[发明专利]一种减小增益误差的增益可调仪表放大器

说明书

本发明公开了一种减小增益误差的增益可调仪表放大器，通过可编程增益电阻网络中调节开关组的导通，实现仪表放大器可变增益的功能，其中增益大小可通过调整串联的阻值大小来确定。本专利提出电阻网络开关连接方式，可以保证仪表放大器在不同增益下的增益误差精度较小，确保仪表放大器增益误差的精度。本发明还结合斩波调制技术，仪表放大器的低频闪烁噪声和失调电压可以被调制到带外，并且共模抑制比也可以得到提升。

技术领域

本发明属于模拟集成电路设计领域，具体涉及一种用于生物电信号测量的减小增益误差的增益可调仪表放大器电路的设计。

背景技术

 近年来，随着社会经济的发展以及个人健康意识日益增强，个人对身体健康状况的重视程度逐步提高，医疗保健已经成为人类社会关注的焦点。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（Electrocardiograph, ECG）、脑电（Electroencephalograph, EEG）等生理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血管疾病具有重大意义，脑电信号对探测和诊断如癫痫等疾病有很高的价值，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。对于采集和监测ECG、EEG等生物电信号的模拟前端芯片，仪表放大器(Instrumentation Amplifier，IA)是一个至关重要的模块，它的性能对整个医疗电子系统的性能起到决定性的作用。

模拟前端芯片必须适应复杂的人体生理环境，人体内部有很大的噪声源；此外，在使用环境中也存在各种噪声源，在生理信号的采集中表现为微弱的生物电信号（差分信号）伴随着很大的噪声（共模信号），如ECG信号的幅度在几十uV至10mV左右，而其共模干扰可能达到几百mV，甚至数V。因而在很多情况下，共模信号的幅度可能要比微弱的差分信号大几个数量级。此外，生物电信号一般是几Hz到几百Hz的低频信号，而低频下的输入噪声主要为1/f噪声和直流失调。因此，要求前端仪表放大器有较高的共模抑制比和很好的抑制噪声特性。仪表放大器一方面将微弱的差分信号放大到适合后级模数转换电路处理的水平，另一方面抑制由于人体、环境带来的共模干扰、避免共模干扰转化为差模信号，后级电路更容易处理被放大的差分信号。高共模抑制比、低噪声且宽输入共模范围的仪表放大器是电路设计的难点，原因是在较大的输入共模范围下仪表放大器被要求仍然有较为稳定的性能。

 仪表放大器最基本的功能是将微弱信号放大到适合后级模数转换电路能够处理的水平。根据个体差异、所测生物电信号种类差异，仪表放大器应该具有可调的增益系数以适应其不同的运用场景。如图1所示的三运放架构是传统的仪表放大器，其中A1和A2为相同结构的放大器，R_f1=R_f2，R_1=R_2，R_3=R_4, 其一般使用轨到轨输入/输出的运算放大器为核心放大器，具有较宽的输入电压范围和较高的共模抑制比，其性能比较稳定可靠。因而，三运放结构成为仪表放大器产品的主流架构。其放大器开环增益足够大的情况下，三运放差模增益为gain′=(1+2R_f1/R_G)*(R_1/ R_3)，理想增益为gain时，增益误差可表示为|gain-gain′|/gain。三运放通常利用调节电阻R_G的大小实现增益可调，该方式的电路简单易实现，可以选择购买精度高的外挂电阻提升仪表放大器的增益误差精度，但成本提高且集成度不够。对集成度要求较高的仪表放大器，通常片内实现可调增益，可以利用开关控制任意与增益相关的电阻的大小，开关的导通阻抗会改变其反馈回路中等效电阻的大小，根据增益及增益误差表达式可知其反馈回路的电阻直接影响增益误差，开关的导通阻抗会成为影响仪表放大器增益误差的一关键因素。

发明内容

本发明的目的是，提供一种生物信号仪表放大器，实现增益可调的同时减小其增益误差，并实现高共模抑制比、低噪声等稳定的性能，以克服传统结构中存在的缺陷。

 为了达到上述目的，本申请所采用的技术方案为：提供一种应用于生物医疗前端的仪表放大器，具体包括两个斩波放大器和可编程电阻网络，仪表放大器的可编程增益电阻网络包括电阻RG，以及开关组SW0、 SW1、SW2、…、SWk+1，以及与可配置增益数量k匹配的电阻Rk，其中k≥1，k为正整数。