本發(fā)明涉及涉及CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，穿戴式醫(yī)用設(shè)備隨著微電子技術(shù)和生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，逐漸進(jìn)入到人們的日常生活中。作為穿戴式醫(yī)用設(shè)備核心芯片中的首級(jí)電路和重要組成部分，模擬前端電路的功耗、信噪比等性能直接決定了系統(tǒng)的工作時(shí)長(zhǎng)和檢測(cè)精度。

生理電勢(shì)信號(hào)的頻率通常低于500Hz，信號(hào)幅度僅有數(shù)百微伏。由于生理電勢(shì)信號(hào)中都包含有幾十毫伏到數(shù)百毫伏的直流失調(diào)電壓。因此，為了濾除該直流失調(diào)電壓，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要在模擬前端的輸入端串聯(lián)一個(gè)隔直電容。但該電容值一般在10微法以上，面積極大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電容與芯片的單片集成。同時(shí)為了滿足芯片中數(shù)字信號(hào)處理的要求，模擬前端中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要具有至少10bit的有效精度。更為重要的是，穿戴式設(shè)備都采用電池供電，放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器必須進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，以滿足長(zhǎng)時(shí)間的待機(jī)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路，以解決現(xiàn)有技術(shù)中：1)由于使用隔直流電容而無(wú)法實(shí)現(xiàn)電容與芯片的單片集成問(wèn)題；2)放大器功耗高的問(wèn)題；3)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣精度和低功耗要求之間的矛盾。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路，包括：放大器100和逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器110，其中，

所述放大器100用于將生理電勢(shì)信號(hào)放大，所述逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器110用于將放大后的生理電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼，輸出給一數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)；

其中，所述放大器100包括跨導(dǎo)放大器、輸入電容Cin1、輸入電容Cin2、共模通路1001a、共模通路1001b、輸入通路1002、輸出通路1003、反饋通路1004，其中，輸入信號(hào)通過(guò)輸入通路1002與輸入電容Cin1的一個(gè)極板相連，輸入電容Cin1的另一個(gè)極板與跨導(dǎo)放大器的正相輸入端連接；共模通路1001a的一端外接電源，另一端通過(guò)輸入電容Cin2與跨導(dǎo)放大器的反相輸入端連接；共模通路1001b并聯(lián)在輸入電容Cin2的兩端；輸出通路1003連接在跨導(dǎo)放大器的輸出端，反饋通路1004的一端與跨導(dǎo)放大器的正相輸入端連接，另一端與輸出通路1003連接。

優(yōu)選地，所述共模通路1001a包括：電阻R1、R2和R3，其中，電阻R1和R2串聯(lián)在電源和地之間；電阻R3的一端連接在電阻R1和R2之間，另一端與輸入電容Cin2連接。

優(yōu)選地，所述電阻R1、R2和R3的阻值相等。

優(yōu)選地，所述共模通路1001b包括：共模輸入電容Cb、場(chǎng)效應(yīng)管M1和M2，其中，場(chǎng)效應(yīng)管M1和M2串聯(lián)，串聯(lián)后的電路與共模輸入電容Cb并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述反饋通路1004包括：反饋電容Cf、場(chǎng)效應(yīng)管M3和M4，其中，場(chǎng)效應(yīng)管M3和M4串聯(lián)，串聯(lián)后的電路與反饋電容Cf并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述跨導(dǎo)放大器包括：NMOS晶體管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5，PMOS晶體管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5，其中，

NMOS晶體管NM5的柵極和漏極相連后外接偏置電流Iin，源極接地；NMOS晶體管NM4的柵極與NMOS晶體管NM5的柵極相連，源極接地，漏極與PMOS晶體管PM3的漏極相連；PMOS晶體管PM3的柵極與漏極相連，形成二極管連接，源極接電源VDD；PMOS晶體管PM4的柵極與PM3柵級(jí)相連，輸入偏置電壓，源極接電源VDD，漏極連接到PMOS輸入晶體管PM1和PM2的源極；PMOS晶體管PM1和PM2的柵極分別輸入負(fù)向輸入信號(hào)VIN和正向輸入信號(hào)VIP，PMOS晶體管PM1的漏極連接到NMOS晶體管NM1的漏極，PMOS晶體管PM2的漏極連接到NMOS晶體管NM2的漏極；NM1的柵極和漏極相連，構(gòu)成二極管連接，源極接地；NM2的柵極與NM1的柵極相連，源極接地；PMOS晶體管PM5的源極接電源VDD，柵極與PMOS晶體管PM4的柵極相連，漏極接NMOS晶體管NM3的漏極；NMOS晶體管NM3的漏極與PMOS晶體管PM5的漏極相連，柵極與NM2的漏極相連，源極接地；

其中，PMOS晶體管PM5的漏極為所述跨導(dǎo)放大器的輸出端Vo。

優(yōu)選地，所述跨導(dǎo)放大器還包括：補(bǔ)償電容Cc和補(bǔ)償電阻Rc，其中，補(bǔ)償電容Cc和補(bǔ)償電阻Rc串聯(lián)，串聯(lián)后的電路一端與NMOS晶體管NM2的漏極相連，另一端與NMOS晶體管NM3的漏極相連。

優(yōu)選地，所述跨導(dǎo)放大器還包括負(fù)載電容CL，負(fù)載電容CL的一個(gè)極板連接在所述跨導(dǎo)放大器的輸出端Vo，另一個(gè)極板接地；所述負(fù)載電容CL用于調(diào)節(jié)所述跨導(dǎo)放大器的帶寬。

優(yōu)選地，所述PMOS晶體管PM1和PM2工作在亞閾值區(qū)。

優(yōu)選地，所述NMOS晶體管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5的結(jié)構(gòu)和型號(hào)相同，PMOS晶體管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5的結(jié)構(gòu)和型號(hào)相同。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，至少具備以下有益效果：

可以理解的是，本發(fā)明提供的這種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路，共模通路1001a產(chǎn)生輸入共模電壓Vcm，輸入共模電壓Vcm通過(guò)共模通路1001b對(duì)跨導(dǎo)放大器進(jìn)行偏置，使得跨導(dǎo)放大器的輸入晶體管工作在亞閾值區(qū)；輸入電容Cin1與反饋電容Cf的比值形成放大器的閉環(huán)增益；輸入電容Cin2將輸入共模結(jié)點(diǎn)與跨導(dǎo)放大器負(fù)向輸入端隔離；反饋通路1004與跨導(dǎo)放大器構(gòu)成閉環(huán)增益級(jí)結(jié)構(gòu)；反饋通路具有高通特性，濾除了生理電勢(shì)信號(hào)中的直流失調(diào)電壓，解決了芯片外串聯(lián)隔直電容的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了放大器的全集成。

另外，本發(fā)明提供的這種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路，通過(guò)在跨導(dǎo)放大器中使用工作在亞閾值區(qū)的輸入晶體管PM1和PM2，使得PM1、PM2具有很低的功耗，而其余晶體管又工作在飽和區(qū)，保證了電路的穩(wěn)定性；通過(guò)在模擬前端中采用逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以在極低的功耗下對(duì)生理電勢(shì)信號(hào)直接進(jìn)行量化、編碼，輸出至數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)進(jìn)行處理；實(shí)踐證明，本發(fā)明提供的這種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路，輸出信號(hào)精度達(dá)到78dB以上，在實(shí)現(xiàn)電路極低功耗的同時(shí)獲得了10bit以上的信噪比輸出，具有精度高、可靠性強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)芯片的應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路的電路原理圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例提供的跨導(dǎo)放大器的電路原理圖；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例提供的用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路在電源電壓為1.8V，輸入信號(hào)為頻率為45Hz、幅度為600μV的正弦信號(hào)，時(shí)鐘頻率為1.25kHz時(shí)的輸出信號(hào)頻譜圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所得到的所有其它實(shí)施方式，都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。

下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

參見圖1，本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路，包括：放大器100和逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器110，其中，

所述放大器100用于將生理電勢(shì)信號(hào)放大，所述逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器110用于將放大后的生理電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼，輸出給一數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)；其中，

參見圖2，所述放大器100包括跨導(dǎo)放大器、輸入電容Cin1、輸入電容Cin2、共模通路1001a、共模通路1001b、輸入通路1002、輸出通路1003、反饋通路1004，其中，輸入信號(hào)通過(guò)輸入通路1002與輸入電容Cin1的一個(gè)極板相連，輸入電容Cin1的另一個(gè)極板與跨導(dǎo)放大器的正相輸入端連接；共模通路1001a的一端外接電源，另一端通過(guò)輸入電容Cin2與跨導(dǎo)放大器的反相輸入端連接；共模通路1001b并聯(lián)在輸入電容Cin2的兩端；輸出通路1003連接在跨導(dǎo)放大器的輸出端，反饋通路1004的一端與跨導(dǎo)放大器的正相輸入端連接，另一端與輸出通路1003連接。

可以理解的是，采用逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠節(jié)約功耗，實(shí)現(xiàn)10bit以上的輸出信噪比。

優(yōu)選地，所述共模通路1001a包括：電阻R1、R2和R3，其中，電阻R1和R2串聯(lián)在電源和地之間；電阻R3的一端連接在電阻R1和R2之間，另一端與輸入電容Cin2連接。

優(yōu)選地，所述電阻R1、R2和R3的阻值相等。

優(yōu)選地，所述共模通路1001b包括：共模輸入電容Cb、場(chǎng)效應(yīng)管M1和M2，其中，場(chǎng)效應(yīng)管M1和M2串聯(lián)，串聯(lián)后的電路與共模輸入電容Cb并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述反饋通路1004包括：反饋電容Cf、場(chǎng)效應(yīng)管M3和M4，其中，場(chǎng)效應(yīng)管M3和M4串聯(lián)，串聯(lián)后的電路與反饋電容Cf并聯(lián)。

可以理解的是，本發(fā)明提供的這種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路，共模通路1001a產(chǎn)生輸入共模電壓Vcm，輸入共模電壓Vcm通過(guò)共模通路1001b對(duì)跨導(dǎo)放大器進(jìn)行偏置，使得跨導(dǎo)放大器輸入晶體管工作在亞閾值區(qū)，具有極小的功耗；輸入電容Cin1與反饋電容Cf的比值形成放大器的閉環(huán)增益；輸入電容Cin2將輸入共模結(jié)點(diǎn)與跨導(dǎo)放大器負(fù)向輸入端隔離；反饋通路1004與跨導(dǎo)放大器構(gòu)成閉環(huán)增益級(jí)結(jié)構(gòu)；反饋通路具有低頻截止頻率，形成高通特性，濾除了生理電勢(shì)信號(hào)中的直流失調(diào)電壓，實(shí)現(xiàn)了放大器的全集成。當(dāng)放大器輸入正弦波信號(hào)時(shí)，反饋通路1004濾除其中的直流成分，只保留其中的交流分量，并通過(guò)共模通路1001b施加新的直流共模成分。放大器將正弦波信號(hào)放大Cin1/Cf倍，輸出以共模電壓Vcm為中心的正弦波信號(hào)。

優(yōu)選地，所述跨導(dǎo)放大器包括：NMOS晶體管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5，PMOS晶體管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5，其中，

NMOS晶體管NM5的柵極和漏極相連后外接偏置電流Iin，源極接地；NMOS晶體管NM4的柵極與NMOS晶體管NM5的柵極相連，源極接地，漏極與PMOS晶體管PM3的漏極相連；PMOS晶體管PM3的柵極與漏極相連，形成二極管連接，源極接電源VDD；PMOS晶體管PM4的柵極與PM3柵級(jí)相連，輸入偏置電壓，源極接電源VDD，漏極連接到PMOS輸入晶體管PM1和PM2的源極；PMOS晶體管PM1和PM2的柵極分別輸入負(fù)向輸入信號(hào)VIN和正向輸入信號(hào)VIP，PMOS晶體管PM1的漏極連接到NMOS晶體管NM1的漏極，PMOS晶體管PM2的漏極連接到NMOS晶體管NM2的漏極；NM1的柵極和漏極相連，構(gòu)成二極管連接，源極接地；NM2的柵極與NM1的柵極相連，源極接地；PMOS晶體管PM5的源極接電源VDD，柵極與PMOS晶體管PM4的柵極相連，漏極接NMOS晶體管NM3的漏極；NMOS晶體管NM3的漏極與PMOS晶體管PM5的漏極相連，柵極與NM2的漏極相連，源極接地；

其中，PMOS晶體管PM5的漏極為所述跨導(dǎo)放大器的輸出端Vo。

優(yōu)選地，所述跨導(dǎo)放大器還包括：補(bǔ)償電容Cc和補(bǔ)償電阻Rc，其中，補(bǔ)償電容Cc和補(bǔ)償電阻Rc串聯(lián)，串聯(lián)后的電路一端與NMOS晶體管NM2的漏極相連，另一端與NMOS晶體管NM3的漏極相連。

優(yōu)選地，所述跨導(dǎo)放大器還包括負(fù)載電容CL，負(fù)載電容CL的一個(gè)極板連接在所述跨導(dǎo)放大器的輸出端Vo，另一個(gè)極板接地；所述負(fù)載電容CL用于調(diào)節(jié)所述跨導(dǎo)放大器的帶寬。

優(yōu)選地，所述PMOS晶體管PM1和PM2工作在亞閾值區(qū)。

可以理解的是，PMOS輸入晶體管PM1和PM2設(shè)置為工作在亞閾值區(qū)，功耗極低，降低了整體電路的功耗，

優(yōu)選地，所述NMOS晶體管NM1、NM2、NM3、NM4和NM5的結(jié)構(gòu)和型號(hào)相同，PMOS晶體管PM1、PM2、PM3、PM4和PM5的結(jié)構(gòu)和型號(hào)相同。

優(yōu)選地，所述逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以例化為10bit/1.25kHz逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。其輸入信號(hào)為被放大Cin/Cf倍的，以共模電壓Vcm為中心的正弦波信號(hào)，經(jīng)過(guò)逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化、編碼，輸出標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制數(shù)字碼。

為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明的要義以及本發(fā)明的有益技術(shù)效果，特選取電源電壓為1.8V，輸入信號(hào)頻率為45Hz、幅度為600μV的正弦信號(hào)，時(shí)鐘頻率為1.25kHz輸入到本發(fā)明提供的這種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路進(jìn)行驗(yàn)證。圖3為根據(jù)本發(fā)明提供的這種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路輸出信號(hào)的頻譜分析結(jié)果。如圖3所示，采用本發(fā)明提供的這種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路，對(duì)上述輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，10bit/1.25kHz逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的頻譜分析結(jié)果顯示輸出信噪比在78dB以上，有效精度9.4bit，功耗僅有76微瓦，技術(shù)效果良好。

綜上所述，本發(fā)明提供的這種用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)的模擬前端電路，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)采用放大器以及逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，放大器通過(guò)內(nèi)置的反饋通路形成高通信號(hào)通路，消除了生理電勢(shì)信號(hào)中的直流失調(diào)電壓，解決了芯片外串聯(lián)隔直電容的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了電路的全集成；(2)通過(guò)在跨導(dǎo)放大器中使用工作在亞閾值區(qū)的輸入晶體管PM1和PM2，使得PM1、PM2具有很低的功耗，而其余晶體管又工作在飽和區(qū)，保證了電路的穩(wěn)定性；(3)通過(guò)在模擬前端中采用逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以在極低的功耗下對(duì)生理電勢(shì)信號(hào)直接進(jìn)行量化、編碼，輸出至數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)進(jìn)行處理；(4)整體模擬前端電路輸出信號(hào)精度達(dá)到78dB以上，在實(shí)現(xiàn)電路極低功耗的同時(shí)獲得了10bit以上的信噪比輸出，具有精度高、可靠性強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適用于生理電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)芯片的應(yīng)用。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。術(shù)語(yǔ)“多個(gè)”指兩個(gè)或兩個(gè)以上，除非另有明確的限定。