[发明专利]可调带内噪声消除环路电路

说明书

本公开提供了一种可调带内噪声消除环路电路，用于直流耦合型神经记录斩波放大器，包括：高通跨导单元，其正、负输入端分别与积分器的正、负输出端相连，所述高通跨导单元的正、负输出端分别与第二级的跨导放大器Gm2的负、正输入端相连；其中，所述高通跨导单元的正、负输入端还分别连接斩波开关，并通过电容Chp分别与第一级跨导放大器Gm1的负、正输入端相连；所述高通跨导单元的正、负输出端还分别通过斩波开关，与第一级跨导放大器的正、负输出端相连，形成噪声消除环路，能抑制更大电极直流失调电压，同时其带内等效输入噪声更小。

技术领域

本公开涉及生物医疗电子领域，如心电监测、脑电监测等信号采集电路，尤其涉及一种应用于直流耦合型神经记录斩波放大器的低功耗可调带内噪声消除环路。

背景技术

在心电、脑电等电生理信号监测电路中，电生理信号幅度在几十微伏到几毫伏之间，因此前端放大器要求的带内等效输入噪声要求在几微伏量级，从而保证信号不被噪声淹没。前端放大器放大倍数通常为100倍左右，以降低后续电路的等效输入噪声，其分为交流耦合型和直流耦合型。为了避免几十到几百毫伏的电极直流失调使得前端放大器饱和，并且保证能采集到0.1Hz到0.5Hz以上的信号，交流耦合型采用大电容隔直，直流耦合型在反馈环路中加入大时间常数积分器，从而抑制直流失调，并且保证前端放大器的高通截止频率在0.1Hz到0.5Hz之间。近十年，直流耦合型引入了斩波结构，相对交流耦合型，面积更小，功耗更小，带内噪声更小， CMRR更高，但是其反馈环路的积分器却增大了前端放大器的带内等效输入噪声。

2007年，Tim D等人使用常规的开关电容积分器，积分电容为100pF 或800pF，大电容降低了开关电容的KT/C采样混叠噪声，并且最后得到在0.05Hz～100Hz之间等效输入噪声为0.95μV，功耗为2μW，但是该方案积分器占用面积大，并且前端放大器的放大倍数降低到20倍，需要输出缓冲放大器提供额外5倍增益。为了降低积分器的面积，QinwenFan等人在2011年使用了全差分Nagaraj开关电容积分器，使得积分电容降为15pF。该积分器中放大器的输入端和输出端加入了斩波开关结构，以降低输入管1/f噪声的影响，但是却引入了斩波开关的噪声电流直接输入到输入管的高阻栅极。同时电容的减小也增大了开关电容结构的KT/C采样混叠噪声。该前端放大器在反馈环路加入积分器后，在的情况下，其0.5Hz～100Hz之间的等效输入噪声从0.7μV增大到6.7μV，功耗为2.1μW。

由于在RC积分器中不存在开关电容的采样混叠噪声，有研究提出了 MOS伪电阻结构和占空比电阻结构，从而在集成电路中实现GΩ以上的阻值。Jerald Y等人在2013年使用了关态的PMOS串联来实现积分电阻，阻值大于10TΩ。结合10pF的积分电容，该积分器的单位增益频率很低，增大Chp，时，前端放大器能抑制300mV的电极直流失调，高通截止频率小于0.5Hz。该积分器的输出接了500pF的MOS电容，以降低积分器中放大器引入的带内噪声，其0.5Hz～100Hz之间的等效输入噪声为 0.91μV，功耗为2.5μW。然而伪电阻阻值受输出幅度、工艺和温度的影响很大，不能保证高通截止频率的精度。Hariprasad C等人使用了占空比电阻，通过调整积分电阻导通时间和时钟周期比值实现大电阻，实现了10GΩ以上的等效电阻，具有很好的线性度和精度，当时，其高通截止频率小于0.5Hz，1Hz～200Hz之间的等效输入噪声为2μV，功耗为2μW。

对于具有ADC的整个前端结构，可以结合数字低通滤波器和DAC来实现电极的直流失调消除。Rikky Muller等人将ADC的输出通过数字低通滤波器，先用一个DAC对电极直流消除进行粗调，再将余量通过另一个 DAC细调，其300Hz内的等效输入噪声为4.3μV，功耗为5.04μW。Arezu Bagheri等人通过一个电流型DAC和斩波开关连接到第一级跨导输出进行电流型反馈，该方法受到输入管尾电流决定的最大输入差分电压的限制，其1Hz～1KHz之间的等效输入噪声为4.2μV，单通道功耗为19.1μW。