9是本发明实施例提供的输入为正弦时瞬态响应；
[0028]图10是本发明实施例提供的But terwor th结构二阶有源低通滤波结构图；
[0029]图11是本发明实施例提供的偏置小电流电路结构图。
【具体实施方式】
[0030]附图标记:10-全差分放大模块20-双端转单端放大模块30-低通滤波模块40-后级放大模块50-右腿驱动模块60-信号米集电极
[0031]图2示出了本发明提供的高信噪比微弱信号的采集电路，所述采集电路包括全差分放大模块10、双端转单端放大模块20、低通滤波模块30、后级放大模块40、右腿驱动模块50及信号采集电极60，所述信号采集电极60的输出端连接所述全差分放大模块10的输入端，所述全差分放大模块10的输出端连接所述双端转单端放大模块20的输入端，所述双端转单端放大模块20的输出端连接所述低通滤波模块30的输入端，所述低通滤波模块30的输出端连接所述后级放大模块40的输入端，所述后级放大模块40的输出端输出处理后的心电采集信号，所述右腿驱动模块50的检测端检测所述全差分放大模块10的输入端采集的心电信号的共模电压并经所述右腿驱动模块50的输出端反馈回人体。信号采集电极60采集信号传输进入全差分放大模块10，经全差分放大模块10对信号进行放大的同时进行超低截止频率的高通滤波能够；在经过全差分放大模块10处理后的信号通过双端转单端放大模块后转换为单端输出信号输出给低通滤波模块；经低通滤波模块30 二次滤波后的信号进入后级放大模块40对信号进一步放大后输出；右腿驱动模块50对全差分放大模块10两个输入端采集到的信号进行检测共模电压并反馈回人体，降低整体电路的共模干扰。采用高精度集成全差分放大器芯片取代传统的仪表搭建构成的结构，使得信号采集电路高度集成化、小型化得到提高，缩小了仪器的整体体积；预放大模块采用更精确比例的电容放大结构，实现更高的共模抑制比；采用高集成高精度芯片实现高通滤波，去除极化电压的限制，提高微弱信号采集的信噪比、降低仪器设备功耗。
[0032]如图3所示，所述全差分放大模块10包括第一滤波模块、第二滤波模块、比例放大模块，所述第一滤波模块的输出端连接所述比例放大模块的输入端，所述第二滤波模块的输出端连接所述比例放大器的输入端，所述第一滤波模块、第二滤波模块的结构相同，其包括小电流偏置电路及滤波电路，所述小电流偏置电路的输出端连接所述滤波电路的输入端。
[0033]全差分放大模块由高增益，低功耗，低噪声的双端输入双端输出的全差分跨导放大器(OTA:operat ional t ransconductance amplifier),电容，小电流偏置电路组成，整个电路具有对称性结构。该放大电路的传递函数如式(I):
【权利要求】
1.一种高信噪比微弱信号的采集电路，其特征在于，所述采集电路包括全差分放大模块、双端转单端放大模块、低通滤波模块、后级放大模块、右腿驱动模块及信号采集电极，所述信号采集电极的输出端连接所述全差分放大模块的输入端，所述全差分放大模块的输出端连接所述双端转单端放大模块的输入端，所述双端转单端放大模块的输出端连接所述低通滤波模块的输入端，所述低通滤波模块的输出端连接所述后级放大模块的输入端，所述后级放大模块的输出端输出处理后的心电采集信号，所述右腿驱动模块的检测端检测所述全差分放大模块的输入端采集的心电信号的共模电压并经所述右腿驱动模块的输出端反馈回人体。
2.根据权利要求1所述的采集电路，其特征在于，所述全差分放大模块包括第一滤波模块、第二滤波模块、比例放大模块，所述第一滤波模块的输出端连接所述比例放大模块的输入端，所述第二滤波模块的输出端连接所述比例放大器的输入端，所述第一滤波模块、第二滤波模块结构相同，其包括小电流偏置电路及滤波电路，所述小电流偏置电路的输出端连接所述滤波电路的输入端。
3.根据权利要求2所述的采集电路，其特征在于，所述小电流偏置电路包括电流源Ibg, MOS 管 Ml、MOS 管 M2、MOS 管 M3、MOS 管 M4、MOS 管 MC1、MOS 管 MC2、MOS 管 MC3 及 MOS管MC4，所述电流源Ibg—端分别连接所述MOS管Ml的漏极、栅极及MOS管M2的栅极，所述MOS管Ml、MOS管M2、MOS管M3及MOS管M4的源极相连，所述MOS管M3的栅极、漏极及MOS管M4的栅极分别连接所述MOS管MC4的漏极，所述MOS管MC4的源极连接所述MOS管MC3的漏极，所述MOS管MC4的栅极分别连接所述MOS管MC3的栅极及MOS管MC2的栅极，所述MOS管MC2的栅极、漏极分别连接所述MOS管M2的漏极，所述MOS管MCl的栅极、漏极分别连接所述MOS管M2的漏极，所述MOS管MC1、MOS管MC2及MOS管MC3的源极接地，所述电流源Ibg的另一端接地。
4.根据权利要求 3所述的采集电路，其特征在于，所述滤波电路包括MOS管MA、M0S管MB及电容C2，所述MOS管MA的栅极及MOS管MB的栅极、漏极分别连接所述MOS管M4的漏极，所述MOS管MA的源极与MOS管MB的源极相连，所述电容C2与所述MOS管MA的漏极至源极并联。
5.根据权利要求4所述的采集电路，其特征在于，所述MOS管M1、M0S管M2、M0S管M3、MOS 管 M4、MOS 管 MCl、MOS 管 MC2、MOS 管 MC3、MOS 管 MC4、MOS 管 MA 及 MOS 管 MB 均采用P-MOS。
6.根据权利要求5所述的采集电路，其特征在于，所述比例放大模块包括双端输入双端输出的全差分放大器0ΤΑ、两个电容Cl、两个电容C2，所述全差分放大器OTA的正输入端连接其中一个所述电容Cl的一端，其中一个所述电容C2与所述全差分放大器OTA的正输入端至负输出端并联，所述全差分放大器OTA的负输入端连接其中另一个电容Cl的一端，其中另一个所述电容C2与所述全差分放大器OTA的负输入端至正输出端并联，所述全差分放大器OTA与四个电容构成电容比例放大电路实现增益Av的放大。
7.根据权利要求1-6任一项所述的采集电路，其特征在于，所述双端转单端放大模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4及双输入单输出的放大器Al,所述放大器Al的A端连接所述电阻R2的一端，所述电阻Rl的一端分别连接所述电阻R3及放大器Al的B端，所述电阻R4与所述放大器Al的A端至C端并联。
8.根据权利要求7所述的采集电路，其特征在于，所述低通滤波模块包括跨导放大器Gml、跨导放大器Gm2、跨导放大器Gm3、电容Cl及电容C2，所述电容Cl的一端分别连接所述跨导放大器Gml的C端、跨导放大器Gm2的C端，所述跨导放大器Gm3的A端分别连接所述跨导放大器Gm2的A端及跨导放大器Gml的C端，所述跨导放大器Gm3的B端和C端分别连接所述电容C2的一端；或者所述低通滤波模块包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻RH、电容C4、电容C5及放大器AS，所述电阻Rll的一端分别连接所述电阻R12的一端及电容C5的一端，所述电阻R12的另一端分别连接电容C4的一端及放大器AS的A端，所述电容C5的另一端连接所述放大器AS的C端，所述放大器AS的B端分别连接电阻R13及电阻R14,所述电阻R14的另一端连接所述放大器AS的C端。
9.根据权利要求8所述的采集电路，其特征在于，所述后级放大模块包括放大器A2、电阻R5及电阻R6，所述放大器A2的A端连接所述电阻R5的一端，所述放大器A2的A端至C端与所述电阻R6并联。
10.根据权利要求9所述的采集电路，其特征在于，所述右腿驱动模块包括放大器A3、放大器A 4、放大器A5、放大器A6、预放大器A7、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻RlO电阻Rf及电容C3，所述电阻RlO与所述电容C3串联后与所述电阻Rf并联之后与所述放大器A6的A端至C端并联，所述放大器A6的A端还连接所述电阻R7的一端，所述电阻R7的另一端分别连接所述放大器A5的C端和B端，所述放大器A5的A端分别连接所述电阻R8及电阻R9的一端，所述预放大器A7的A端分别连接所述电阻R8的另一端及放大器A3的B端和C端，所述预放大器A7的B端分别连接所述电阻R9的另一端及放大器A4的B端和C端。
【文档编号】A61B5/0428GK104000584SQ201410240170
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】程亚宇 申请人:深圳贝特莱电子科技有限公司