[发明专利]一种高共模抑制比的电流反馈型仪表放大器

说明书

本发明请求保护一种高共模抑制比的电流反馈型仪表放大器，包括输入跨导放大电路、输入跨导平衡电路、反馈跨导放大电路、反馈跨导平衡电路、跨导电容(Gm‑C)高通滤波电路。本发明采用两个相同的跨导放大器分别作为电路的输入级和反馈级，采用套筒式运算放大器构成的输入跨导平衡电路结构平衡输入跨导放大器的差分电流，采用二级运算放大器构成的反馈跨导平衡电路结构平衡反馈跨导放大器的差分电流，从而消除了由于差分电流失配带来的影响，同时迫使流过电阻R₂的电流I_o等于电阻R₁的电流I_i，从而实现了高共模抑制比。采用跨导电容构成的高通滤波器设定高通极点，隔绝人体噪声和直流失调，有效降低了电路噪声，并减小了电路面积。

技术领域

本发明属于模拟集成电路设计领域，具体涉及一种高共模抑制比的电流反馈型仪表放大器电路的设计。

背景技术

随着可穿戴电子产品和物联网(IoT)技术的快速发展，越来越多的医疗监护仪器也在采用低功耗、微型化、便携式的电路设计方案，如心电图(electrocardiogram，ECG)信号采集及分析系统。图1为一个典型的仪表放大器应用场景。患者可以通过图1所展示的便携式ECG信号采集系统的外置传感器采集ECG信号，并经由本文所述IA进行精确放大，然后通过系统对模拟信号进行处理最后将结果上传至“云端”，再经由“云端”发送给医院医生进行分析后，再将结果上传至云端，返回给患者通过手机查看结果。

由于生物电信号是典型的低频弱幅值电信号，在采集过程中，很容易受到外界噪声的干扰。而为了实现多电极、可穿戴、可植入应用，信号采集电路必须要有足够低的功耗，这无疑需要低功耗和高精度的仪表放大器(Instrumentation Amlifier，IA)电路。IA作为采集系统的模拟前端，起着采集放大生物信号的作用，其性能的优劣会对整个采集系统产生很大的影响。因此迫切需要性能良好的仪表放大器电路。

图2是一种传统的CMOS仪表放大器，其基本思路是采用两个相同的运算放大器A1、A2的正向输入端作为差分输入，并在两个运放放大器A1、A2的反向输入端并联两个电阻R1、R2作为反馈结构构成输入缓冲器，并将运放放大器A1、A2输出端通过电阻R3、R4连接至运算放大器A3的输入端，并在运算放大器A3的输出端及参考电压Vref端并联电阻R5、R6作反馈，当R1＝R2、R3＝R4、R5＝R6时，可以得到三运放仪表放大器的增益GAIN为：式中，V_in为输出差分电压(Vin1-Vin2)，R₁为电阻R1的电阻阻值，R_g为电阻Rg的电阻阻值，R₅为电阻R5的电阻阻值，R₃为电阻R3的电阻阻值。这种三运放仪表放大器非常依赖电阻匹配，若电阻出现失配，则会对整个电路的共模抑制性能产生很大的影响。

现有IA电路设计中存在的共模抑制比(CMRR)不高、噪声性能较差等问题的问题。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种通过电流反馈的方式，使放大器的闭环增益由电阻比值决定，消除了传统三运放结构由于电阻失配带来的影响，大大提高了放大器的共模抑制比的高共模抑制比的电流反馈型仪表放大器。本发明的技术方案如下：

一种高共模抑制比的电流反馈型仪表放大器，其包括：输入跨导放大电路(1)、输入跨导平衡电路(2)、反馈跨导放大电路(3)、反馈跨导平衡电路(4)及跨导电容高通滤波电路(5)，其中所述输入跨导电路(1)的信号输出端分别接所述输入跨导平衡电路(2)、反馈跨导放大电路(3)的信号输出端，所述输入跨导平衡电路(2)的信号输入端接所述输入跨导放大电路(3)差分输入对的漏极端，所述反馈跨导放大电路(3)的信号输入端分别接所述反馈跨导平衡电路(4)的输出端及跨导电容高通滤波电路(5)的输出端，所述反馈跨导平衡电路(4)的信号输入端接所述反馈跨导放大电路(3)输入差分对的漏极端，所述反馈跨导平衡电路(4)的信号输出端接跨导电容高通滤波电路(5)的输入端；