專(zhuān)利名稱(chēng)：消除直流偏移的放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種放大電路的設(shè)計(jì)，具體涉及一種能夠動(dòng)態(tài)消除運(yùn)算放大器直流偏移電壓的三運(yùn)算前置放大器的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
在電生理信號(hào)采集中，通常會(huì)受到周?chē)鞣N噪聲的干擾，特別是共模信號(hào)的干擾，在同等的工藝條件下，進(jìn)一步提高共模抑制比的方法是提高前置放大器差模電壓的放大倍數(shù)，但電生理信號(hào)中的直流偏移電壓的存在限制了前置放大器的差模電壓放大倍數(shù)，因此在沒(méi)有消除直流偏壓的情況下想進(jìn)一步提高前置放大器的共模抑制比是非常困難的。Enrique M 等在“AC Coupled Three op-amp Bio-potential Amplifier withActive DC Suppression, IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL.47, N0.12，DECEMBER2000,1616-1619”中提出了交流耦合三運(yùn)算放大器去除直流的方案。但該方案存在如下幾個(gè)問(wèn)題:一、積分電路的使用是不恰當(dāng)?shù)模捎玫姆e分電路中的電容Ci沒(méi)有電阻與其構(gòu)成回路，很容易使放大器產(chǎn)生飽和，此時(shí)輸出最大直流信號(hào)，不僅沒(méi)有去除直流偏壓，反而會(huì)產(chǎn)生新的直流電壓偏移量，嚴(yán)重時(shí)可能引起整個(gè)運(yùn)算放大電路的飽和；二、積分電路的截止頻率由于硬件限制不能做的很低，因此它提取的信號(hào)包括了直流信號(hào)和一定成份的交流信號(hào)，當(dāng)這些信號(hào)被疊加到三運(yùn)算放大電路的輸入端時(shí)，會(huì)將這些低頻的交流信號(hào)疊加在有用的源信號(hào)中，由于這些低頻信號(hào)被包含在有用信號(hào)頻帶的范圍內(nèi)很難被濾除，所以引入了新的干擾源，嚴(yán)重影響了信號(hào)的準(zhǔn)確性；三、所選用的光耦器件屬于非線(xiàn)性的器件，在沒(méi)有對(duì)光耦器件產(chǎn)生的電流和偏移電壓產(chǎn)生的電流進(jìn)行對(duì)應(yīng)修正的情況下，光耦器件所產(chǎn)生的電流可能與偏移電壓在輸入端產(chǎn)生的電流不一致，從而無(wú)法對(duì)直流偏移電壓進(jìn)行消除甚至有可能弓I入新的電壓偏移量。CN1414701A公開(kāi)了一種高共模抑制比的前置放大器，具體采用并聯(lián)型雙運(yùn)放，放大器的輸出端分別與兩組阻容耦合電路連接的方式來(lái)提高前置放大器的共模抑制比。這種方案因?yàn)橐肓穗娙?，由于電容的匹配程度很低，容易將共模信?hào)轉(zhuǎn)換成差模干擾信號(hào)，進(jìn)而引入了新的干擾，而且通過(guò)電容濾除直流電壓時(shí)需要的電容的容值很大，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。在消除直流偏壓的問(wèn)題上，CN102185812A通過(guò)提取直流信號(hào)然后與原始信號(hào)相減來(lái)消除偏移電壓，這種方案雖然比較簡(jiǎn)單，但是在三運(yùn)算差動(dòng)前置放大電路中因?yàn)殡娐肥遣罘州斎?，如果采用此方案將?huì)破壞電路的對(duì)稱(chēng)性，無(wú)法提高電路的共模抑制比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述提高前置放大器共模抑制比方案的不足和消除直流偏壓的問(wèn)題，提出一種即能夠動(dòng)態(tài)的消除直流偏移電壓又能夠提高前置放大器共模抑制比的放大器，同時(shí)能夠滿(mǎn)足電路性能需要。本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種消除直流偏移的放大器，具體包括:前置放大器電路、直流信號(hào)提取電路和隔離電路，其中，所述前置放大器電路包括兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述兩個(gè)輸入端用于輸入兩個(gè)待測(cè)信號(hào)；所述直流信號(hào)提取電路的輸入端與所述前置放大器電路的輸出端相連接，用于提取所述前置放大器電路輸出的直流成份信號(hào)；所述隔離電路用于根據(jù)接收到的所述直流信號(hào)提取電路的直流成份信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)與兩個(gè)待測(cè)信號(hào)所帶的直流偏移電壓在所述前置放大器電路中產(chǎn)生的直流偏移電流大小相等方向相反的電流并反饋輸入到所述的前置放大器電路中。進(jìn)一步的，所述前置放大器電路包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻和第九電阻，其中，第一放大器和第二放大器同相輸入端作為所述前置放大器電路的兩個(gè)輸入端，第一放大器和第二放大器反相輸入端通過(guò)第三電阻連接，第一放大器的反相輸入端和輸出端通過(guò)第一電阻連接；第二放大器的反相輸入端和輸出端通過(guò)第二電阻連接；第三放大器的同相輸入端通過(guò)第六電阻與第一放大器的輸出端連接，并通過(guò)第七電阻與第三放大器的輸出端相連接；第三放大器的反相輸入端通過(guò)第八電阻與第二放大器的輸出端連接，并通過(guò)第九電阻藕接于地電位；第四電阻和第五電阻串接于第一放大器的輸出端和第二放大器端之間；第三放大器的輸出端作為所述前置放大器電路的輸出端。進(jìn)一步的，所述直流信號(hào)提取電路包括一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和一信號(hào)處理單元；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端作為所述直流信號(hào)提取電路的輸入端，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)輸入到所述信號(hào)處理單元中，所述信號(hào)處理單元對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行交流濾波處理輸出直流數(shù)字信號(hào)至所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于將輸入的直流數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流模擬信號(hào)。進(jìn)一步的，所述隔離電路具體包括第一隔離器件、第二隔離器件、第十電阻、第十一電阻和第十二電阻，其中，第十電阻的一端作為所述隔離電路的輸入端，第十電阻的另一端連接至第一隔離器件的反相輸入端和第二隔離器件的同相輸入端；第一隔離器件的輸出端經(jīng)第十二電阻連接至第三電阻的一端；第二隔離器件的輸出端經(jīng)第十一電阻連接至第三電阻的另一端。本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的消除直流偏移的放大器通過(guò)將測(cè)量到的三運(yùn)放輸出端輸出的信號(hào)送入直流信號(hào)提取電路中，在直流信號(hào)提取電路中提取所述前置放大器電路輸出的直流成份信號(hào)，并將直流成份信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸送到隔離電路中，然后隔離電路將輸入電壓轉(zhuǎn)換為恒流源并反相反饋到前置放大器的輸入端，從而實(shí)現(xiàn)直流偏移的動(dòng)態(tài)消除。本發(fā)明的放大器能夠動(dòng)態(tài)的去除較寬幅度范圍內(nèi)的直流偏移電壓，所以能夠在不同的狀態(tài)下使用，在提高共模抑制、消除偏移電壓時(shí)基本沒(méi)有引入新的噪聲源，可以廣泛的應(yīng)用到電生理信號(hào)采集中，具有很大的靈活性。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的除直流偏移的放大器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的隔離器件的恒流源特性示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
本發(fā)明提供了一種消除直流偏移的放大器，具體包括:前置放大器電路、直流信號(hào)提取電路和隔離電路，其中，所述前置放大器電路包括兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述兩個(gè)輸入端用于輸入兩個(gè)待測(cè)信號(hào)；所述直流信號(hào)提取電路的輸入端與所述前置放大器電路的輸出端相連接，用于提取所述前置放大器電路輸出的直流成份信號(hào)；所述隔離電路用于根據(jù)接收到的所述直流信號(hào)提取電路的直流成份信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)與兩個(gè)待測(cè)信號(hào)所帶的直流偏移電壓在所述前置放大器電路中產(chǎn)生的直流偏移電流大小相等方向相反的電流并反饋輸入到所述的前置放大器電路中。本發(fā)明的消除直流偏移的放大器通過(guò)將測(cè)量到的三運(yùn)放輸出端輸出的信號(hào)送入直流信號(hào)提取電路中，在直流信號(hào)提取電路中提取所述前置放大器電路輸出的直流成份信號(hào)，并將直流成份信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸送到隔離電路中，然后隔離電路將輸入電壓轉(zhuǎn)換為恒流源并反相反饋到前置放大器的輸入端，從而實(shí)現(xiàn)直流偏移的動(dòng)態(tài)消除。圖1給出了一種前置放大器電路的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖，在圖1中，并聯(lián)型雙運(yùn)放放大器包括運(yùn)算放大器101、運(yùn)算放大器102、電阻Rl、R2、R3，后級(jí)放大器包括運(yùn)算放大器103、電阻R6、R7、R8、R9，共模信號(hào)的提取由電阻R4、R5構(gòu)成，其中運(yùn)算放大器可以使用高精度雙電源型0P4177，它里面包含四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器101、102、103可采用0P4177里面的三個(gè)放大器。其中，兩個(gè)待測(cè)信號(hào)Vil、Vi2分別從運(yùn)算放大器101、運(yùn)算放大器102的同相輸入端輸入，運(yùn)算放大器101、運(yùn)算放大器102的輸出級(jí)分別接電阻R6、R8，電阻R3分別與運(yùn)算放大器101、運(yùn)算放大器102的負(fù)相輸入端相連，電阻R1、R2分別與運(yùn)算放大器101、運(yùn)算放大器102的輸出級(jí)及電阻R3的兩端相連，電阻R4、R5順序相連并分別接于運(yùn)算放大器101、運(yùn)算放大器102的輸出級(jí)。電阻R6 分別接于運(yùn)算放大器101的輸出端和運(yùn)算放大器103的反相輸入端。電阻R7分別接于運(yùn)算放大器103的反相輸入端輸出端和運(yùn)算放大器103的輸出端。電阻R8分別接于運(yùn)算放大器102的輸出端和運(yùn)算放大器103的同相輸入端。電阻R9分別接于運(yùn)算放大器103的同相輸入端輸出端和公共地。在前置放大器電路中，共模信號(hào)取樣電路通與其并聯(lián)型雙運(yùn)放的輸出端相連提取共模信號(hào)，這里為了進(jìn)一步提高前置放大器的共模抑制比，從R4、R5相連端引出共模電壓到右腿驅(qū)動(dòng)電路RL。圖1中的直流信號(hào)提取電路，包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換器104、信號(hào)處理單元105和數(shù)模轉(zhuǎn)換器106，其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器104可采用16位雙極性的AD轉(zhuǎn)換芯片LTC1608，信號(hào)處理單元105可采用數(shù)字處理芯片TMS320F2812，數(shù)模轉(zhuǎn)換器106可采用16位的AD5668。其中,運(yùn)算放大器103輸出的模擬信號(hào)Vo輸送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器104的模擬信號(hào)輸入端后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器104在信號(hào)處理單元105的控制下將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入信號(hào)處理單元 105。圖1中的隔離電路，包括隔離器件107、隔離器件108、電阻1 10、1 11、1 12，還包括了電阻R13、R14，其中，隔離器件107的正相輸入腳與電阻R14的一端相連，電阻R14的另一端接公共地，隔離器件107的反相輸入腳與隔離器件108的正相輸入腳相連并與電阻RlO相接，隔離器件107的輸出腳與電阻R12相連，電阻R12的另一端接于運(yùn)算放大器102的反相輸入端，隔離器件108的輸出腳與電阻Rll相連，電阻Rll的另一端接于運(yùn)算放大器101的反相輸入端，隔離器件108的反相輸入腳與電阻R13相連，電阻R13的另一端接到公共地。
在本實(shí)施例中隔離器件107、108可采用光耦芯片4N35。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:前置放大器電路后級(jí)運(yùn)算放大器輸出信號(hào)包含了直流成份和交流成份，圖1直流提取電路實(shí)時(shí)的將前置放大器電路中的直流偏移電壓提取出來(lái)，并轉(zhuǎn)換為恒流源反相疊加到前置放大器的輸入端電阻R3上，該電流與前置放大器電路輸入信號(hào)中所帶的直流偏移電壓在R3上形成的電流相等方向相反，從而能夠抵消直流偏移電壓在R3上的直流偏移電流，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)消除前置放大器電路中直流偏移電壓的目的。當(dāng)直流偏移電壓消除后可以通過(guò)提高前置放大器電路的差模電壓放大倍數(shù)來(lái)提高前置放大器電路的共模抑制比。設(shè)定圖1中R3兩端的直流偏移電壓為Vio,則流過(guò)R3的偏移電流(設(shè)為ID。)為:
權(quán)利要求
1.種消除直流偏移的放大器，具體包括:前置放大器電路、直流信號(hào)提取電路和隔離電路，其中，所述前置放大器電路包括兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述兩個(gè)輸入端用于輸入兩個(gè)待測(cè)信號(hào)；所述直流信號(hào)提取電路的輸入端與所述前置放大器電路的輸出端相連接，用于提取所述前置放大器電路輸出的直流成份信號(hào)；所述隔離電路用于根據(jù)接收到的所述直流信號(hào)提取電路的直流成份信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)與兩個(gè)待測(cè)信號(hào)所帶的直流偏移電壓在所述前置放大器電路中產(chǎn)生的直流偏移電流大小相等方向相反的電流并反饋輸入到所述的前置放大器電路中。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的消除直流偏移的放大器，其特征在于，所述前置放大器電路包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻和第九電阻，其中，第一放大器和第二放大器同相輸入端作為所述前置放大器電路的兩個(gè)輸入端，第一放大器和第二放大器反相輸入端通過(guò)第三電阻連接，第一放大器的反相輸入端和輸出端通過(guò)第一電阻連接；第二放大器的反相輸入端和輸出端通過(guò)第二電阻連接；第三放大器的同相輸入端通過(guò)第六電阻與第一放大器的輸出端連接，并通過(guò)第七電阻與第三放大器的輸出端相連接；第三放大器的反相輸入端通過(guò)第八電阻與第二放大器的輸出端連接，并通過(guò)第九電阻藕接于地電位；第四電阻和第五電阻串接于第一放大器的輸出端和第二放大器端之間；第三放大器的輸出端作為所述前置放大器電路的輸出端。
3.據(jù)權(quán)利要求2所述的消除直流偏移的放大器，其特征在于，所述直流信號(hào)提取電路包括一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和一信號(hào)處理單元；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端作為所述直流信號(hào)提取電路的輸入端，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)輸入到所述信號(hào)處理單元中，所述信號(hào)處理單元對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行交流濾波處理輸出直流數(shù)字信號(hào)至所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于將輸入的直流數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流模擬信號(hào)。
4.據(jù)權(quán)利要求2或3所述的消除直流偏移的放大器，其特征在于，所述隔離電路具體包括第一隔離器件、第二隔離器件、第十電阻、第十一電阻和第十二電阻，其中，第十電阻的一端作為所述隔離電路的輸入端，第十電阻的另一端連接至第一隔離器件的反相輸入端和第二隔離器件的同相輸入端；第一隔離器件的輸出端經(jīng)第十二電阻連接至第三電阻的一端；第二隔離器件的輸出端經(jīng)第十一電阻連接至第三電阻的另一端。
5.據(jù)權(quán)利要求4所述的消除直流偏移的放大器，其特征在于，所述的隔離器件具體為光耦芯片4N35。
6.據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的消除直流偏移的放大器，其特征在于，還包括與第四電阻和第五電阻相連端相連的右腿驅(qū)動(dòng)電路。
7.據(jù)權(quán)利要求3所述的消除直流偏移的放大器，其特征在于，所述的信號(hào)處理單元還包括一個(gè)低通濾波器用于對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器所轉(zhuǎn)換的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種消除直流偏移的放大器，包括前置放大器電路、直流信號(hào)提取電路和隔離電路，其中，直流信號(hào)提取電路用于提取前置放大器電路輸出的直流成份信號(hào)；隔離電路用于根據(jù)接收到的所述直流信號(hào)提取電路的直流成份信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)與兩個(gè)待測(cè)信號(hào)所帶的直流偏移電壓在所述前置放大器電路中產(chǎn)生的直流偏移電流大小相等方向相反的電流并反饋輸入到所述的前置放大器電路中。本發(fā)明的放大器通過(guò)將三運(yùn)放輸出端輸出的信號(hào)送入直流信號(hào)提取電路中，提取前置放大器電路輸出的直流成份信號(hào)，并將直流成份轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸送到隔離電路中，然后隔離電路將輸入電壓轉(zhuǎn)換為恒流源并反相反饋到前置放大器的輸入端，從而實(shí)現(xiàn)直流偏移的動(dòng)態(tài)消除。
文檔編號(hào)H03F3/45GK103095233SQ20131002426
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者郜東瑞, 劉鐵軍, 堯德中, 劉志煊, 甘玉龍, 郭茜, 張志偉 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)