专利名称：差分电容网络反馈结构cmos生物医学信号采集器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电路与系统、微电子学、集成电路设计方法学及生物医疗电子学等交叉技术领域，特别涉及一种差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器。
背景技术：
我国是世界上人口最大的国家，这必然导致对普通医疗服务需求也是最大；而且我国人口老龄化问题越来越突出，给我国现行的医疗体系带来了较重的负担。另一方面，随着人们生活节奏的加快，工作压力越来越大，处于亚健康状态的人群规模也越来越大,心脏病、高血压、糖尿病成为影响人们健康的三大杀手。对突发疾病进行提早诊断和及时治疗，实时监控患者的健康状况，成为了全社会的迫切需求。大多数医疗设 备往往需要对生物医学信号进行观测、分析和处理，这样才能及时和准确地诊断与治疗。而生物医学信号是人体最直接、最原始也是最能反映病症的信号；其幅值小、频率低且极易受外界设备和环境干扰，从而会叠加大量噪声，降低信号信噪比。因此，从人体中正确、有效地提取生物信号往往具有很大挑战性，该环节性能的好坏将直接影响着后续信号地处理和分析，并最终影响对病理特征地发现和诊断。目前，生物医学信号采集主要从三个方面进行研究
一、基于仪表运算放大器的结构，该结构具有良好的共模抑制能力和高输入阻抗特征；但由于电路中需要对两个输入运算放大器进行严格匹配，在集成化设计中，很难做到高精度的匹配；此外，由于结构中运用了三个运算放大器，功耗和噪声都比较大。二、基于斩波放大器结构，该结构具有较低的噪声特性；但由于采用斩波技术，功耗和面积比较大，不适合于植入式体内信号的探测。三、采用传统的比例运算电路结构，对该电路进行改进后，采用交流耦合电容反馈式拓扑结构，很适合对多种生物医学信号进行采集，具有低噪声、低功耗和小面积的特点。目前正在进行这种技术的研究开发。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有生物医学信号采集领域的技术不足，提供一种提高采集信号的信噪比的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器。为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为
提供一种差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，包括差分前置放大器、差分可变增益放大器及差分四阶开关电容滤波器；其中，
所述差分前置放大器的正向输出端与差分可变增益放大器的反向输入端连接，差分前置放大器的反向输出端与差分可变增益放大器的正向输入端连接；
所述差分可变增益放大器的正向输出端与差分四阶开关电容滤波器的正向输入端连接；差分可变增益放大器的反向输出端与差分四阶开关电容滤波器的反向输入端连接。优选地，所述第一反馈网络包括第一晶体管、第二晶体管、第三电容与第四电容；所述第三电容的一端与全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第三电容的另一端与第四电容的一端连接，第四电容的另一端与全差分跨导运算放大器的反向输出端连接；第一晶体管与第二晶体管的漏极相连；第一晶体管和第二晶体管的源极连接到各自的衬底；第一晶体管的源极与全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第二晶体管的源极还与全差分跨导运算放大器的反向输出端连接；
所述第二反馈网络包括第三晶体管、第四晶体管、第五电容与第六电容；所述第五电容的一端与全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第五电容的另一端与第六电容的一端连接，第六 电容的另一端与全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；第三晶体管与第四晶体管的漏极相连；第三晶体管和第四晶体管的源极连接到各自的衬底；第三晶体管的源极与全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第四晶体管的源极还与全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；
第一、二、三和四晶体管的栅极全部连接在一起，与外部调节电压连接。优选地，第三电容及第四电容的连接点与第五电容及第六电容的连接点之间跨接第七电容。差分前置放大器采用交流耦合全差分的形式，利用其输入端的正向耦合电容和反向耦合电容，能有效抑制消除记录电极与参考电极间的直流漂移。差分前置放大器的增益由输入端正向耦合电容和反向耦合电容的容量值与第一反馈网络和第二反馈网络的等效电容的容量值的比值来决定，避免使用电阻比例中电阻带来的热噪声。第一、二、三和四晶体管偏置在亚阈值区形成伪电阻，一方面给跨导运算放大器提供直流偏置，另一方面与反馈回路上的反馈电容网络形成一个高通低频截止点，有效抑制电路中的低频噪声。通过控制伪电阻的栅压可以控制伪电阻的阻值，从而控制了低频截止点的位置。差分前置放大器中的第七电容对于共模输入信号可看成断开，而对差分输入信号可等效为两个二倍值的第七电容，一个跨接在第三电容和第四电容的交接点与共模参考电平之间，另一个跨接在第五电容和第六电容交接点与共模参考电平之间，构成两个对称的T型第一反馈网络与第二反馈网络，此结构提高前置放大器的共模抑制比的同时，较原T型电容反馈网络进一步减小了电容的容量值。差分前置放大器具有带通特性，其高频截止点由差分跨导运算放大器决定；其低频截止点由第一、二、三和四晶体管的栅极外接电压调节。优选地，全差分跨导运算放大器具有低通滤波特性。所述差分可变增益放大器采用全差分输入输出的拓扑结构，包括第二全差分跨导运算放大器、两个可变电阻网络、第一并联反馈网络及第二并联反馈网络；所述其中一个可变电阻网络的输入端与差分前置放大器的正向输出端连接，该可变电阻网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第一并联反馈网络的输入端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第一并联反馈网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；所述另一个可变电阻网络的输入端与差分前置放大器的反向输出端连接，该可变电阻网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第二并联反馈网络的输入端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接；第二并联反馈网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的反向输出端连接。优选地，所述可变电阻网络包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关及第八开关；第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻的一端与差分前置放大器的反向或正向输出端连接，第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻的另一端与第二全差分跨导运算放大器的正向或反向输入端连接；所述差分前置放大器的反向或正向输出端与第二电阻之间跨接第四开关，第二电阻与第二全差分跨导运算放大器的正向或反向输入端之间跨接第一开关，第一电阻与第一开关之间跨接第三开关；所述差分前置放大器的反向或正向输出端与第三电阻之间跨接第二开关，第三电阻与第二全差分跨导运算放大器的正向或反向输入端之间跨接第五开关，第二开关与第四电阻之间跨接第六开关；第五开关与第六开关之间跨接第七开关，第一开关与第二开关之间跨接第八开关；完成八种不同增益的选择。其中，第一电阻的阻值为第三电阻的两倍，第二电阻的阻值为第三电阻的四倍，第四电阻的阻值为第三电阻的六倍。 优选地，所述第一并联反馈网络包括第九电阻及第一电容，第九电阻及第一电容并联，第九电阻及第一电容的一端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第九电阻及第一电容的另一端与第二全差分跨导运算放大器的反向输出端连接；
所述第二并联反馈网络包括第十电阻及第二电容，第十电阻及第二电容并联，第十电阻及第二电容的一端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第十电阻及第二电容的另一端与第二全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；
第九电阻与第十电阻的电阻值一致，且第九电阻或第十电阻的电阻值为第三电阻的四十倍；第一电容与第二电容的电容量一致。第一并联反馈网络与第二并联反馈网络形成高频截止点，进一步抑制生物医学信号带外的噪声。优选地，所述差分四阶开关电容滤波器采用全差分输入输出拓扑结构，其包括第一全差分开关电容积分器、第二全差分开关电容积分器、第三全差分开关电容积分器、第四全差分开关电容积分器、两个第一反馈电容、两个第二反馈电容、两个第三反馈电容及两个第四反馈电容；其中，四个全差分开关电容积分器级联；所述第一全差分开关电容积分器的正向输入端与反向输出端之间设有其中一个第一反馈电容，第一全差分开关电容积分器的反向输入端与正向输出端之间设有另一个第一反馈电容；所述第二全差分开关电容积分器的反向输入端与正向输出端之间设有其中一个第二反馈电容，第二全差分开关电容积分器的正向输入端与反向输出端之间设有另一个第二反馈电容；所述第三全差分开关电容积分器的正向输入端与反向输出端之间设有其中一个第三反馈电容，第一全差分开关电容积分器的反向输入端与正向输出端之间设有另一个第三反馈电容；所述第四全差分开关电容积分器的正向输入端与反向输出端之间设有其中一个第四反馈电容，第四全差分开关电容积分器的反向输入端与正向输出端之间设有另一个第四反馈电容；且第一反馈电容、第二反馈电容、第三反馈电容及第四反馈电容的容量值各不相同。优选地，所述第一全差分开关电容积分器的两个差分输入信号分别为差分可变增益放大器的差分输出信号及第二全差分开关电容积分器的差分输出信号；第二全差分开关电容积分器的两个差分输入信号分别为第一全差分开关电容积分器的差分输出信号及第三全差分开关电容积分器的差分输出信号；第三全差分开关电容积分器的两个差分输入信号分别为第二全差分开关电容积分器的差分输出信号及第四全差分开关电容积分器的差分输出信号；第四全差分开关电容积分器的两个差分输入信号分别为第三全差分开关电容积分器的差分输出信号及第四全差分开关电容积分器的差分输出信号。第一全差分开关电容积分器将差分可变增益放大器的差分输出信号与第二全差分开关电容积分器的差分输出信号相减之后积分；第二全差分开关电容积分器将第一全差分开关电容积分器的差分输出信号与第三全差分开关电容积分器的差分输出信号相减之后积分；第三全差分开关电容积分器将第二全差分开关电容积分器的差分输出信号与第四全差分开关电容积分器的差分输出信号相减之后积分；第四全差分开关电容积分器将第三全差分开关电容积分器的差分输出信号与第四全差分开关电容积分器的差分输出信号相减之后积分。优选地，所述差分四阶开关电容滤波器采用采用两相不交叠时钟电路作为该差分四阶开关电容滤波器的开关时钟，通过调节开关时钟频率可调节及控制该差分四阶开关电 容滤波器的高频截止点。本发明CMOS生物医学信号采集方法具有增益和带宽均可调节的特点，适合多种不同生物医学信号的测量；整个方法设计中采用全差分结构，可有效抑制背景中的共模噪声。本发明差分前置放大器放大倍数为200倍；差分可变增益放大器放大倍数4倍至40倍八种增益可选；低频截止点于O. 1Ηζ-310Ηζ可调；四阶开关电容滤波器3的时钟频率为IMHz情况下，整个系统可在IOk Hz频点以95dB每10倍频的速度下降，从而有效抑制带外噪声，提高输出信号信噪比。本发明相对于现有技术，具有以下有益效果本发明主要针对各种不同的生物医学信号，以高精度高质量提取信号为目标，基于第三种比例运算电路结构，提出一种基于差分电容网络反馈结构的CMOS生物医学信号采集器。该采集器在差分前置放大器输入部分采用交流耦合方式，有效地去除了生物体的基线噪声，在差分前置放大器的反馈部分采用差分电容反馈网络方法替代现有的T型电容反馈网络方法，可进一步减少电容的容量值，提高共模抑制比。该采集器对传统的差分可变增益放大器进行了改进，只用四个电阻及八个开关就可以实现八种增益的选择，较传统的八电阻八开关实现八种增益选择少了四个电阻，使采集系统更易于CMOS设计实现。该采集器的滤波器部分采用了全差分四阶开关电容滤波器，可有效地抑制生物医学信号的带外噪声，提高信号的信噪比。本申请可以促进生物医学电子前沿技术领域自主知识产权的发展，为全民健康工程中的个性化医疗提供新的技术解决方案，为我国尖端生物医疗事业提供新的经济增长点。本申请创新性地提出了在生物医学信号采集领域的前置放大器中使用差分电容反馈网络结构，提高采集电路共模抑制比的同时降低了电容的容量值；另在可变增益放大器中采用四个电阻及八个开关构成八种增益的控制，较传统八增益控制减少了四个电阻。因此，本申请将使生物医学信号采集链路在用CMOS集成电路工艺实现时可以减小芯片面积，易于SOC芯片集成。
图I为本发明差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器的框 图2为差分前置放大器结构框 图3为差分可变增益放大器结构框 图4为差分四阶开关电容滤波器结构框图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。参照图1，差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，包括差分前置放大器I、差分可变增益放大器2及差分四阶开关电容滤波器3 ;其中，
差分前置放大器I的正向输出端与差分可变增益放大器2的反向输入端连接，差分前置放大器I的反向输出端与差分可变增益放大器2的正向输入端连接；差分可变增益放大器I的正向输出端与差分四阶开关电容滤波器3的正向输入端连接；差分可变增益放大器I的反向输出端与差分四阶开关电容滤波器3的反向输入端连接。 差分前置放大器I通过探针或传感器直接与待测生物体相连接。前置放大器I采用全差分输入输出结构，并可通过控制外界电压Vt对差分前置放大器低频截止点进行调节。差分可变增益放大器2将差分前置放大器I放大后提取的生物医学信号进行再次放大至合适的幅值；通过控制差分可变增益放大器的增益控制开关，可进行八种不同增益的选择。差分四阶开关电容滤波器3具有低通特性，将差分可变增益放大器2再次放大后的生物医学信号进行滤波，可高效抑制信号带外噪声及减小因本发明后级模数转化器采集引起的混叠噪声；可通过控制差分四阶开关电容滤波器3的开关时钟频率，可控制四阶高频截止点。图2为差分前置放大器I的拓扑结构图。该差分前置放大器采用“交流电容耦合-差分电容反馈”式全差分输入输出结构。正向耦合电容C1与第一全差分跨导运算放大器的正向输入端连接；反向耦合电容C2与第一全差分跨导运算放大器的反向输入端连接。电容C1与电容C2可有效抑制被测生物体上的基线漂移。第三电容C3的一端与第一全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第三电容C3的另一端和第四电容C4的一端连接，第四电容C4的另一端与第一全差分跨导运算放大器的反向输入端连接。第五电容C5的一端与第一全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第五电容C5的一端和第六电容C6的另一端连接，第六电容C6的另一端与第一全差分跨导运算放大器的正向输入端连接。在第三电容C3、第四电容C4的连接点与第五电容C5、第六电容C6的连接点之间跨接第七电容c7。在差分信号输入过程中，第七电容C7可等效为两个二倍的C7，一个跨接在第三电容C3与第四电容C4交接点和共模参考电平之间，另一个跨接在第五电容C5与第六电容C6交接点和共模参考电平之间，组成两个对称的T型电容反馈网络，即文中的第一反馈网络与第二反馈网络。对于共模信号的输入过程中，第七电容C7两端可看成断开。第一反馈网络与第二反馈网络可减小差分前置放大器的电容总面积，对共模抑制比也有一定的提高。第一晶体管M1漏极与第二晶体管M2漏极相连；第一晶体管M1和第二晶体管M2的源极连接到各自的衬底；第一晶体管M1的源极还连接至第一全差分跨导运算放大器的正向输入端，晶体管M2的源极还连接至第一全差分跨导运算放大器的反向输出端。晶体管M3漏极与晶体管M4漏极相连；第三晶体管M3和第四晶体管M4的源极连接到各自的衬底；第三晶体管M3的源极还连接至第一全差分跨导运算放大器的反向输入端，第四晶体管M4的源极还连接至第一全差分跨导运算放大器的正向输出端；第一、第二、第三与第四晶体管(MpMyM3和M4)的栅极全部连接在一起，连接至用于栅控制的外界调节电压vt。第一、第二、第三与第四晶体管(11、112、13和％)偏置在亚阈值区，可等效为一较大电阻，该等效电阻可与反馈回路的电容网络形成一个高频截止点，通过控制外界调节电压vt，从而控制高频截止点。第一全差分跨导运算放大器4采用具有低通特性的全差分结构，高频截止点设置在10kHz。图3为差分可变增益放大器2结构框图。所述差分可变增益放大器采用全差分输入输出的拓扑结构，包括第二全差分跨导运算放大器、两个可变电阻网络、第一并联反馈网络及第二并联反馈网络。其中一个可变电阻网络的输入端与差分前置放大器的正向输出端连接，该可变电阻网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第一并联反馈网络的输入端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第一并联反馈网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；另一个可变电阻网络的输入端与差分前置放大器的反向输出端连接，该可变电阻网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第二并联反馈网络的输入端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接；第二并联反馈网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的反向输出端连接。 该差分可变增益放大器2为全差分结构。可变电阻网络包括第一电阻2R、第二电阻4R、第三电阻R、第四电阻6R、第一开关D1、第二开关D2、第三开关D3、第四开关D4、第五开关D5、第六开关D6、第七开关D7及第八开关D8.
第一电阻2R、第二电阻4R、第三电阻R及第四电阻6R的一端与差分前置放大器I的反向或正向输出端连接，第一电阻2R、第二电阻4R、第三电阻R、第四电阻6R的另一端与第二全差分跨导运算放大器的正向或反向输入端连接。差分前置放大器I的反向或正向输出端与第二电阻4R之间跨接第四开关D4，第二电阻4R与第二全差分跨导运算放大器6的正向或反向输入端之间跨接第一开关D1，第一电阻2R与第一开关Dl之间跨接第三开关D3。差分前置放大器I的反向或正向输出端与第三电阻R之间跨接第二开关D2，第三电阻R与第二全差分跨导运算放大器6的正向或反向输入端之间跨接第五开关D5，第二开关D2与第四电阻6R之间跨接第六开关D6 ;第五开关D5与第六开关D6之间跨接第七开关D7，第一开关Dl与第二开关D2之间跨接第八开关DO ;完成八种不同增益的选择。其中，第一电阻2R的阻值为第三电阻R的两倍，第二电阻4R的阻值为第三电阻R的四倍，第四电阻6R的阻值为第三电阻R的六倍。第一并联反馈网络包括第九电阻40R及第一电容C，第九电阻40R及第一电容C并联，第九电阻40R及第一电容C的一端与第二全差分跨导运算放大器6的正向输入端连接，第九电阻40R及第一电容C的另一端与第二全差分跨导运算放大器6的反向输出端连接.
第二并联反馈网络包括第十电阻40R及第二电容C，第十电阻40R及第二电容C并联，第十电阻40R及第二电容C的一端与第二全差分跨导运算放大器6的反向输入端连接，第十电阻40R及第二电容C的另一端与第二全差分跨导运算放大器6的正向输出端连接。第九电阻40R与第十电阻40R的电阻值一致，且第九电阻40R与第十电阻40R的电阻值为第三电阻R的四十倍；第一电容C与第二电容C的电容量一致。第一并联反馈网络与第二并联反馈网络形成高频截止点，进一步抑制生物医学信号带外的噪声。其可变电阻网络5采用四个电阻和八个开关组成新型电阻网络，可选择八种输入电阻值，与阻值为40R的反馈电阻一起完成4倍至40倍八种不同增益的选择。导通开关D2和D5，输入电阻为R，可实现40倍增益；导通开关Dl和D3，输入电阻为2R，可实现20倍增益；导通开关D8、D3和D5，输入电阻为2R和R的串联，可实现13. 33倍增益；导通开关Dl和D4，输入电阻为4R，可实现10倍增益；导通开关D8、D4和D5，输入电阻为4R和R的串联，可实现8倍增益；导通开关D2和D6，输入电阻为6R，可实现6. 67倍增益；导通开关D8、D3和D6，输入电阻为6R和R的串联，可实现5倍增益；导通开关D8、D4和D6，输入电阻为4R和6R的串联可实现4倍增益。跨导运算放大器6采用具有低通特性的跨导运算放大器。图4为差分四阶开关电容滤波器3的拓扑结构图。该差分四阶开关电容滤波器3是通过四个全差分开关电容积分器7构建组成。每个全差分开关电容积分器7将两个差分输入信号进行相减运算后再进行积分运算。第一全差分开关电容积分器的两个差分输入信号分别为差分可变增益放大器2的差分输出信号(Vin+与Vin-)及第二全差分开关电容积分器的差分输出信号(VI+与Vl-);第二全差分开关电容积分器的两个差分输入信号分别为第一全差分开关电容积分器的差分输出信号(Vl_p与Vl_n)及第三全差分开关电容积分器的差分输出信号(V2_p与V2_n);第三全差分开关电容积分器的两个差分输入信号分别为第二全差分开关电容积分器的差分输出信号(VI+与Vl-)及第四全差分开关电容积分器 的差分输出信号(Vo+与Vo-);第四全差分开关电容积分器的两个差分输入信号分别为第三全差分开关电容积分器的差分输出信号(V2_p与V2_n)及第四全差分开关电容积分器的差分输出信号(Vo+与Vo-)。第一全差分开关电容积分器将差分可变增益放大器的差分输出信号与第二全差分开关电容积分器的差分输出信号相减之后积分；第二全差分开关电容积分器将第一全差分开关电容积分器的差分输出信号与第三全差分开关电容积分器的差分输出信号相减之后积分；第三全差分开关电容积分器将第二全差分开关电容积分器的差分输出信号与第四全差分开关电容积分器的差分输出信号相减之后积分；第四全差分开关电容积分器将第三全差分开关电容积分器的差分输出信号与第四全差分开关电容积分器的差分输出信号相减之后积分。四个全差分开关电容积分器的拓扑结构一致，不同点在于跨接在每个全差分开关电容积分器输入、输出端的第一、第二、第三与第四反馈电容的容量值大小不同。该反馈电容的容量值决定全差分开关电容积分器传输函数中传输极点的值，与差分四阶开关电容滤波器3的开关时钟频率一起决定滤波器的高频截止点。本差分四阶开关电容滤波器3的时钟采用两相不交叠时钟电路来控制，可消除混叠现象，提高滤波器的精度。上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
权利要求
1.一种差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于包括差分前置放大器、差分可变增益放大器及差分四阶开关电容滤波器；其中， 所述差分前置放大器的正向输出端与差分可变增益放大器的反向输入端连接，差分前置放大器的反向输出端与差分可变增益放大器的正向输入端连接； 所述差分可变增益放大器的正向输出端与差分四阶开关电容滤波器的正向输入端连接；差分可变增益放大器的反向输出端与差分四阶开关电容滤波器的反向输入端连接。
2.根据权利要求I所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于所述差分前置放大器采用全差分输入输出、交流电容耦合及差分电容反馈的拓扑结构，包括第一全差分跨导运算放大器、正向耦合电容、反向耦合电容、第一反馈网络与第二反馈网络及第七电容；所述第一全差分跨导运算放大器的正向输入端与正向耦合电容连接，第一全差分跨导运算放大器的反向输入端与反向耦合电容连接；所述第一反馈网络的输入端与第一全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第一反馈网络的输出端与第一全差分跨导运算放大器的反向输出端连接；所述第二反馈网络的输入端与第一全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第二反馈网络的输出端与第一全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；第一反馈网络与第二反馈网络之间设有第七电容。
3.根据权利要求2所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于所述第一反馈网络包括第一晶体管、第二晶体管、第三电容与第四电容；所述第三电容的一端与全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第三电容的另一端与第四电容的一端连接，第四电容的另一端与全差分跨导运算放大器的反向输出端连接；第一晶体管与第二晶体管的漏极相连；第一晶体管和第二晶体管的源极连接到各自的衬底；第一晶体管的源极与全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第二晶体管的源极还与全差分跨导运算放大器的反向输出端连接； 所述第二反馈网络包括第三晶体管、第四晶体管、第五电容与第六电容；所述第五电容的一端与全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第五电容的另一端与第六电容的一端连接，第六电容的另一端与全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；第三晶体管与第四晶体管的漏极相连；第三晶体管和第四晶体管的源极连接到各自的衬底；第三晶体管的源极与全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第四晶体管的源极还与全差分跨导运算放大器的正向输出端连接； 第一、二、三和四晶体管的栅极全部连接在一起，与外部调节电压连接。
4.根据权利要求3所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于第三电容及第四电容的连接点与第五电容及第六电容的连接点之间跨接第七电容。
5.根据权利要求I所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于所述差分可变增益放大器采用全差分输入输出的拓扑结构，包括第二全差分跨导运算放大器、两个可变电阻网络、第一并联反馈网络及第二并联反馈网络；所述其中一个可变电阻网络的输入端与差分前置放大器的正向输出端连接，该可变电阻网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第一并联反馈网络的输入端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第一并联反馈网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的正向输出端连接；所述另一个可变电阻网络的输入端与差分前置放大器的反向输出端连接，该可变电阻网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第二并联反馈网络的输入端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接；第二并联反馈网络的输出端与第二全差分跨导运算放大器的反向输出端连接。
6.根据权利要求5所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于所述可变电阻网络包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关及第八开关；第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻的一端与差分前置放大器的反向或正向输出端连接，第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻的另一端与第二全差分跨导运算放大器的正向或反向输入端连接；所述差分前置放大器的反向或正向输出端与第二电阻之间跨接第四开关，第二电阻与第二全差分跨导运算放大器的正向或反向输入端之间跨接第一开关，第一电阻与第一开关之间跨接第三开关；所述差分前置放大器的反向或正向输出端与第三电阻之间跨接第二开关，第三电阻与第二全差分跨导运算放大器的正向或反向输入端之间跨接第五开关，第二开关与第四电阻之间跨接第六开关；第五开关与第六开关之间跨接第七开关，第一开关与第二开关之间跨接第八开关； 其中，第一电阻的阻值为第三电阻的两倍，第二电阻的阻值为第三电阻的四倍，第四电阻的阻值为第三电阻的六倍。
7.根据权利要求6所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于所述第一并联反馈网络包括第九电阻及第一电容，第九电阻及第一电容并联，第九电阻及第一电容的一端与第二全差分跨导运算放大器的正向输入端连接，第九电阻及第一电容的另一端与第二全差分跨导运算放大器的反向输出端连接； 所述第二并联反馈网络包括第十电阻及第二电容，第十电阻及第二电容并联，第十电阻及第二电容的一端与第二全差分跨导运算放大器的反向输入端连接，第十电阻及第二电容的另一端与第二全差分跨导运算放大器的正向输出端连接； 第九电阻与第十电阻的电阻值一致，且第九电阻或第十电阻的电阻值为第三电阻的四十倍；第一电容与第二电容的电容量一致。
8.根据权利要求I所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于所述差分四阶开关电容滤波器采用全差分输入输出拓扑结构，其包括第一全差分开关电容积分器、第二全差分开关电容积分器、第三全差分开关电容积分器、第四全差分开关电容积分器、两个第一反馈电容、两个第二反馈电容、两个第三反馈电容及两个第四反馈电容；其中，四个全差分开关电容积分器级联；所述第一全差分开关电容积分器的正向输入端与反向输出端之间设有其中一个第一反馈电容，第一全差分开关电容积分器的反向输入端与正向输出端之间设有另一个第一反馈电容；所述第二全差分开关电容积分器的反向输入端与正向输出端之间设有其中一个第二反馈电容，第二全差分开关电容积分器的正向输入端与反向输出端之间设有另一个第二反馈电容；所述第三全差分开关电容积分器的正向输入端与反向输出端之间设有其中一个第三反馈电容，第一全差分开关电容积分器的反向输入端与正向输出端之间设有另一个第三反馈电容；所述第四全差分开关电容积分器的正向输入端与反向输出端之间设有其中一个第四反馈电容，第四全差分开关电容积分器的反向输入端与正向输出端之间设有另一个第四反馈电容；且第一反馈电容、第二反馈电容、第三反馈电容及第四反馈电容的容量值各不相同。
9.根据权利要求8所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于所述第一全差分开关电容积分器的两个差分输入信号分别为差分可变增益放大器的差分输出信号及第二全差分开关电容积分器的差分输出信号；第二全差分开关电容积分器的两个差分输入信号分别为第一全差分开关电容积分器的差分输出信号及第三全差分开关电容积分器的差分输出信号；第三全差分开关电容积分器的两个差分输入信号分别为第二全差分开关电容积分器的差分输出信号及第四全差分开关电容积分器的差分输出信号；第四全差分开关电容积分器的两个差分输入信号分别为第三全差分开关电容积分器的差分输出信号及第四全差分开关电容积分器的差分输出信号； 第一全差分开关电容积分器将差分可变增益放大器的差分输出信号与第二全差分开关电容积分器的差分输出信号相减之后积分；第二全差分开关电容积分器将第一全差分开关电容积分器的差分输出信号与第三全差分开关电容积分器的差分输出信号相减之后积分；第三全差分开关电容积分器将第二全差分开关电容积分器的差分输出信号与第四全差分开关电容积分器的差分输出信号相减之后积分；第四全差分开关电容积分器将第三全差分开关电容积分器的差分输出信号与第四全差分开关电容积分器的差分输出信号相减之后积分。
10.根据权利要求1-9任一项所述的差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，其特征在于所述差分四阶开关电容滤波器采用两相不交叠时钟电路作为该差分四阶开关电容滤波器的开关时钟，通过调节开关时钟频率可调节及控制该差分四阶开关电容滤波器的高频截止点。
全文摘要
本发明公开了一种差分电容网络反馈结构CMOS生物医学信号采集器，包括差分前置放大器、差分可变增益放大器及差分四阶开关电容滤波器；其中，差分前置放大器的正向输出端与差分可变增益放大器的反向输入端连接，差分前置放大器的反向输出端与差分可变增益放大器的正向输入端连接；差分可变增益放大器的正向输出端与差分四阶开关电容滤波器的正向输入端连接；差分可变增益放大器的反向输出端与差分四阶开关电容滤波器的反向输入端连接。本申请创新性地提出了在生物医学信号采集领域的前置放大器中使用差分电容反馈网络结构，提高采集电路共模抑制比的同时降低了电容的容量值。
文档编号H03H11/02GK102832904SQ20121029892
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月22日 优先权日2012年8月22日
发明者吴朝晖, 梁凯, 李斌 申请人:华南理工大学