专利名称：采用t型电容网络反馈结构的cmos生理信号放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成生理信号放大器技术领域，特别涉及一种采用T型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器。
背景技术：
随着社会信息化进程的不断加快，和人们对生命健康的日趋重视，医疗仪器与生物医学设备的发展呈现出家用化、小型化、微型化的趋势，而用于放大或采集心电、脑电、肌电、神经电等低频动态生理信号的专用集成电路更成为其中一个热点方向。目前，以CMOS工艺实现的全集成生理信号放大器多采用交流反馈-单电容反馈结构，出于降低噪声和提高增益等因素的考虑，通常设置较高的输入耦合电容值和较大的运算跨导放大器的输入晶体管面积，从而造成此类放大器的集成度较差，且输入阻抗相对较低，易发生“加载效应”。另一方面，这类传统的集成生理信号放大器的增益由输入电容和反馈电容的比值决定，为使放大器获得较高的电压增益，通常要选取较高的输入-反馈电容比，这将使电压增益容易受到工艺偏差以及其它因素的影响，从而使放大器在大规模生产加工和使用的增
益一致性变差。因此，本发明采用T型电容网络反馈结构代替单电容反馈结构，并采用中低值片上电容作为输入单元，可在较小的输入-反馈电容比条件下取得较高的闭环电压增益。同时通过对输入电容值和运算跨导放大器输入对管尺寸的协同设计，优化放大器的整体噪声特性。本发明能够在不降低增益和噪声性能的前提下，降低传统单电容反馈式集成生理信号放大器的芯片面积(即提高集成度)，并具有输入阻抗较高，增益一致性较好等特点，有望应用于高密度、高通量的生理信号采集领域。
发明内容
本发明的目的在于，提出了一种采用T型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器结构，其是在不降低噪声性能的前提下，解决传统的交流反馈-单电容反馈结构CMOS生理信号放大器芯片面积较大、输入阻抗较低以及增益稳定性较差的问题。为达到上述目的，本发明公开了一种采用T型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器，包括了反相输入耦合电容和正相输入耦合电容、反馈网络、运算放大器、平衡网络以及输出电容，其中所述运算放大器的反相输入端连接反相输入耦合电容，该放大器的正相输入端连接正相输入耦合电容；所述反馈网络的输入端与运算放大器的反相输入端连接，该反馈网络的输出端与运算放大器的输出端连接；所述输出电容与运算放大器的输出端连接；所述平衡网络的输入端与运算放大器的正相输入端连接。
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其中所述的反馈网络包括一第一晶体管和一第二晶体管，该第一晶体管和第二晶体管的漏极相连接，该第一晶体管和第二晶体管各自的源极与衬底相连接，该第一晶体管和第二晶体管的栅极相连接；一第一电容、一第二电容和一第三电容，该第一电容与第二电容串联在运算放大器的反相输入端和输出端之间，该第三电容串接在第一电容和第二电容之间并接地。其中所述的平衡网络包括一第三晶体管和一第四晶体管，该第三晶体管和第四晶体管的漏极相连接，该第三晶体管和 第四晶体管各自的源极与衬底相连接，该第三晶体管和第四晶体管的栅极相连接；一第四电容、一第五电容和一第六电容，该第四电容与第五电容串联在运算放大器的正相输入端和地之间，该第六电容串接在第四电容和第五电容之间并接地。其中所述的运算放大器为运算跨导放大器。其中该T型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器具有带通频率特性，通带的低频截止频率不高于1Hz，高频截止频率不低于5KHz。本发明采用T型电容网络反馈结构代替单电容反馈结构，并采用中低值片上电容作为输入单元，可在较小的输入-反馈电容比条件下取得较高的闭环电压增益。同时通过对输入电容值和运算跨导放大器输入对管尺寸的协同设计，优化放大器的整体噪声特性。 本发明能够在不降低增益和噪声性能的前提下，降低传统单电容反馈式集成生理信号放大器的芯片面积(即提高集成度)，并具有较高的输入阻抗和较好的增益一致性，有望应用于高密度、高通量的生理信号采集领域。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中图1采用T型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器结构图；图2等效电路图及工作原理；图3通过调整OTA输入晶体管的尺寸对放大器噪声性能的优化设计的坐标图。
具体实施例方式请参阅图1所示，本发明提供一种采用T型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器，具有带通频率特性，通带的低频截止频率不高于1Hz，高频截止频率不低于5KHz，适用于放大心电、脑电、肌电、神经电等低频动态生理信号，具体包括了反相输入耦合电容C1 和正相输入耦合电容C2、反馈网络10、运算放大器11、平衡网络12以及输出电容。其中所述运算放大器11的反相输入端连接反相输入耦合电容C1，该放大器11的正相输入端连接正相输入耦合电容C2 ；所述的运算放大器11为运算跨导放大器。所述反馈网络10的输入端与运算放大器11的反相输入端连接，该反馈网络10的输出端与运算放大器11的输出端连接，所述的反馈网络10包括一第一晶体管M1和一第二晶体管M2,该第一晶体管M1和第二晶体管M2的漏极相连接，该第一晶体管M1和第二晶体管M2各自的源极与衬底相连接，该第一晶体管M1和第二晶体管M2的栅极相连接；第一晶体管M1和第二晶体管M2构成高值MOS伪电阻单元。一第一电容C3、一第二电容C4和一第三电容C5,该第一电容C3与第二电容C4串联在运算放大器11的反相输入端和输出端之间，该第三电容C5串接在第一电容C3和第二电容C4之间并接地。第三电容C5为高值电容，其容值与反相输入耦合电容C1在同一量级；第一电容C3和第二电容C4为低值电容，其容值低于反相输入耦合电容C1 一个量级。所述输出电容Q与运算放大器11的输出端连接；所述平衡网络12的输入端与运算放大器11的正相输入端连接，所述的平衡网络 12包括一第三晶体管M3和一第四晶体管M4,该第三晶体管M3和第四晶体管M4的漏极相连接，该第三晶体管M3和第四晶体管M4各自的源极与衬底相连接，该第三晶体管M3和第四晶体管M4的栅极相连接；第三晶体管M3和第四晶体管M4构成高值MOS伪电阻单元。一第四电容C6、一第五电容C7和一第六电容C8,该第四电容C6与第五电容C7串联在运算放大器11的正相输入端和地之间，该第六电容C8串接在第四电容C6和第五电容C7 之间并接地。放大器等效电路图如图2所示，省略平衡网络12，假设在输入端有一个扰动电势 Vi,在高开环增益的运算放大器11的作用下，运算放大器11的反相输入节点电压Vn为地电位，Vi将通过反相输入耦合电容C1形成电流I，由于运算放大器11相当于“虚短”，电流I 将被全部注入到第一电容C3，产生C1ZiC3倍于Vi的电势Vm，实现第一次放大。但是在节点Vm 上除从节点Vn到节点Vm外，仍存在两条电流通路，即通过第二电容(；到V。和通过第三电容 C5到地，而节点Vn实际上为“虚地点”。因此，如果在从地到节点Vm的通路上串接一个η倍于第一电容C3的第三电容C5,则会在这条支路上产生与节点Vn到节点Vm相同方向的电流 nl。节点Vn到节点Vm的电流I与地到节点Vm的电流nl同相，假设第二电容C4的电容值与第一电容C3相同，它们的和(η+1) I将通过节点Vn流入第二电容C4,从而在放大器的输出节点形成电势V。，实现第二次放大。所述的T型电容网络反馈式CMOS生理信号放大器的交流小信号传输函数表示为
权利要求
1.一种采用τ型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器，包括了反相输入耦合电容和正相输入耦合电容、反馈网络、运算放大器、平衡网络以及输出电容CL，其中所述运算放大器的反相输入端连接反相输入耦合电容，该放大器的正相输入端连接正相输入耦合电容；所述反馈网络的输入端与运算放大器的反相输入端连接，该反馈网络的输出端与运算放大器的输出端连接；所述输出电容与运算放大器的输出端连接；所述平衡网络的输入端与运算放大器的正相输入端连接。
2.根据权利要求1所述的采用T型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器，其中所述的反馈网络包括一第一晶体管和一第二晶体管，该第一晶体管和第二晶体管的漏极相连接，该第一晶体管和第二晶体管各自的源极与衬底相连接，该第一晶体管和第二晶体管的栅极相连接；一第一电容、一第二电容和一第三电容，该第一电容与第二电容串联在运算放大器的反相输入端和输出端之间，该第三电容串接在第一电容和第二电容之间并接地。
3.根据权利要求1所述的采用T型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器，其中所述的平衡网络包括一第三晶体管和一第四晶体管，该第三晶体管和第四晶体管的漏极相连接，该第三晶体管和第四晶体管各自的源极与衬底相连接，该第三晶体管和第四晶体管的栅极相连接；一第四电容、一第五电容和一第六电容，该第四电容与第五电容串联在运算放大器的正相输入端和地之间，该第六电容串接在第四电容和第五电容之间并接地。
4.根据权利要求1所述的采用T型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器，其中所述的运算放大器为运算跨导放大器。
5.根据权利要求1所述的采用T型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器，其中该 T型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器具有带通频率特性，通带的低频截止频率不高于1Hz，高频截止频率不低于5KHz。
全文摘要
一种采用T型电容网络反馈结构的CMOS生理信号放大器，包括了反相输入耦合电容和正相输入耦合电容、反馈网络、运算放大器、平衡网络以及输出电容CL，其中所述运算放大器的反相输入端连接反相输入耦合电容，该放大器的正相输入端连接正相输入耦合电容；所述反馈网络的输入端与运算放大器的反相输入端连接，该反馈网络的输出端与运算放大器的输出端连接；所述输出电容与运算放大器的输出端连接；所述平衡网络的输入端与运算放大器的正相输入端连接。
文档编号H03F1/26GK102158178SQ20111007241
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者张旭, 裴为华, 陈弘达, 黄北举 申请人:中国科学院半导体研究所