CN111371413B 一种适用于人体脉搏信号的模拟前端电路（桂林电子科技大学）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(65)同一申请的已公布的文献号(43)申请公布日2020.07.03(73)专利权人桂林电子科技大学地址541004广西壮族自治区桂林市七星区金鸡路1号(74)专利代理机构桂林市持衡专利商标事务所有限公司45107专利代理师陈跃琳全文数据库医药卫生科技辑(月刊)》.2015,第三审查员王文武一种适用于人体脉搏信号的模拟前端电路本发明公开一种适用于人体脉搏信号的模极低的低频截止点，并且减少了芯片整体面积，降低了芯片流片的成本，有利于提高集成度，符合生物医疗便携设备的体积小、功耗低的要求。21.一种适用于人体脉搏信号的模拟前端电路，其特征是，该模拟前端电路包括电容C1、电路的正向输入端，并与输入电压信号Vin+相连，电容C1的另一端与OTA的正向输入端相连；电容C'1的一端形成模拟前端电路的反向输入端，并与输入电压信号Vin-相连，电容C'1的另一端与跨导放大器的反向输入端相连；电容C2的一端与跨导放大器的正向输入端相连，另一端与跨导放大器的反向输出端相连；电容C'2的一端与跨导放大器的反向输入端相连，另一端与跨导放大器的正向输出端相连；伪电阻Rpseud的A端与跨导放大器的正向输入入端相连，B端与跨导放大器的正向输出端相连；电容C的一端与跨导放大器的反向输出端相连，并形成模拟前端电路的反向输出端，电容C的另一端与地端相连；电容C的一端与跨导放大器的反向输出端相连，并形成模拟前端电路的正向输出端，电容C的另一端与地端相连；2.根据权利要求1所述的一种适用于人体脉搏信号的模拟前端电路，其特征是，电容C1和C1的型号相同，电容C2和C'2的型号相同，电容C和C'的型号相同。3.根据权利要求1所述的一种适用于人体脉搏信号的模拟前端电路，其特征是，跨导放向输入端；漏极相连接；极相连接；3阻Rs4的一端相连接；电阻Rs1-Rs4的另一端同时接地；放大器的正向输出端Vout+;NMOS管M6的漏极、PMOS管M8的漏极、以及PMOS管M13的衬底和源极相连接，并形成跨导放大器的反向输出端Vout-。4.根据权利要求3所述的一种适用于人体脉搏信号的模拟前端电路，其特征是，PMOS管4技术领域[0001]本发明涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种适用于人体脉搏信号的模拟前端电路。背景技术[0002]随着社会经济和科学技术的快速发展，人们对于自身的身体健康状况也更加重视，生物医疗领域得到了快速发展。此外，微电子技术与生物医学不断结合并创新进步，使之更加便捷化、智能化、高效化。例如，部分智能手机和智能手环等便携设备带有心率监测和血氧测量等功能。不断将医疗保健元素不断的向便捷式电子产品引入，使得对于脉搏、血氧、体温和血压等表征人体健康水平的信息的获取更加简易。[0003]但由于人体脉搏信号存在幅度小、频率低、且易受干扰等特性，故信号的预处理不可或缺。高性能的信号处理电路应具备放大弱幅信号、滤除主信号频率外的无关信号的作用，且能为后续的模数转换提供输入保障。与此同时，信号处理电路设计时应考虑不能引进过多的噪声与失调，且应具有较高的共模抑制比(CMRR)和电源抑制比(PSRR)。[0004]由于人体脉搏信号频率集中在0.5Hz-5Hz,最高不超过40Hz,所以对于人体脉搏信号的模拟前端电路，需要设计极低的低频截止点来去除信号以外的噪声频率。为了达到极低的低频截止点设计要求，当前有以下几种方案实现：1、采用分立器件电阻和电容来达到极低频截止点的设计要求，但是这种方案会增加集成电路的功耗而且不利于集成。2、使用集成电阻和集成电容来达到极低频截止点的设计要求，这种方案虽然能够提高电路的集成性，但是现有的集成电阻最大不超过兆欧姆(MΩ),集成电容也不超过50pF,此外由于工艺的原因，电阻易受影响，电阻阻值准确度也大大受影响。因此这种方案也远远达不到极低频截止点的设计要求。3、专门设计一个滤波器电路，这种方案虽然能达到极低频截止点设计要求，但是却额外增加了功耗，不符合低功耗的要求。4、采用MOS管伪电阻结构来达到极低频截止点设计要求，但是当前的伪电阻结构存在着线性度差，伪电阻阻值变化波动大。发明内容[0005]本发明针对人体脉搏信号幅度小和频率低的问题，提供一种适用于人体脉搏信号的模拟前端电路。[0006]为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：[0007]一种适用于人体脉搏信号的模拟前端电路，该模拟前端电路包括电容C1、C1、C2、的正向输入端，并与输入电压信号Vin+相连，电容C1的另一端与OTA的正向输入端相连；电容C'1的一端形成模拟前端电路的反向输入端，并与输入电压信号Vin-相连，电容C'1的另一端与跨导放大器的反向输入端相连；电容C2的一端与跨导放大器的正向输入端相连，另一端与跨导放大器的反向输出端相连；电容C2的一端与跨导放大器的反向输入端相连，另一端与跨导放大器的正向输出端相连；伪电阻Rpseud的A端与跨导放大器的正向输入端相5连，B端与跨导放大器的反向输出端相连；伪电阻Rseudo的A端与跨导放大器的反向输入端相连，B端与跨导放大器的正向输出端相连；电容C的一端与跨导放大器的反向输出端相连，并形成模拟前端电路的反向输出端，电容C的另一端与地端相连；电容C的一端与跨导放大器的反向输出端相连，并形成模拟前端电路的正向输出端，电容C的另一端与地端相连。号相同。管M17的漏极和NMOS管M18的漏极相连，并与电压VDD相连；NMOS管Mc衬底和漏极连接，并与以及电流源Ibias;PMOS管M1的栅极形成衬底和源极与电阻Rs3的一端相连接；PMOS管M6的衬底和源极与电阻Rs4的一端相连接；电阻Rs1-Rs4的型号相同。[0014]与现有技术相比，本发明的模拟前端电路能够实现极低的低频截止点，并且减少了芯片整体面积，降低了芯片流片的成本，有利于提高集成度，符合生物医疗便携设备的体积小、功耗低的要求。此外，本发明的伪电阻结构，其阻值最大能达到GΩ,与现有的伪电阻结构相比，改善了伪电阻的线性度，提高了集成度，总的谐波失真(THD)小于1%。6附图说明[0021]一种适用于人体脉搏信号的模拟前端电路，其整体电路架构如图1所示，电路包7[0029]此时形成一个带通滤波器从而达到抑制脉搏信号以外的噪声的效果。[0030]本发明的模拟前端电路有着稳定的闭环增益和低噪声特性。电路增益由C1和C2决定，近似等于C1/C2。输入端使用电容C1作为AC耦合，减合结构解决了直流漂移的问题，还能降低共模干扰并提高电路的电源抑制比。直流反馈通阻Rseudo与反馈电容C2形成了一个低频高通极点，可以减少低频噪声的干扰。此电路采用全差分形式，以增强电源抑制比和共模抑制比，从而降低电源噪声和共模噪声的干扰。电路的[0032]近似等于C1和C2的比值。为放大器选取合适的中频增益是必要的，因为较低的增益会影响整个电路的放大性能，而过高的增益则会降低放大器的精度。栅极形成跨导放大器的反向输入端。PMOS管M9的栅极和漏极、PMOS管M10的栅极、以及直流M12衬底和源极、以及PMOS管M13的衬底和源极相连接。PMOS管M11的漏极和栅极与PMOS管M12的漏极和栅极相连接。PMOS管M13的漏极和栅极与PMOS管M14的漏极和栅极相连接。PMOS管M5的漏极和栅极、以及NMOS管M6的栅极相连接。PMOS管M9的衬底和源极、PMOS管M10的衬底和源极、PMOS管M7的衬底和源极、以及PMOS管M8的M3的衬底和源极与电阻Rs1的一端相连接。NMOS管M4的衬底和源极与电阻Rs2的一端相连接。NMOS管M5的衬底和源极与电阻Rs3的一端相连接。PMOS管M6的衬底和源极与电阻Rs4的管M11的衬底和源极相连接，并形成跨导放大器的正向输出端Vout+。NMOS管M6的漏极、PMOS相同。[0034]本发明的OTA电路包括共模反馈模块和两级放大模块。共模反馈模块包括管Rs1-Rs4,以及电流源Ibias.OTA采用了全差分结构，OTA电路由共模反馈电路和两级放大器组成，其中共模反馈电路能够提供稳定直流工作点，放大电路采用两级源跟随器级联。因为差分电路的负反馈无法控制放大器的输出电压，于是需要额外的共模反馈电路来稳定全差分放大器的输出直流电平。电路用PMOS管作为输入对，通过增加输入对管M1、M2面积还可以先施加到源跟随器的输入对管M1和M2的栅极上，使PMOS管M1和M2的源极驱动负载，然后第8PMOS管M16的源极相连接。NMOS管M17的漏极和NMOS管M18的漏极相连，并与电压VDD相连。Rs4的型号相同。[0036]伪电阻重要的部分就是辅助电路，辅助电路用来保证MOS管工作在亚阈值区以得变伪电阻的阻抗以改变不同的低截止点f。从图中可以看出，电压Vcontrol从-1.65V变化到-1.3V,低截止频率点从0.5Hz变化到300Hz,电路整体功耗约为3uW,CMRR为110dB,PSRR为三×+吉BB9