[发明专利]生物电传感器模拟前端电路

说明书

本发明提出了一种生物电传感器模拟前端电路，包含两个前馈放大器及其各自的反馈网络、输出共模电压检测器、误差放大器、泄漏电流补偿器、电阻分压器，可以有效抑制多种泄漏电流的共模成分。

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种生物电传感器模拟前端电路。

背景技术

仪表放大器是一种精密差分电压放大器，可以提供很高的共模抑制能力，避免环境中很大的工业用电频率(50Hz/60Hz工频)的干扰；这种干扰叠加在很小的待测差分信号上，形成整体输入信号的共模部分，通常达到几Vpp，甚至几十Vpp。仪表放大器还提供匹配的很高的输入阻抗，避免对输入信号源产生负载分压效应导致无法真实提取出差分信号的问题，另外高输入阻抗也可降低差分信号源阻抗不匹配带来的共模抑制能力下降问题。在需要的带宽内放大待测差分信号，同时抑制其他带宽外成分，因而仪表放大器有时要集成滤波功能，即加入电阻电容一起构造零极点；有时，特别是生物电领域的信号具有很小的带宽频率下限，比如1Hz以下，需要很大的电阻电容组合。

经典的仪表放大器结构，如图1所示，通过两个前馈放大器、电阻R1、R2、R3、R4，构成一对称的电路；其中，R1与R2阻值相等，R3与R4阻值相等，电阻R1、R3、R4、R2在两个前馈放大器的输出端之间串联；一个前馈放大器的正输入端接差分输入信号的第一信号Vin，负输入端连接电阻R1、R3的连接节点；另一个前馈放大器的正输入端接差分输入信号的第二信号Vip，负输入端连接电阻R2、R4的连接节点；电阻R3、R4的连接节点接入有一固定的参考电压Vref。上述结构的仪表放大器，可提供匹配的很高的输入阻抗，避免输入源的阻抗对系统的共模抑制产生较大影响；电路对称可以避免环境如温度、工艺等对差分信号的放大产生较大影响；设置R1阻值大于R3阻值时，可对差分信号提供放大增益，但是会同时对共模信号放大相同的倍数，不利于整体的共模抑制。

如图2所示，是应用于生物电领域时仪表放大器的一种改进结构，其包含两个前馈放大器、电阻R1、R2、R5、R6和电容C1、C2、C3、C4；相比图1的电路，在改进结构中将原有的电阻R3、R4替换为电容C3、C4，使R1、C3、C4、R2在两个前馈放大器的输出端之间串联，并且R1与C1并联，R2与C2并联；还将原有固定参考电压Vref，替换为由对称电阻R5、R6分压出来的共模输入电压Vcm；电阻R5、R6在两个前馈放大器的正输入端之间串联，R5、R6的连接节点的电压对应于共模输入电压Vcm，其接入到电容C3、C4的连接节点。

上述改进结构消除了仪表放大器经典结构中的缺点，即对差分信号放大的同时，共模信号不会被放大而只是以单位增益的形式被跟随，整体的共模抑制得以提高；对C3、C4电容的替换实现了高通滤波功能的集成，R1、C1(R2、C2)形成高通转角频率，设置电容之间阻抗的关系为C1＝C2C3＝C4，则对应高通频点以上的差分AC信号，会被放大相应倍数。然而，为了避免因R5、R6的设置导致输入阻抗的降低，需要为R5、R6设计很大的阻值；此外，在生物电领域应用时，一些生物电信号比如ECG(心电图)、EEG(脑电图)的高通转角频率很小(经常在1Hz以下)，导致R1、C1的乘积要很大，为避免电容外接，也需要为R1、R2设置很大的阻值。

伪电阻是一种以非电阻器件(比如MOS管)的形式，构造等效阻值很大、功能近似于电阻的结构。经典的伪电阻结构中，两个二极管连接的PMOS管左右对称，背靠背地连接形成伪电阻；图3、图3a是两种PMOS管背靠背连接的示例。伪电阻的形式下，通过选取不同Vth或栅氧厚度的MOS管，或调整MOS管的宽长比等，可以实现几百兆欧(MΩ)至吉欧(GΩ)范围甚至太欧(TΩ)级的等效阻值。