一種用于ECG信號(hào)獲取的低噪聲斬波放大器

馬 乾，張 瑛，黃常華，劉 凱

1.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院，江蘇 南京 210023

2.南京郵電大學(xué) 射頻集成與微組裝技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023

隨著社會(huì)的發(fā)展和人口老齡化的加劇，對(duì)健康監(jiān)測(cè)和醫(yī)療保健的需求迅速增加。小型化、便攜化和智能化成為新型生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)［1］。心電信號(hào)（Electrocardiogram，ECG）作為多種生物醫(yī)學(xué)信號(hào)之一，可以反映心臟活動(dòng)的狀態(tài)，對(duì)心血管疾病的預(yù)防和診斷具有重要意義。

ECG信號(hào)是一種低頻微弱信號(hào)，由P波、QRS波以及T波組成，最大幅值通常低于5 mV，如圖1所示［2］。此外，采集電極具有較高的阻抗并且存在高達(dá)50 mV的直流失調(diào)電壓。因此，為了獲取高質(zhì)量的ECG信號(hào)，采集放大器需要具有低噪聲、高輸入阻抗和高通濾波的特性。此外，由于應(yīng)用于便攜式設(shè)備中，還需具有低功耗和小尺寸的特點(diǎn)。

圖1 ECG信號(hào)波形圖

目前，用于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集最常見(jiàn)的放大器結(jié)構(gòu)是Harrison等［3］提出的電容耦合儀表放大器。斬波技術(shù)可以有效減小1/f噪聲，但無(wú)法隔離電極的直流失調(diào)，因此需要加入直流失調(diào)消除環(huán)路。Denison等［4］使用一種基于開(kāi)關(guān)電容積分器的反饋型電極失調(diào)消除回路構(gòu)造高通極點(diǎn)，可抑制50 mV的失調(diào)，但是需要800 pF的片上電容。Fan等［5］采用超大時(shí)間常數(shù)開(kāi)關(guān)電容積分器，將片上電容減小到30 pF，但是增大了噪聲。Yoo等［6］采用偽電阻技術(shù)，減小了面積與噪聲，但是偽電阻隨PVT變化很大，電路穩(wěn)定性較差。Chandrakumar等［7］采用占空比電阻技術(shù)，穩(wěn)定性較強(qiáng)，但是仍然需要2 MΩ的電阻和40 pF的電容。Tu等［8］提出一種前饋技術(shù)，與反饋相比，可進(jìn)一步減小面積，但采用了超大時(shí)間常數(shù)開(kāi)關(guān)電容積分器，噪聲較大。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種低噪聲電容耦合斬波儀表放大器。采用斬波技術(shù)減小了1/f噪聲，引入正反饋環(huán)路提高了輸入阻抗。為了消除電極直流失調(diào)電壓，通過(guò)改進(jìn)的前饋型電極失調(diào)消除回路構(gòu)造低于0.5 Hz的高通極點(diǎn)，與反饋回路相比，減小了電路面積。在前饋回路當(dāng)中采用占空比電阻等效為一個(gè)大電阻，與偽電阻和開(kāi)關(guān)電容電阻相比，在精度和噪聲方面獲得較好的平衡。

1 電路原理

電容耦合斬波儀表放大器整體框圖如圖2所示，包括主運(yùn)放單元，阻抗提升回路，前饋型電極失調(diào)消除回路。

圖2 低噪聲電容耦合斬波儀表放大器整體框圖

其中主運(yùn)放單元用來(lái)放大ECG信號(hào)，抑制1/f噪聲，阻抗提升回路用來(lái)增大由于引入斬波而減小的輸入阻抗，前饋型電極失調(diào)消除回路用來(lái)構(gòu)造高通極點(diǎn)，抑制直流失調(diào)電壓。

1.1 主運(yùn)放單元

主運(yùn)放單元由兩級(jí)運(yùn)算放大器（A1、A2），輸入及反饋電容（Cin1，2、Cfb1，2），輸入斬波器（CHin），反饋斬波器（CHfb），輸出斬波器（CHout）和直流偏置電阻R1，2組成。其中將CHin置于Cin1，2之前而不是之后可以避免引入額外的1/f2噪聲［8］。電路工作過(guò)程如下：輸入的ECG信號(hào)被CHin調(diào)制到高頻，然后與A1的失調(diào)和1/f噪聲一起被放大，在A1的輸出端ECG信號(hào)經(jīng)CHout解調(diào)回基頻，而A1的失調(diào)與1/f噪聲則被調(diào)制到高頻，由A2放大并輸出。經(jīng)后級(jí)的低通濾波器可衰減調(diào)制到高頻的噪聲，保留低頻ECG信號(hào)。

考慮到運(yùn)算放大器有限的開(kāi)環(huán)增益，主運(yùn)放單元的增益為

其中，Au為運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益，輸入電容Cin1，2取10 pF，反饋電容Cfb1，2取100 fF，則該主運(yùn)放單元可提供40 dB的增益。為了確保增益精度高于0.1%，Au應(yīng)大于100 dB，一個(gè)單級(jí)運(yùn)放難以達(dá)到如此高的增益，因此運(yùn)算放大器采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)［5］。其電路如圖3所示，第一級(jí)A1采用折疊式共源共柵提供高增益，第二級(jí)A2采用共源級(jí)結(jié)構(gòu)提供大擺幅。通過(guò)密勒補(bǔ)償電容Cc與調(diào)零電阻Rz保證電路閉環(huán)的穩(wěn)定性。將輸出斬波器置于折疊式的低阻抗節(jié)點(diǎn)，這樣可以獲得較大的帶寬，減小了信號(hào)的損失。由于全差分放大器輸出共模電位不穩(wěn)定，因此使用兩個(gè)共模反饋電路分別穩(wěn)定輸出端的共模電壓。

圖3 主運(yùn)放單元中的運(yùn)算放大器

電容耦合型放大器的噪聲主要由運(yùn)算放大器的噪聲決定［9］。假設(shè)各晶體管貢獻(xiàn)的噪聲相互獨(dú)立，則全差分運(yùn)算放大器的等效輸入?yún)⒖荚肼暈椋?0］

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，gm為各個(gè)晶體管的跨導(dǎo)，Cox為單位柵電容，KP，N為PMOS與NMOS的噪聲工藝常量，θ為輸出級(jí)產(chǎn)生的噪聲，AV1為第一級(jí)的增益。

由于使用了斬波技術(shù)，并且第一級(jí)增益很大。因此可以忽略1/f噪聲以及第二級(jí)的噪聲。最終的等效輸入噪聲為

為了進(jìn)一步減小噪聲，本文將輸入管M1，2偏置在深亞閾值區(qū)以最大化其跨導(dǎo)gm1，2，將M3，4，5，6偏置在飽和區(qū)以減小其跨導(dǎo)gm3，4，gm5，6。

1.2 阻抗提升回路

電容耦合斬波儀表放大器的輸入斬波開(kāi)關(guān)CHin和輸入電容Cin1，2構(gòu)成開(kāi)關(guān)電容電阻，其等效輸入電阻為

其中，斬波頻率fchop設(shè)為5 kHz，輸入電容Cin為10 pF，則等效輸入電阻為10 MΩ。為了增大輸入阻抗，引入正反饋環(huán)路補(bǔ)償輸入端的電流［5］。該環(huán)路如圖2所示，由斬波開(kāi)關(guān)（CHpb）與正反饋電容（Cpf1，2）組成。理想情況下，當(dāng)正反饋環(huán)路產(chǎn)生的電流Ipf1，2與負(fù)反饋環(huán)路電流Ifb1，2相等時(shí)，從信號(hào)源索取的電流為0。因此，輸入阻抗無(wú)窮大。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的Cpf1，2的值可以通過(guò)令I(lǐng)pf1，2與Ifb1，2相等來(lái)計(jì)算

根據(jù)式（5）可得

其中，Auf＝100，Cin1，2＝10 pF，Cfb1，2＝100 fF，為使輸入阻抗無(wú)窮大，Cpf1，2應(yīng)為101 fF。出于版圖匹配性考慮，令Cpf1，2＝Cfb1，2＝100 fF，最終輸入阻抗為

其中，Zin為未加入正反饋時(shí)的輸入阻抗，Iin為輸入電流，Ipf為正反饋電流。因此，加入正反饋環(huán)路后輸入阻抗可提升100倍。

1.3 電極失調(diào)消除回路

電極處的ECG信號(hào)（幅度小于5 mV）伴隨著高達(dá)50 mV的電極直流失調(diào)電壓。此失調(diào)電壓被CHin調(diào)制到高頻導(dǎo)致放大器飽和，因此需要加入電極失調(diào)消除回路構(gòu)造低于0.5 Hz的高通極點(diǎn)，抑制該失調(diào)電壓。

前饋型電極失調(diào)消除回路如圖4所示，與反饋結(jié)構(gòu)相比可以減小面積［8］。其由低通濾波器（LPF），斬波器CHp，電容Chp組成。濾波器濾除ECG信號(hào)，保留失調(diào)電壓并反向放大，經(jīng)CHp調(diào)制到高頻，通過(guò)Chp轉(zhuǎn)化為電流，注入到運(yùn)放的輸入端，與失調(diào)電壓經(jīng)CHin，Cin支路轉(zhuǎn)化的電流相抵消，從而消除失調(diào)電壓。

圖4 電容耦合斬波儀表放大器單端電路圖

若濾波器的傳遞函數(shù)為：A（s）＝ALPF/（1＋s/ωLPF）且ALPF＝Cin/Chp，則放大器的傳遞函數(shù)為

其中可以看出，放大器具有高通特性，高通截止頻率ωHPF為低通濾波器的－3 dB頻率ωLPF。

該環(huán)路所能消除的最大電極失調(diào)電壓由電容比值Chp／Cin及濾波器的最大輸出電壓Vout＿max決定。

由于Cin＝10 pF，Vout＿max＝1.6 V，為了消除高達(dá)50 mV的失調(diào)，Chp需大于312.5 fF，這里取為400 fF。

文獻(xiàn)［8］在電極失調(diào)消除回路中使用開(kāi)關(guān)電容濾波器構(gòu)造高通極點(diǎn)，卻引入了折疊噪聲，惡化噪聲性能。本文所使用的濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示，其直流增益與低頻截止頻率為

圖5 前饋型電極失調(diào)消除回路中的低通濾波器

為構(gòu)造小于0.5 Hz的高通極點(diǎn)，取電容Cint＝10 pF，則Req2＞32 GΩ。對(duì)于如此高阻值的電阻，偽電阻雖然容易實(shí)現(xiàn)，但精度較差；開(kāi)關(guān)電容電路精度較高，但會(huì)引入折疊噪聲，惡化電路性能。占空比電阻精度適中，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，由多晶硅電阻R和開(kāi)關(guān)Sw串聯(lián)組成。當(dāng)開(kāi)關(guān)由占空比因子為D的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)，等效電阻被放大1／D。為了忽略占空比電阻引入的噪聲，需將高通極點(diǎn)設(shè)為低于0.5 Hz的3到4倍［7］。因此，本文將高通截止頻率設(shè)為0.16 Hz，則Req2＝100 GΩ。 取Ton＝1 ns，fSw＝5 kΩ， 則D＝1／200 000，因此R＝500 kΩ。為了完全消除失調(diào)電壓，需使Req2／Req1＝Cin／Chp＝25，因此Req1＝4 GΩ，R＝20 kΩ。

圖6 占空比電阻

2 仿真結(jié)果

基于0.18μm CMOS工藝對(duì)電容耦合斬波儀表放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。仿真中，電源電壓為1.8 V，斬波頻率為5 kHz，消耗的靜態(tài)電流僅為1.2μA。電路版圖如圖7所示，面積為310μm×425μm。

圖7 電路版圖

圖8給出了電容耦合斬波儀表放大器的頻率響應(yīng)特性。當(dāng)未開(kāi)啟電極失調(diào)消除回路時(shí)，電路具有低通特性；當(dāng)開(kāi)啟電極失調(diào)取消回路時(shí)，電路具有帶通特性，高通轉(zhuǎn)角頻率為0.17 Hz，低通轉(zhuǎn)角頻率為4.3 kHz，中頻增益為40 dB?？梢钥闯?，電極失調(diào)取消回路可以抑制直流失調(diào)電壓。

圖8 斬波儀表放大器頻率響應(yīng)

圖9給出了放大器等效輸入噪聲的仿真結(jié)果。當(dāng)未開(kāi)啟斬波時(shí)，噪聲轉(zhuǎn)角頻率為1 kHz，在10 Hz處的噪聲為2.9μV／sqrt（Hz），在0.5～100 Hz范圍內(nèi)的積分噪聲為42μVrms。當(dāng)開(kāi)啟斬波時(shí)，低頻噪聲被調(diào)制到5 kHz處，噪聲轉(zhuǎn)角頻率減小到10 Hz，此處的噪聲為120 nV／sqrt（Hz），積分噪聲為1.8μVrms。所采用的斬波技術(shù)大大減小了放大器的低頻1/f噪聲，提高了ECG信號(hào)采集電路的信噪比。

圖9 斬波儀表放大器的等效輸入噪聲

表1給出了所設(shè)計(jì)的電容耦合斬波儀表放大器與其他文獻(xiàn)中儀表放大器的性能參數(shù)比較?？梢钥闯觯疚脑O(shè)計(jì)的儀表放大器具有較小的電流和較低的噪聲。

表1 電路性能比較

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種用于ECG信號(hào)采集的低噪聲電容耦合斬波儀表放大器。通過(guò)斬波技術(shù)與晶體管噪聲優(yōu)化技術(shù)減小了1/f噪聲和熱噪聲，引入正反饋環(huán)路增加了輸入阻抗。提出一種基于占空比電阻的改進(jìn)型前饋電極失調(diào)消除回路，抑制了電極失調(diào)電壓，且在噪聲、面積、精度方面獲得較好的平衡。在1.8 V的電源電壓下，消耗的靜態(tài)電流為1.2μA，等效輸入噪聲為1.8μVrms（0.5～100 Hz），增益為40 dB。結(jié)果表明，該放大器具有低功耗、低噪聲、小尺寸的特點(diǎn)，能夠用于ECG信號(hào)采集系統(tǒng)。