專利名稱：單通道心電采集芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療芯片領(lǐng)域，尤其涉及一種單通道心電采集芯片。
背景技術(shù)：
隨著移動醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展，移動健康設(shè)備及個人便攜式監(jiān)護(hù)醫(yī)療等便攜式醫(yī)療終端在整個醫(yī)療行業(yè)中占據(jù)著越來越重要的作用。醫(yī)療采集芯片作為移動便攜式醫(yī)療終端中重要組成部分在采集生理信號方面發(fā)揮了重要的作用。
目前采集心電信號的主要方式是通過搭建板級電路實現(xiàn)，會占用較大的面積。市場上德州儀器(TI)已有一款適用于心電檢測的前端采集芯片ADS1298，其結(jié)構(gòu)包括前端可調(diào)增益預(yù)放大電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊，右腿驅(qū)動模塊，導(dǎo)聯(lián)檢測模塊等。但是此款芯片內(nèi)部并未進(jìn)行傳統(tǒng)的模擬濾波處理，而是通過一個超高精度(24位)的ADC模塊來獲取數(shù)字信號，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)字濾波，實現(xiàn)成本較高。
在片內(nèi)模擬濾波的技術(shù)上，國內(nèi)外關(guān)于心電等生理信號采集的集成電路已經(jīng)有了 一定的研究，文獻(xiàn)[Wattanapanitch, ff. ；Fee, Μ. ；Sarpeshkar, R. ； , " An Energy-Efficient Micropower Neural Recording Amplifier, " Biomedical Circuits and Systems, IEEE Transactions on, vol. I, no. 2, PP. 136-147, June2007]公開了一種應(yīng)用于采集神經(jīng)電信號的集成電路結(jié)構(gòu)，其實現(xiàn)了神經(jīng)電信號采集模擬前端的放大濾波功能，但是在噪聲、共模抑制等特性方面需要進(jìn)一步優(yōu)化。發(fā)明內(nèi)容
基于此，有必要針對上述心電采集芯片存在的缺陷，提供一種低成本的單通道心電采集芯片。
一種單通道心電采集芯片，包括
輸入緩沖器模塊，用于采集外部電極的信號；
預(yù)放大模塊，用于對所述外部電極的信號進(jìn)行第一級放大；
雙端轉(zhuǎn)單端模塊，用于接收經(jīng)第一級放大的信號，并將所述信號轉(zhuǎn)換成單端信號輸出；
濾波模塊，用于對所述單端信號進(jìn)行濾波；
后級放大模塊，用于經(jīng)所述低通濾波電路濾波后的單端信號進(jìn)行第二次放大；
輸出緩沖器模塊，用于輸出經(jīng)第二級放大后的單端信號。
在本實施例中，所述預(yù)放大模塊包括由全差分跨導(dǎo)放大器、電容及虛擬電阻組成的對稱性結(jié)構(gòu)電路。
在本實施例中，所述濾波模塊包括低通濾波電路，所述單端信號經(jīng)所述低通濾波電路進(jìn)行濾波。
在本實施例中，所述濾波模塊包括有源高通濾波電路及低通濾波電路，所述單端信號依次經(jīng)所述有源高通濾波電路及所述低通濾波電路進(jìn)行濾波。
在本實施例中，所述濾波模塊包括片外高通濾波電路及低通濾波電路，所述單端信號依次經(jīng)所述片外高通濾波電路及所述低通濾波電路進(jìn)行濾波。
在本實施例中，所述低通濾波電路包括由跨導(dǎo)放大器及電容組成的二階低通濾波器。
在本實施例中，所述低通濾波電路為具有二階巴特沃斯結(jié)構(gòu)的有源濾波器。
在本實施例中，所述單通道心電采集芯片還包括右腿驅(qū)動電路模塊，所述右腿驅(qū)動電路模塊用于檢測所述輸入buffer采集模塊的共模電壓，并將所述共模電壓反饋至所述外部電極。
在本實施例中，所述單通道心電采集芯片還包括導(dǎo)聯(lián)脫落檢測模塊，所述導(dǎo)聯(lián)脫落檢測模塊電性連接于所述輸入緩沖器模塊用于監(jiān)測導(dǎo)聯(lián)連接狀態(tài)。
在本實施例中，所述單通道心電采集芯片還包括電源管理模塊，所述電源管理模塊用于對所述心電采集芯片提供電源電壓及工作電流。
在本實施例中，所述單通道心電采集芯片還包括基線快速恢復(fù)模塊，所述基線快速恢復(fù)模塊電性連接于所述預(yù)放大模塊和所述濾波電路。
在本實施例中，所述單通道心電采集芯片還包括控制位信號模塊，所述控制位信號模塊用于控制上述所有模塊的工作狀態(tài)。
本發(fā)明提供的單通道心電采集芯片將各個模塊集成到硅片上，降低了成本；該芯片內(nèi)集成了采用精確比例的電容放大結(jié)構(gòu)的預(yù)放大模塊，實現(xiàn)更高的共模抑制比，同時結(jié)合虛擬電阻實現(xiàn)高通濾波，去除極化電壓的限制；該芯片內(nèi)集成了模擬模塊，降低了后續(xù)開發(fā)的成本；該芯片內(nèi)還集成了右腿驅(qū)動電路模塊，更好地抑制了工頻干擾；該芯片內(nèi)還集成了導(dǎo)聯(lián)脫落檢測模塊能夠及時監(jiān)測導(dǎo)聯(lián)連接狀態(tài)；該芯片內(nèi)還集成了電源管理模塊能夠為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源電壓和基準(zhǔn)工作電流。


圖I為本發(fā)明實施例一提供的單通道心電采集芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例一提供的預(yù)放大模塊的原理示意圖。
圖3為本發(fā)明實施例一提供的雙端轉(zhuǎn)單端模塊的原理示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例一提供的低通濾波電路的原理示意圖。
圖5為本發(fā)明另實施例二提供的低通濾波電路的原理示意圖。
圖6為本發(fā)明實施例一提供的后級放大模塊的原理示意圖
圖7為本發(fā)明實施例一提供的右腿驅(qū)動電路模塊的原理示意圖。
圖8為本發(fā)明實施例一提供的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測模塊的原理示意圖。
圖9(a)為本發(fā)明實施例一提供的單通道心電采集芯片當(dāng)輸入幅度為3mV正弦信號時的輸出信號仿真圖。
圖9(b)為本發(fā)明實施例一提供的單通道心電采集芯片通過搭建人體模型模擬產(chǎn)生人體心電信號作為輸入信號時的輸出信號仿真圖。
圖10為本發(fā)明實施例一提供的單通道心電采集芯片的共模抑制比仿真圖。
具體實施方式
請參閱圖1，圖I為本發(fā)明實施例一提供的單通道心電采集芯片的示意圖。
單通道心電采集芯片100包括輸入緩沖器模塊110、預(yù)放大模塊120、雙端轉(zhuǎn)單端模塊130、濾波模塊140、后級放大模塊150及輸出緩沖器模塊160。
輸入緩沖器(buffer)模塊110用于采集外部電極的信號即人體的心電信號強(qiáng)度。 由于心電信號是幾十到幾百微伏(μν)級的微弱信號且負(fù)載能力較差，人體電阻為千歐 (kQ)到兆歐(ΜΩ)級的大電阻，因此要求采集前端的等效輸入電阻足夠大，否則根據(jù)電路電阻串聯(lián)分壓的原理，難以保證從人體采集到的心電信號強(qiáng)度。在本發(fā)明提供的實施例中， 輸入緩沖器模塊110是采用一個具有高輸入阻抗，低輸出阻抗，低噪聲，低功耗，雙端輸入單端輸出特性的放大器，并通過單位增益接法實現(xiàn)，能夠?qū)θ梭w和電路進(jìn)行有效隔離，避免電路遭受一些瞬間脈沖的破壞，同時也避免電路可能產(chǎn)生的瞬間高電壓對人體造成傷害。
請參閱圖2，為本發(fā)明實施例一提供的預(yù)放大模塊120原理示意圖。預(yù)放大模塊 120用于將經(jīng)輸入緩沖器(buffer)模塊110采集的心電信號進(jìn)行第一級放大。預(yù)放大模塊 120 包括由全差分跨導(dǎo)放大器(OTA !operational transconductance amplifier) 121、 電容122及虛擬電阻123組成的對稱性結(jié)構(gòu)電路，即電阻Rtl = R1 ;電容C1 = C2 ;電容C3 = C4;MN1(開關(guān)管)，MN2(開關(guān)管)有相同的尺寸。預(yù)放大模塊120的傳遞函數(shù)如式(1)，其中Rf為虛擬電阻123的等效電阻值。
(VOUTP-VOUIN) / (VINP-VINN) = -Rf^C1S/(I+Rf *C3s) (I)
式中，VOUTP, VOUTN分別為預(yù)放大模塊120的正輸出電壓和負(fù)輸出電壓，VINP, VINN分別為預(yù)放大模塊120的正輸入電壓和負(fù)輸入電壓，Rf為虛擬電阻的等效電阻值，C1, C3分別為圖中電容Cp C3的相應(yīng)電容值。
0TA121與四個電容(電容C。C2, C3> C4)構(gòu)成電容比例放大電路，實現(xiàn)增益Av =-C1/C2的放大功能，同時與跨接在放大器上的虛擬電阻Rf共同實現(xiàn)截止頻率f = I/2ΠRfC3的高通濾波特性。預(yù)放大模塊120采用精確比例的電容放大結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更高的共模抑制比；同時結(jié)合虛擬電阻實現(xiàn)高通濾波，去除極化電壓的限制。
請參閱圖3，為本發(fā)明實施例一提供的雙端轉(zhuǎn)單端模塊130原理示意圖。雙端轉(zhuǎn)單端模塊130，用于接收經(jīng)預(yù)放大模塊120放大的信號，并將信號轉(zhuǎn)換成單端信號輸出。在本發(fā)明提供的實施例中，雙端轉(zhuǎn)單端模塊130由放大器及大電阻構(gòu)成，其中，電阻R1 = R2 ;電阻R3 = R4，雙端轉(zhuǎn)單端模塊130在將經(jīng)預(yù)放大模塊120放大后信號轉(zhuǎn)成單端信號的同時起到增益Av R4/R2的一個放大作用。
濾波模塊140用于對經(jīng)雙端轉(zhuǎn)單端模塊130轉(zhuǎn)換的單端信號進(jìn)行濾波。濾波模塊 140包括片外高通濾波電路141及低通濾波電路142，經(jīng)雙端轉(zhuǎn)單端模塊130轉(zhuǎn)換的單端信號依次經(jīng)片外高通濾波電路141及低通濾波電路142進(jìn)行濾波?？梢岳斫猓飧咄V波電路141可以省略，或者使用有源高通濾波替代。由于該芯片片內(nèi)集成了模擬濾波功能，從而降低了后續(xù)開發(fā)的成本。
請參閱圖4，為本發(fā)明實施例一提供的低通濾波電路142的原理示意圖。低通濾波電路142包括由跨導(dǎo)放大器Gm和電容C組成的二階低通濾波器，其傳遞函數(shù)如式(2):
N0JNin = G2ffl/ (G^sC1) (Gffl+sC2)(2)
式中，V0UT、VIN分別為低通濾波電路142的輸出、輸入電壓值，Gm為跨導(dǎo)放大器的等效跨導(dǎo)值，CpC2分別為圖中電容CpC2的相應(yīng)電容值。
實現(xiàn)截止頻率f = GmAnC1 (C1 = C2)的低通濾波，其中Gm是跨導(dǎo)放大器的等效跨導(dǎo)。在本實施例中，二階低通濾波器還可以為其它的高階數(shù)的濾波模塊。
請參閱圖5，為本發(fā)明實施例二提供的低通濾波電路142的原理示意圖。低通濾波電路142為具有二階巴特沃斯結(jié)構(gòu)的有源濾波器。
請參閱圖6，為本發(fā)明實施例一提供的后級放大模塊150的原理示意圖。經(jīng)濾波模塊140濾波后的信號進(jìn)入后級放大模塊150進(jìn)行第二次放大。后級放大模塊150由放大器和比例電阻構(gòu)成，實現(xiàn)(1+民/%)倍放大。
輸出緩沖器模塊160用于輸出經(jīng)后級放大模塊150第二級放大后的單端信號。
本發(fā)明提供的單通道心電采集芯片100包括輸入緩沖器模塊110、預(yù)放大模塊 120、雙端轉(zhuǎn)單端模塊130、濾波模塊140、后級放大模塊150及輸出緩沖器模塊160，其心電信號采集的主信號流程為外部電極上的信號通過輸入緩沖器模塊110采集進(jìn)入預(yù)放大模塊120進(jìn)行第一級放大；雙端轉(zhuǎn)單端模塊130對經(jīng)預(yù)放大模塊120放大的信號變?yōu)閱味溯斎胄盘柡筮M(jìn)入濾波模塊140 ;濾波模塊140對單端輸入信號進(jìn)行O. 5Hz 150Hz的濾波處理并送入后級放大模塊150做第二級放大；最后由輸出緩沖器模塊160送出輸出信號。請參閱圖7，單通道心電采集芯片100還包括右腿驅(qū)動電路模塊170。右腿驅(qū)動電路模170用于檢測輸入緩沖器模塊110的共模電壓，并將共模電壓反饋至外部電極。右腿驅(qū)動電路模塊170對輸入緩沖器模塊110采集到的信號檢測共模電壓并反饋回人體，降低整體電路的共模干擾。右腿驅(qū)動電路模170檢測到的人體共模電壓VCM，經(jīng)放大器A3緩沖后進(jìn)入放大器A4，通過人體的電流id不再是流入大地，而是流進(jìn)A4。經(jīng)右腿驅(qū)動電路模180 驅(qū)動最后的輸出如式
Vcm = VCM/(I+Rf/R1) (3)
式中，VCM為不加右腿驅(qū)動模塊170時人體的共模電壓；V 為加入右腿驅(qū)動模塊 170后反饋給RL電極的人體共模電壓。由(3)式可見，增大A4的增益RfZiR1能夠減小人體共模電壓其中放大器Al，A2，A3，A4采用的都是與輸入緩沖器模塊110或輸出緩沖器 160采用的放大器的是相同的。工頻是心電信號的主要共模干擾，僅靠共模抑制比高的放大器不能完全消除輸入端的共模噪聲，本發(fā)明采用采用右腿驅(qū)動電路更好地抑制工頻干擾。
請參閱圖8，單通道心電采集芯片100還包括導(dǎo)聯(lián)脫落檢測模塊180。導(dǎo)聯(lián)脫落檢測模塊180用于監(jiān)測導(dǎo)聯(lián)連接狀態(tài)，連接不正常時發(fā)出報警。導(dǎo)聯(lián)脫落檢測模塊180包括大電阻的串聯(lián)P型MOS管、比較器和緩沖器，其中比較器由簡單的二級放大器構(gòu)成，分別將兩個輸入電極信號和片外提供的參考電壓VREF進(jìn)行比較，若輸出邏輯高電平表示導(dǎo)聯(lián)連接不正常。
單通道心電采集芯片100還包括電源管理模塊190。電源管理模塊190包括低壓差(LD0:loW drop-out)線性穩(wěn)壓器、單位增益buffer及偏置電流電路，電源管理模塊190 為整個電路提供穩(wěn)定的電源電壓和基準(zhǔn)工作電流。電源管理模塊190產(chǎn)生帶隙基準(zhǔn)電壓和僅隨溫度變化的與絕對溫度成正比(PTAT, proportional to absolute temperature)電流，并通過LDO電路產(chǎn)生穩(wěn)定的電源電壓?？梢岳斫?，在本發(fā)明實施例中，電源管理模塊中的LDO線性穩(wěn)壓器使用其它如DC-DC等穩(wěn)壓模塊替代。
單通道心電采集芯片100還包括基線快速恢復(fù)模塊210?；€快速恢復(fù)模塊210 電性連接于預(yù)防大模塊120和濾波模塊140，當(dāng)電路不正常工作時，電路工作點發(fā)生偏移，基線快速恢復(fù)模塊210將工作點快速恢復(fù)至正常。具體地，當(dāng)工作點不正常時，基線快速恢復(fù)模塊210為不正常工作點與正常工作點(參考電位)提供一個快速充放電通道，實現(xiàn)工作點快速恢復(fù)正常。
單通道心電采集芯片100還包括控制位信號模塊220。控制位信號模塊220。與芯片上的任何一個模塊均相電連接，用于控制芯片上的任何一模塊的工作與不工作以及整體芯片的工作與不工作。
請參閱圖9(a)為輸入幅度為3mV正弦信號時單通道心電采集芯片100的輸出信號，圖9(b)為通過搭建人體模型模擬產(chǎn)生人體心電信號作為輸入信號時單通道心電采集芯片100的輸出信號。圖9(a)、圖9(b)中橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示經(jīng)過處理后得到的電壓信號值。從圖9(a)、圖9(b)的瞬態(tài)特性仿真結(jié)果看該芯片能夠很好地正常工作，實現(xiàn)了將信號放大400倍，以及對帶外噪聲的良好濾除。
請參閱圖10為本發(fā)明實施例一提供的單通道心電采集芯片100的共模抑制比仿真圖。圖10中橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示共模抑制比的大小值(以dB為單位)從圖10 中可以看出，在IOKHz頻帶內(nèi)，單通道心電采集芯片100的共模抑制比為llOdB。
本發(fā)明提供的單通道心電采集芯片100將各個模塊集成到硅片上，降低了成本； 該芯片內(nèi)集成了采用精確比例的電容放大結(jié)構(gòu)的預(yù)放大模塊120，實現(xiàn)更高的共模抑制比， 同時結(jié)合虛擬電阻實現(xiàn)高通濾波，去除極化電壓的限制；該芯片內(nèi)集成了模擬模塊140，降低了后續(xù)開發(fā)的成本；該芯片內(nèi)還集成了右腿驅(qū)動電路模塊180，更好地抑制了工頻干擾； 該芯片內(nèi)還集成了導(dǎo)聯(lián)脫落檢測模塊190能夠及時監(jiān)測導(dǎo)聯(lián)連接狀態(tài)；該芯片內(nèi)還集成了電源管理模塊200能夠為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源電壓和基準(zhǔn)工作電流。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單通道心電采集芯片，其特征在于，包括輸入緩沖器模塊，用于采集外部電極的信號；預(yù)放大模塊，用于對所述外部電極的信號進(jìn)行第一級放大；雙端轉(zhuǎn)單端模塊，用于接收經(jīng)第一級放大的信號，并將所述信號轉(zhuǎn)換成單端信號輸出；濾波模塊，用于對所述單端信號進(jìn)行濾波；后級放大模塊，用于將經(jīng)所述低通濾波電路濾波后的單端信號進(jìn)行第二次放大；輸出緩沖器模塊，用于輸出經(jīng)第二級放大后的單端信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單通道心電采集芯片，其特征在于，所述預(yù)放大模塊包括由全差分跨導(dǎo)放大器、電容及虛擬電阻組成的對稱性結(jié)構(gòu)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單通道心電采集芯片，其特征在于，所述濾波模塊包括低通濾波電路，所述單端信號經(jīng)所述低通濾波電路進(jìn)行濾波。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單通道心電采集芯片，其特征在于，所述濾波模塊包括有源高通濾波電路及低通濾波電路，所述單端信號依次經(jīng)所述有源高通濾波電路及所述低通濾波電路進(jìn)行濾波。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單通道心電采集芯片，其特征在于，所述濾波模塊包括片外高通濾波電路及低通濾波電路，所述單端信號依次經(jīng)所述片外高通濾波電路及所述低通濾波電路進(jìn)行濾波。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的單通道心電采集芯片，其特征在于，所述低通濾波電路包括由跨導(dǎo)放大器及電容組成的二階低通濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的單通道心電采集芯片，其特征在于，所述低通濾波電路為具有二階巴特沃斯結(jié)構(gòu)的有源濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單通道心電采集芯片，其特征在于，所述單通道心電采集芯片還包括右腿驅(qū)動電路模塊，所述右腿驅(qū)動電路模塊用于檢測所述輸入緩沖器模塊的共模電壓，并將所述共模電壓反饋至所述外部電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單通道心電采集芯片，其特征在于，所述單通道心電采集芯片還包括導(dǎo)聯(lián)脫落檢測模塊，所述導(dǎo)聯(lián)脫落檢測模塊電性連接于所述輸入緩沖器模塊用于監(jiān)測導(dǎo)聯(lián)連接狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單通道心電采集芯片，其特征在于，所述單通道心電采集芯片還包括電源管理模塊，所述電源管理模塊用于對所述心電采集芯片提供電源電壓及工作電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單通道心電采集芯片，其特征在于，所述單通道心電采集芯片還包括基線快速恢復(fù)模塊，所述基線快速恢復(fù)模塊電性連接于所述預(yù)放大模塊和所述濾波電路。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單通道心電采集芯片，其特征在于，所述單通道心電采集芯片還包括控制位信號模塊，所述控制位信號模塊用于控制上述所有模塊的工作狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單通道心電采集芯片，包括輸入緩沖器模塊，用于采集外部電極的信號；預(yù)放大模塊，用于對所述外部電極的信號進(jìn)行第一級放大；雙端轉(zhuǎn)單端模塊，用于接收經(jīng)第一級放大的信號，并將所述信號轉(zhuǎn)換成單端信號輸出；濾波模塊，用于對所述單端信號進(jìn)行濾波；后級放大模塊，用于將經(jīng)所述低通濾波電路濾波后的單端信號進(jìn)行第二次放大；輸出緩沖器模塊，用于輸出經(jīng)第二級放大后的單端信號。本發(fā)明提供的單通道心電采集芯片將各個模塊集成到硅片上，降低了成本。
文檔編號A61B5/0428GK102908137SQ20121039761
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月18日
發(fā)明者程亞宇, 溫美英, 李曄 申請人:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院