[发明专利]一种用于生物电信号的仪表放大器

说明书

本发明公开了一种用于生物电信号的仪表放大器，其通过采用高频斩波技术使得仪表放大器的闪烁噪声得到大幅减小，达到了很小的噪声水平。同时，本发明通过结合Ping‑Pong自调零放大器结构和隔直电容的使用，在主通路就实现了电容耦合斩波放大器输出纹波的消除，使得仪表放大器的输出不受纹波信号的干扰，得到更大的信号摆幅。另外，本发明通过第二级增益可变放大器和可变密勒电容的使用，实现了仪表放大器可变增益可变带宽的功能，其中增益可从40dB到60dB变化，带宽可从1kHz到10kHz变化，并且增益可变放大器中的主放大器采用了两种电压供电，相较一种电压供电的放大器减少了近一半的功耗。

技术领域

本发明属于生物医疗电子技术领域，具体涉及一种用于生物电信号的仪表放大器。

背景技术

目前，心电图监测系统、脑电图监测系统以及神经信号记录系统是国内外生物医疗电子领域的一个研究热点。心电信号、脑电信号以及神经信号的记录研究具备广泛的应用价值，其中心电信号对探测心脏生理病理变化具有重大意义，脑电信号和神经信号对探测和诊断神经性疾病，如癫痫等有很高的价值，它们的研究进展对未来神经假体、治愈神经性疾病具有重要意义。对于记录和探测以上所述生物信号的电子系统，高性能的仪表放大器是一个至关重要的模块。

生物电信号分布的频带较低，一般在10kHz以下，且信号的幅值微弱，一般在数微伏到数毫伏之间。比如，脑电信号一般分布在0.5Hz到100Hz之间，幅值一般为1μV到100μV之间；心电信号一般分布在0.5Hz到500Hz之间，幅度为1μV到500μV之间；神经信号一般分为动作电位信号和局部电位信号，频率分别在200Hz到10kHz和0.1Hz到200Hz之间，幅值也一般在数百微伏到数毫伏级别。同时在脑电、心电、神经信号的记录系统中，用于检测信号的电极会因为被周围神经元或者细胞的附着导致输出阻抗高达数千欧姆。由于生物电信号的特性，要求应用于生物信号的仪表放大器要具备低噪声、高共模抑制比、高输入阻抗以及高放大倍数。

电容耦合斩波仪表放大器是一种较为常用的应用于生物电信号的仪表放大器类型。电容耦合斩波仪表放大器使用电容反馈，匹配精度相对高，能到达更低的噪声水平，并且不消耗额外的静态电流，能达到低功耗和高增益精度。同时，由于斩波器的使用，放大器的共模抑制比高，可以达到轨到轨输入电压范围。由于这些特点，斩波电容耦合仪表放大器被较多地运用于生物信号的前置放大级。

但是，电容耦合斩波放大器由于斩波器的使用，放大器的等效输入失调电压会被斩波为频率在斩波频率的失调电流交流信号，在后级放大器的密勒电容上积分形成输出电压纹波。假使主放大器的失调电压为10mV，主放大器的跨导为14uS，密勒电容为18pF，斩波频率为20kHz，将在放大器输出端造成幅值大约200mV的输出电压纹波。由于生物医疗信号的微弱性，输出电压纹波很容易对放大后的生物医疗信号造成极大的干扰，并限制仪表放大器的输出电压摆幅。同时，由于生物电信号的频带不尽相同，且要根据后级的模数转换器的需求调节放大倍数，对仪表放大器有了增益和带宽可变的要求。

现有技术中主要有两种方式对电容耦合斩波放大器的输出电压纹波进行消除。第一种方式是通过在电容耦合斩波放大器后接低通滤波器的方式消除输出电压纹波，这种方式使得斩波放大器的斩波频率必须是低通滤波器截止频率的上百倍才能得到较好的纹波消除效果。通常情况下，电容耦合斩波放大器的斩波频率是几十kHz，所以低通滤波器的截止频率要低于1kHz，低通滤波器要实现低于1kHz的截止频率，在模拟集成电路中电容和电阻会消耗需要比较大的芯片面积；另一方面，由于低通滤波器的截止频率要低于1kHz，这会限制斩波放大器适用的信号范围。

第二种方式是通过将电容耦合斩波放大器输出电压纹波转换为交流电流信号，斩波器将交流电流信号调制为直流电流信号，通过积分器对直流电流信号进行积分得到积分电压，而后通过跨导将积分电压转换为电流补偿斩波放大器主放大器的失调，从而达到减小斩波放大器输出电压纹波的效果。但是，由于积分器失调电压的存在，通过跨导形成的补偿电流往往不能准确地补偿斩波放大器的失调，对斩波放大器输出电压纹波不能形成很好的抑制效果。