專利名稱：采用t型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的cmos生理信號(hào)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成生理信號(hào)放大器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)信息化進(jìn)程的不斷加快，和人們對(duì)生命健康的日趨重視，醫(yī)療儀器與生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的發(fā)展呈現(xiàn)出家用化、小型化、微型化的趨勢(shì)，而用于放大或采集心電、腦電、肌電、神經(jīng)電等低頻動(dòng)態(tài)生理信號(hào)的專用集成電路更成為其中一個(gè)熱點(diǎn)方向。目前，以CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的全集成生理信號(hào)放大器多采用交流反饋-單電容反饋結(jié)構(gòu)，出于降低噪聲和提高增益等因素的考慮，通常設(shè)置較高的輸入耦合電容值和較大的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸入晶體管面積，從而造成此類放大器的集成度較差，且輸入阻抗相對(duì)較低，易發(fā)生“加載效應(yīng)”。另一方面，這類傳統(tǒng)的集成生理信號(hào)放大器的增益由輸入電容和反饋電容的比值決定，為使放大器獲得較高的電壓增益，通常要選取較高的輸入-反饋電容比，這將使電壓增益容易受到工藝偏差以及其它因素的影響，從而使放大器在大規(guī)模生產(chǎn)加工和使用的增
益一致性變差。因此，本發(fā)明采用T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)代替單電容反饋結(jié)構(gòu)，并采用中低值片上電容作為輸入單元，可在較小的輸入-反饋電容比條件下取得較高的閉環(huán)電壓增益。同時(shí)通過(guò)對(duì)輸入電容值和運(yùn)算跨導(dǎo)放大器輸入對(duì)管尺寸的協(xié)同設(shè)計(jì)，優(yōu)化放大器的整體噪聲特性。本發(fā)明能夠在不降低增益和噪聲性能的前提下，降低傳統(tǒng)單電容反饋式集成生理信號(hào)放大器的芯片面積(即提高集成度)，并具有輸入阻抗較高，增益一致性較好等特點(diǎn)，有望應(yīng)用于高密度、高通量的生理信號(hào)采集領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出了一種采用T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器結(jié)構(gòu)，其是在不降低噪聲性能的前提下，解決傳統(tǒng)的交流反饋-單電容反饋結(jié)構(gòu)CMOS生理信號(hào)放大器芯片面積較大、輸入阻抗較低以及增益穩(wěn)定性較差的問(wèn)題。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明公開(kāi)了一種采用T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器，包括了反相輸入耦合電容和正相輸入耦合電容、反饋網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、平衡網(wǎng)絡(luò)以及輸出電容，其中所述運(yùn)算放大器的反相輸入端連接反相輸入耦合電容，該放大器的正相輸入端連接正相輸入耦合電容；所述反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入端與運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，該反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端與運(yùn)算放大器的輸出端連接；所述輸出電容與運(yùn)算放大器的輸出端連接；所述平衡網(wǎng)絡(luò)的輸入端與運(yùn)算放大器的正相輸入端連接。
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其中所述的反饋網(wǎng)絡(luò)包括一第一晶體管和一第二晶體管，該第一晶體管和第二晶體管的漏極相連接，該第一晶體管和第二晶體管各自的源極與襯底相連接，該第一晶體管和第二晶體管的柵極相連接；一第一電容、一第二電容和一第三電容，該第一電容與第二電容串聯(lián)在運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端之間，該第三電容串接在第一電容和第二電容之間并接地。其中所述的平衡網(wǎng)絡(luò)包括一第三晶體管和一第四晶體管，該第三晶體管和第四晶體管的漏極相連接，該第三晶體管和 第四晶體管各自的源極與襯底相連接，該第三晶體管和第四晶體管的柵極相連接；一第四電容、一第五電容和一第六電容，該第四電容與第五電容串聯(lián)在運(yùn)算放大器的正相輸入端和地之間，該第六電容串接在第四電容和第五電容之間并接地。其中所述的運(yùn)算放大器為運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。其中該T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器具有帶通頻率特性，通帶的低頻截止頻率不高于1Hz，高頻截止頻率不低于5KHz。本發(fā)明采用T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)代替單電容反饋結(jié)構(gòu)，并采用中低值片上電容作為輸入單元，可在較小的輸入-反饋電容比條件下取得較高的閉環(huán)電壓增益。同時(shí)通過(guò)對(duì)輸入電容值和運(yùn)算跨導(dǎo)放大器輸入對(duì)管尺寸的協(xié)同設(shè)計(jì)，優(yōu)化放大器的整體噪聲特性。 本發(fā)明能夠在不降低增益和噪聲性能的前提下，降低傳統(tǒng)單電容反饋式集成生理信號(hào)放大器的芯片面積(即提高集成度)，并具有較高的輸入阻抗和較好的增益一致性，有望應(yīng)用于高密度、高通量的生理信號(hào)采集領(lǐng)域。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中圖1采用T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器結(jié)構(gòu)圖；圖2等效電路圖及工作原理；圖3通過(guò)調(diào)整OTA輸入晶體管的尺寸對(duì)放大器噪聲性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)的坐標(biāo)圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種采用T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器，具有帶通頻率特性，通帶的低頻截止頻率不高于1Hz，高頻截止頻率不低于5KHz，適用于放大心電、腦電、肌電、神經(jīng)電等低頻動(dòng)態(tài)生理信號(hào)，具體包括了反相輸入耦合電容C1 和正相輸入耦合電容C2、反饋網(wǎng)絡(luò)10、運(yùn)算放大器11、平衡網(wǎng)絡(luò)12以及輸出電容。其中所述運(yùn)算放大器11的反相輸入端連接反相輸入耦合電容C1，該放大器11的正相輸入端連接正相輸入耦合電容C2 ；所述的運(yùn)算放大器11為運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。所述反饋網(wǎng)絡(luò)10的輸入端與運(yùn)算放大器11的反相輸入端連接，該反饋網(wǎng)絡(luò)10的輸出端與運(yùn)算放大器11的輸出端連接，所述的反饋網(wǎng)絡(luò)10包括一第一晶體管M1和一第二晶體管M2,該第一晶體管M1和第二晶體管M2的漏極相連接，該第一晶體管M1和第二晶體管M2各自的源極與襯底相連接，該第一晶體管M1和第二晶體管M2的柵極相連接；第一晶體管M1和第二晶體管M2構(gòu)成高值MOS偽電阻單元。一第一電容C3、一第二電容C4和一第三電容C5,該第一電容C3與第二電容C4串聯(lián)在運(yùn)算放大器11的反相輸入端和輸出端之間，該第三電容C5串接在第一電容C3和第二電容C4之間并接地。第三電容C5為高值電容，其容值與反相輸入耦合電容C1在同一量級(jí)；第一電容C3和第二電容C4為低值電容，其容值低于反相輸入耦合電容C1 一個(gè)量級(jí)。所述輸出電容Q與運(yùn)算放大器11的輸出端連接；所述平衡網(wǎng)絡(luò)12的輸入端與運(yùn)算放大器11的正相輸入端連接，所述的平衡網(wǎng)絡(luò) 12包括一第三晶體管M3和一第四晶體管M4,該第三晶體管M3和第四晶體管M4的漏極相連接，該第三晶體管M3和第四晶體管M4各自的源極與襯底相連接，該第三晶體管M3和第四晶體管M4的柵極相連接；第三晶體管M3和第四晶體管M4構(gòu)成高值MOS偽電阻單元。一第四電容C6、一第五電容C7和一第六電容C8,該第四電容C6與第五電容C7串聯(lián)在運(yùn)算放大器11的正相輸入端和地之間，該第六電容C8串接在第四電容C6和第五電容C7 之間并接地。放大器等效電路圖如圖2所示，省略平衡網(wǎng)絡(luò)12，假設(shè)在輸入端有一個(gè)擾動(dòng)電勢(shì) Vi,在高開(kāi)環(huán)增益的運(yùn)算放大器11的作用下，運(yùn)算放大器11的反相輸入節(jié)點(diǎn)電壓Vn為地電位，Vi將通過(guò)反相輸入耦合電容C1形成電流I，由于運(yùn)算放大器11相當(dāng)于“虛短”，電流I 將被全部注入到第一電容C3，產(chǎn)生C1ZiC3倍于Vi的電勢(shì)Vm，實(shí)現(xiàn)第一次放大。但是在節(jié)點(diǎn)Vm 上除從節(jié)點(diǎn)Vn到節(jié)點(diǎn)Vm外，仍存在兩條電流通路，即通過(guò)第二電容(；到V。和通過(guò)第三電容 C5到地，而節(jié)點(diǎn)Vn實(shí)際上為“虛地點(diǎn)”。因此，如果在從地到節(jié)點(diǎn)Vm的通路上串接一個(gè)η倍于第一電容C3的第三電容C5,則會(huì)在這條支路上產(chǎn)生與節(jié)點(diǎn)Vn到節(jié)點(diǎn)Vm相同方向的電流 nl。節(jié)點(diǎn)Vn到節(jié)點(diǎn)Vm的電流I與地到節(jié)點(diǎn)Vm的電流nl同相，假設(shè)第二電容C4的電容值與第一電容C3相同，它們的和(η+1) I將通過(guò)節(jié)點(diǎn)Vn流入第二電容C4,從而在放大器的輸出節(jié)點(diǎn)形成電勢(shì)V。，實(shí)現(xiàn)第二次放大。所述的T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋式CMOS生理信號(hào)放大器的交流小信號(hào)傳輸函數(shù)表示為
權(quán)利要求
1.一種采用τ型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器，包括了反相輸入耦合電容和正相輸入耦合電容、反饋網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、平衡網(wǎng)絡(luò)以及輸出電容CL，其中所述運(yùn)算放大器的反相輸入端連接反相輸入耦合電容，該放大器的正相輸入端連接正相輸入耦合電容；所述反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入端與運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，該反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端與運(yùn)算放大器的輸出端連接；所述輸出電容與運(yùn)算放大器的輸出端連接；所述平衡網(wǎng)絡(luò)的輸入端與運(yùn)算放大器的正相輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器，其中所述的反饋網(wǎng)絡(luò)包括一第一晶體管和一第二晶體管，該第一晶體管和第二晶體管的漏極相連接，該第一晶體管和第二晶體管各自的源極與襯底相連接，該第一晶體管和第二晶體管的柵極相連接；一第一電容、一第二電容和一第三電容，該第一電容與第二電容串聯(lián)在運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端之間，該第三電容串接在第一電容和第二電容之間并接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器，其中所述的平衡網(wǎng)絡(luò)包括一第三晶體管和一第四晶體管，該第三晶體管和第四晶體管的漏極相連接，該第三晶體管和第四晶體管各自的源極與襯底相連接，該第三晶體管和第四晶體管的柵極相連接；一第四電容、一第五電容和一第六電容，該第四電容與第五電容串聯(lián)在運(yùn)算放大器的正相輸入端和地之間，該第六電容串接在第四電容和第五電容之間并接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器，其中所述的運(yùn)算放大器為運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器，其中該 T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器具有帶通頻率特性，通帶的低頻截止頻率不高于1Hz，高頻截止頻率不低于5KHz。
全文摘要
一種采用T型電容網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)構(gòu)的CMOS生理信號(hào)放大器，包括了反相輸入耦合電容和正相輸入耦合電容、反饋網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、平衡網(wǎng)絡(luò)以及輸出電容CL，其中所述運(yùn)算放大器的反相輸入端連接反相輸入耦合電容，該放大器的正相輸入端連接正相輸入耦合電容；所述反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入端與運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，該反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端與運(yùn)算放大器的輸出端連接；所述輸出電容與運(yùn)算放大器的輸出端連接；所述平衡網(wǎng)絡(luò)的輸入端與運(yùn)算放大器的正相輸入端連接。
文檔編號(hào)H03F1/26GK102158178SQ20111007241
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者張旭, 裴為華, 陳弘達(dá), 黃北舉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所