一種以電容無源放大器作為輸入級的生物電信號采集模擬前端的制作方法
【專利說明】一種以電容無源放大器作為輸入級的生物電信號采集模擬刖輛
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于健康監(jiān)護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于便攜式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一種生物電信號采集模擬前端。
【背景技術(shù)】
[0002]便攜式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)通常會監(jiān)測人體的心電、肌電和腦電信號。而這幾種信號幅度非常小(最大的也只有10毫伏，最小的只有20微伏)，這就要求采集這些生物電信號的模擬前端具有極低噪聲，例如等效輸入噪聲密度只有幾十納伏每平方根赫茲。而長時間監(jiān)護(hù)人體又要求健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的功耗特別低，這就要求該系統(tǒng)需要一個低功耗低噪聲的生物電信號采集模擬前端。
[0003]傳統(tǒng)的模擬前端，通常低功耗的情況下等效輸入噪聲會比較大。這是由于噪聲與功耗的平方根之間存在一個反比關(guān)系，所以如何實現(xiàn)一個既低功耗又低噪聲的模擬前端是一個挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種以電容無源放大器作為輸入級的生物電信號采集模擬前端，以降低模擬前端的等效輸入噪聲，即使得模擬前端在低功耗的前提下可以實現(xiàn)低噪聲。
[0005]本發(fā)明提供的生物電信號采集模擬前端，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由電容無源放大器(I)和傳統(tǒng)模擬前端(2)組成。模擬輸入信號VINP、VINN分別與電容無源放大器(I)的輸入端vip、vin相連。電容無源放大器(I)的輸出端vop、von分別與傳統(tǒng)模擬前端(2)的輸入端vip2、vin2相連。放大后的模擬輸出信號V0UTP、V0UTN分別由傳統(tǒng)模擬前端(2)的輸出端口 vop2、von2提供。
[0006]所述的電容無源放大器(1)，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，由6個電容(C1~C6)和20個開關(guān)(SW1-SW20)組成;其中:
同相輸入端vip與開關(guān)SW1、SW3、SW5、SW11、SW13和SW15的一端共點；反相輸入端vin與開關(guān)SW2、SW4、SW6、SW12、SW14和SW16的一端共點；開關(guān)SWl的另一端與電容Cl的一端、開關(guān)SW9的一端共點；開關(guān)SW2的另一端與電容Cl的另一端、開關(guān)SW7的一端共點；開關(guān)SW3的另一端與電容C2的一端、開關(guān)SW7的另一端共點；開關(guān)SW4的另一端與電容C2的另一端、開關(guān)SW8的一端共點；開關(guān)SW5的另一端與電容C3的一端、開關(guān)SW8的另一端共點；開關(guān)SW6的另一端與電容C3的另一端、開關(guān)SWlO的一端共點；開關(guān)SWll的另一端與電容C4的一端、開關(guān)SW19的一端共點；開關(guān)SW12的另一端與電容C4的另一端、開關(guān)SW17的一端共點；開關(guān)SW13的另一端與電容C5的一端、開關(guān)SW17的另一端共點；開關(guān)SW14的另一端與電容C5的另一端、開關(guān)SW18的一端共點；開關(guān)SW15的另一端與電容C6的一端、開關(guān)SW18的另一端共點；開關(guān)SW16的另一端與電容C6的另一端、開關(guān)SW20的一端共點；開關(guān)SfflO的另一端與輸出端von、開關(guān)SW20的另一端共點；開關(guān)SW9的另一端與輸出端vop、開關(guān)SW19的另一端共點。
[0007]采用該電容無源放大器有一下幾個益處:
1、共模輸入阻抗特別大，有利于抑制共模工頻干擾；
2、該電容無源放大器放大時引入的噪聲很小，只有十幾納伏每平方根赫茲，相對于后級儀表放大器的噪聲可以忽略不計，采用該電容無源放大器后，模擬前端的等效輸入噪聲縮小了 3倍。而電容無源放大器基本不消耗功耗，不會增加模擬前端的功耗。所以，電容無源放大器的存在可以在基本不增加功耗的前提下，優(yōu)化模擬前端的噪聲性能降低其噪聲效率因素(NEF)。
[0008]本發(fā)明可應(yīng)用于可穿戴健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0009]圖1為以電容無源放大器作為輸入級的模擬前端的架構(gòu)圖。
[0010]圖2為電容無源放大器的內(nèi)部電路圖。
[0011]圖3為圖2中的開關(guān)的控制信號波形。
【具體實施方式】
[0012]開關(guān)SW1~SW20的控制信號如圖3所示。假定節(jié)點vip和vin的輸入電壓分別為Vi+和V1-，節(jié)點vop和von上的輸出電壓分別為Vo+和Vo-。當(dāng)控制信號值為邏輯I時，開關(guān)SW1~SW6導(dǎo)通，開關(guān)SW7~SW10斷開，開關(guān)SW11~SW16斷開，開關(guān)SW17~SW20導(dǎo)通。此時，電容C1、C2和C3并聯(lián)，它們的端電壓等于輸入電壓Vi (Vi+與V1-的差值);電容C4、C5和C6串聯(lián)，并通過導(dǎo)通的開關(guān)SW19和SW20與輸出端vop和von相連，輸出電壓Vtj等于各個電容的初始電壓之和。當(dāng)控制信號值為邏輯O時，開關(guān)SW1~SW6斷開，開關(guān)SW7~SW10導(dǎo)通，開關(guān)SW11~SW16導(dǎo)通，開關(guān)SW17~SW20斷開。此時，電容C1、C2和C3串聯(lián)，并通過導(dǎo)通的開關(guān)SW9和SWlO與輸出端vop和von相連，輸出電壓Vij等于各個電容的初始電壓之和，即為3Vi;電容C4、C5和C6并聯(lián)，它們的端電壓等于此時輸入電壓V ,.。通過上述過程可以使電容無源放大器輸出電壓Vij (Vo+與Vo-的差值)為輸入電壓的3倍。即電容無源放大器增益為3。若使用更多的電容，電容無源放大器可以設(shè)計為更大的增益。
【主權(quán)項】
1.一種以電容無源放大器作為輸入級的模擬前端電路，其特征在于由電容無源放大器(I)和傳統(tǒng)模擬前端(2)組成；模擬輸入信號VINP、VINN分別與電容無源放大器(I)的輸入端vip、vin相連；電容無源放大器(I)的輸出端vop、von分別與傳統(tǒng)模擬前端(2)的輸入端vip2、vin2相連；放大后的模擬輸出信號VOUTP、VOUTN分別由傳統(tǒng)模擬前端(2)的輸出端口 vop2、von2提供。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬前端電路，其特征在于所述的電容無源放大器(1)，其電路結(jié)構(gòu)由6個電容和20個開關(guān)組成；其中: 同相輸入端vip與第一開關(guān)SW1、第三SW3、第五SW5、第^^一 SW11、第十三SW13和第十五SW15的一端共點；反相輸入端vin與第二開關(guān)SW2、第四開關(guān)SW4、第六開關(guān)SW6、第十二開關(guān)SW12、第十四開關(guān)SW14和第十六開關(guān)SW16的一端共點；第一開關(guān)SWl的另一端與第一電容Cl的一端、第九開關(guān)SW9的一端共點；第二開關(guān)SW2的另一端與第一電容Cl的另一端、第七開關(guān)SW7的一端共點；第三開關(guān)SW3的另一端與第二電容C2的一端、第七開關(guān)SW7的另一端共點；第四開關(guān)SW4的另一端與第二電容C2的另一端、第八開關(guān)SW8的一端共點；第五開關(guān)SW5的另一端與第三電容C3的一端、第八開關(guān)SW8的另一端共點；第六開關(guān)SW6的另一端與第三電容C3的另一端、第十開關(guān)SWlO的一端共點；第^^一開關(guān)SWll的另一端與第四電容C4的一端、第十九開關(guān)SW19的一端共點；第十二開關(guān)SW12的另一端與第四電容C4的另一端、第十七開關(guān)SW17的一端共點；第十三開關(guān)SW13的另一端與第五電容C5的一端、第十七開關(guān)SW17的另一端共點；第十四開關(guān)SW14的另一端與第五電容C5的另一端、第十八開關(guān)SW18的一端共點；第十五開關(guān)SW15的另一端與第六電容C6的一端、第十八開關(guān)SW18的另一端共點；第十六開關(guān)SW16的另一端與第六電容C6的另一端、第二十開關(guān)SW20的一端共點；第十開關(guān)SWlO的另一端與輸出端von、第二十開關(guān)SW20的另一端共點；第九開關(guān)SW9的另一端與輸出端vop、第十九開關(guān)SW19的另一端共點。
【專利摘要】本發(fā)明屬于健康監(jiān)護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體為用于便攜式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的生物電信號采集模擬前端。本發(fā)明模擬前端由電容無源放大器和傳統(tǒng)模擬前端組成；模擬輸入信號VINP、VINN分別與電容無源放大器的輸入端vip、vin相連；電容無源放大器的輸出端vop、von分別與傳統(tǒng)模擬前端的輸入端vip2、vin2相連；放大后的模擬輸出信號VOUTP、VOUTN分別由傳統(tǒng)模擬前端的輸出端口vop2、von2提供；所述的電容無源放大器電路結(jié)構(gòu)由6個電容和20個開關(guān)組成。本發(fā)明既實現(xiàn)了低功耗又實現(xiàn)了低噪聲，解決了模擬前端中難以同時優(yōu)化功耗和噪聲的問題。
【IPC分類】A61B5-04, H03F1-26, H03F1-56
【公開號】CN104579183
【申請?zhí)枴緾N201510006430
【發(fā)明人】秦文輝, 易婷, 洪志良
【申請人】復(fù)旦大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月7日