一种高性能8通道生物电信号仪表放大器

1.本发明是一种高性能的8通道生物电信号仪表放大器，用于生物信号采集的模拟前端中用来采集并放大生物电信号，其最大特点是多通道工作模式下也具有较高的共模抑制比，同时可以降低对后续低通滤波器的需求。


背景技术：

2.生物电信号采集的环境通常面临大量的共模干扰，这要求采集所使用的仪表放大器必须具有高共模抑制比，医疗诊断要求生物电信号的采集必须以多通道模式的进行来保证信号的可靠性，同时斩波技术被广泛应用于生物电信号仪表放大器中来提升共模抑制比并降低输入参考噪声。为了减少电极的开销，多通道结构通常是所有单通道共用一个参考端来实现的，而这一点带来了系统失配的问题，降低了多通道工作模式下的共模抑制比，斩波技术的使用也会带来一些负面影响，通常生物电信号仪表放大器速度是较慢的，在每一个斩波动作下需要一定时间来反应，使得输出信号上出现一些“尖刺”，而这些尖刺必须通过低通滤波器滤除，这增加了额外的开销。


技术实现要素：

3.一种高性能的8通道生物电信号仪表放大器，采用了经典的复用参考电极的多通道结构，并在此基础上使用了改进型的时分复用技术，可以减小电极复用带来的系统失配，提升放大器共模抑制比。在单通道层面，使用了斩波技术来降低放大器的输入参考噪声同时提升共模抑制比，使用了正反馈环路技术，预充电技术来提升输入差模阻抗，引入了一个直流抑制环路(dc servo loop)来消除电极失调，该环路中的大时间常数积分器由duty-cycle电阻技术来实现，同时使用了t型电容网络技术，在不降低增益的情况下，大大降低输出波型毛刺，同时也一定程度提升了输入共模阻抗。
附图说明
4.图1为8通道生物电信号仪表放大器结构示意图。
5.图2为单个通道放大器具体电路结构示意图。
6.图3为8通道生物电信号仪表放大器具体电路时序示意图。
具体实施方式
7.下面结合附图和具体实施例，对本发明进行详细的描述。
8.如图1所示，每个通道的反向输入端通过两个由一对不交叠的时钟控制的开关分别连接到缓冲器的输入端与输出端，同时缓冲器的输入端直接与参考输入端相连接，而每个通道的同相输入端则作为信号输入端互相独立。任意一个时间段内，clk1-clk8信号所控制的开关中只有一个闭合，其余全部关断，从而保证从该通道的信号输入端看到的输入阻抗与从参考端看到的输入阻抗相等，避免了系统失配。另外一方面，由反向时钟控制的开关
保证其他通道的反向输入端通过缓冲器跟踪参考端输入信号，从而在通道切换时，大大减小信号重新建立所需要的时间。最后这些通道的信号通过一个多路复选器进行输出。
9.在单通道层面，如图2所示，每个通道整体上是一个带斩波的电容耦合型仪表放大器，该放大器的增益负反馈环路与正反馈环路均使用了t型电容网络结构，即使用一个电容将差分反馈环路的两条路径连接起来构成一正一倒向的两个t字型网络。由斩波所带来的输出上的“尖刺”主要是因为放大器中的各个跨导级速度均较慢，尤其是dc servo loop上的跨导级gm3，在斩波开关进行切换的动作时，跨导级不能及时响应，同时电容两端电压不能瞬间变化，此时整个放大器输入电容和负载电容会进行分压，从而导致输出上出现电压“尖刺”，因为gm3速度过慢的原因这一尖峰甚至将变为幅度不可接受的纹波形式。使用t型电容网络将在保持增益的情况下大大降低输入电容的值，从而大大减小这种电容分压效应。
10.预充电技术是在输入斩波器f
ch1
上设置一个死区，在该死区时间内，预充电支路通过buffer对输入电容进行预充电，从而降低在输入斩波器开始工作后从信号源抽取的电荷，提升了差分输入阻。buffer由控制信号控制只在死区内工作，降低了功耗，同时buffer输入端的低频误差被另外一对斩波器fl所调制。直流抑制环路中r
int
通过duty-cycle技术构成，由一个较小的电阻结合一个导通时间非常短的开关构成了一个等效的大电阻，为了防止混叠，ra与ca构成了抗混叠滤波器。
11.图3展示了整个8通道生物电信号仪表放大器的工作时序。其中主斩波f
ch
设定为10khz，f
l
为5khz，通道切换时钟的一个导通时间被设定为完成4次主斩波。f
ch1
的死区被设定为2.5us。dcr的一个脉冲长度被设定为500ps。


技术特征：
1.一种高性能的8通道生物电信号仪表放大器，其特征为同时具有低功耗，低噪声，高共模抑制比，高输入共模/差模阻抗。2.根据权利1所述的一种高性能的8通道生物电信号仪表放大器，在多通道层面，采用了改进型的时分复用技术；在单通道层面，采用了t型电容网络技术，在不降低增益的情况下大大降低由斩波引入的输出波型毛刺。

技术总结
本发明是一种高性能的8通道生物电信号仪表放大器,在使用参考端复用的多通道结构下，通过使用改进型的时分复用技术，放大器依然保持优秀的共模抑制比。同时在每个单通道层面，在增益负反馈环路与正反馈环路上都使用了T型电容网络结构，在不降低增益的基础上，大大降低了输入电容值，使得由斩波技术引入的输出波形毛刺大大减小，减小了对生物信号采集模拟前端中低通滤波器的需求。同时该发明还具有低功耗，低噪声，高输入阻抗等特点。高输入阻抗等特点。高输入阻抗等特点。


技术研发人员：李强 谭博睿
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2022.01.04
技术公布日：2022/5/25