楊驍，齊騁，黃煒煒，凌朝東

（1.華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 泉州 362021；2.廈門(mén)市ASIC系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021）

一種適用于心電信號(hào)檢測(cè)的放大器設(shè)計(jì)

楊驍1，2，齊騁1，2，黃煒煒1，2，凌朝東1，2

（1.華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 泉州 362021；2.廈門(mén)市ASIC系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021）

針對(duì)傳統(tǒng)斬波放大器功耗較大，以及電極的直流極化電壓容易使得高增益放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)的問(wèn)題，提出一種適合應(yīng)用于心電信號(hào)的放大器.該低功耗斬波放大器電路由一個(gè)兩級(jí)放大器組成，第1級(jí)折疊共源共柵放大器的高輸出阻抗與第1級(jí)和第2級(jí)之間的密勒等效電容組成一個(gè)低通濾波器，以濾除調(diào)制噪聲.采用TSMC 0.18μm 1P4M工藝，對(duì)所提出的放大器結(jié)構(gòu)進(jìn)行電路設(shè)計(jì) .仿真結(jié)果表明：整個(gè)放大器帶寬為0.2～170Hz，功耗為52μW，其等效輸入噪聲電壓為150nV＠0.1Hz，等效輸入積分噪聲為0.68μV（0.1～150Hz），具有較好的低功耗、低噪聲特性.

斬波技術(shù)；放大器；失調(diào)電壓；噪聲；心電信號(hào)

生物電信號(hào)是一種強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，心電信號(hào)的幅值大小為0～5mV，主要信號(hào)的頻率在0.1～150Hz范圍內(nèi).對(duì)這些生物電信號(hào)進(jìn)行采集前，必須將其進(jìn)行放大且放大器的噪聲必須足夠小，才不至于把有用信號(hào)淹沒(méi) .所以，對(duì)于生物電信號(hào)放大器而言，低噪聲是其非常重要的一個(gè)指標(biāo)［1-2］.另外，由于測(cè)量電極與生物體之間構(gòu)成化學(xué)半電池，所產(chǎn)生的直流電壓（即極化電壓）最大可達(dá)100mV，如此高極化電壓很容易使得高增益放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)［3-6］.同時(shí)，便攜式生物電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)芯片的功耗提出了很高的要求，要求低功耗來(lái)延長(zhǎng)電池供電時(shí)間.傳統(tǒng)斬波放大器要求放大器的帶寬大于其斬波頻率，以及需要額外的低通濾波器來(lái)濾除調(diào)制噪聲，其功耗往往較大.本文在傳統(tǒng)斬波放大器的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的，不需要額外低通濾波器的低功耗斬波放大器.

1 傳統(tǒng)斬波放大器基本原理

圖1為傳統(tǒng)斬波放大器的結(jié)構(gòu).圖1中：Vi和Vo分別是輸入和輸出信號(hào)電壓；A為放大器的增益；m1是周期方波信號(hào)，其斬波頻率為fchop；Vos和Vn分別為運(yùn)放的失調(diào)電壓和1／f噪聲.

圖1 傳統(tǒng)斬波放大器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of traditional chopper amplifier

圖2為斬波放大器的斬波調(diào)制原理 .輸入信號(hào)Vi（圖2a）被方波信號(hào)m1調(diào)制到斬波頻率的奇次諧波處（圖2b），輸入信號(hào)及運(yùn)放的失調(diào)和噪聲經(jīng)放大器放大后，被m1調(diào)制，其中輸入信號(hào)Vi被解調(diào)到低頻處，而噪聲和失調(diào)卻被調(diào)制到斬波頻率的奇次諧波頻率處（圖2c）；V2通過(guò)低通濾波器，失調(diào)和噪聲被濾除掉，留下輸入信號(hào)、殘余失調(diào)和噪聲（圖2d）.

對(duì)于圖1所示的傳統(tǒng)斬波放大器，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)第1個(gè)調(diào)制器后，被調(diào)制到斬波頻率fchop處 . 要使輸入信號(hào)在經(jīng)過(guò)放大器后不失真，放大器的帶寬要大于斬波頻率fchop，但這意味著大的功耗.此外，傳統(tǒng)斬波放大器還需要低通濾波器，濾除調(diào)制到高頻處的失調(diào)和噪聲分量，所以傳統(tǒng)斬波放大器功耗較大.

圖2 斬波調(diào)制原理Fig.2 Chopping modulation principle

2 改進(jìn)的放大器結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)斬波放大器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一種不需要額外低通濾波器的低功耗斬波放大器電路，其電路如圖3所示.該斬波放大器采用兩級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)，第1級(jí)為折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，第2級(jí)為共源級(jí)放大器.在第1級(jí)放大器中，采用低電壓的共源共柵電流鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)差分到單端輸出的轉(zhuǎn)換.

圖3 改進(jìn)后斬波放大器電路Fig.3 Proposed chopper amplifier circuit

折疊式共源共柵放大器的折疊點(diǎn)N1（N2）為一個(gè)低輸出阻抗點(diǎn)，從運(yùn)放輸入端到N1（N2）點(diǎn)的帶寬很大 .所以，第2個(gè)調(diào)制器K2放置在折疊點(diǎn)N1（N2）處，使輸入信號(hào)被調(diào)制到頻率fchop不會(huì)產(chǎn)生失真.被調(diào)制到頻率fchop的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制器K2后，被解調(diào)到基頻處，而運(yùn)放的失調(diào)電壓和低頻處的1／f噪聲被調(diào)制到高頻處.調(diào)制器K2放置在N1（N2）處另外一個(gè)好處是，由于N1（N2）結(jié)點(diǎn)的電平較低，調(diào)制器K2采用簡(jiǎn)單的NMOS開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，就能使得其開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻較小，無(wú)需采用自舉型開(kāi)關(guān).

在低壓共源共柵電流鏡中間節(jié)點(diǎn)（M9，M10的漏端）放置第3個(gè)調(diào)制器，應(yīng)用動(dòng)態(tài)元器件匹配技術(shù)來(lái)降低電流鏡失配引起的失調(diào)和電流鏡的噪聲.假設(shè)第2級(jí)的共源極放大器的放大倍數(shù)為A，則密勒電容Cc等效到第1級(jí)的輸出結(jié)點(diǎn)的等效電容為（A＋1）Cc，即其等效電容放大了（A＋1）倍.這樣采用一個(gè)小密勒電容就能得到一個(gè)大的等效電容，減小了芯片的面積.

利用第1級(jí)折疊共源共柵運(yùn)放高的輸出阻抗，以及等效密勒電容（A＋1）Cc，構(gòu)建一個(gè)截止頻率很低的一階低通濾波器，來(lái)濾除調(diào)制到高頻處的失調(diào)電壓和1／f噪聲 .整個(gè)斬波放大器不需要額外的低通濾波器，故減小了功耗和電路的復(fù)雜程度.另外，第2級(jí)的共源極放大器能夠提供大的輸出擺幅和小的輸出阻抗，而且小的輸出阻抗使其能夠驅(qū)動(dòng)小的電阻負(fù)載.

所提出適合于心電信號(hào)應(yīng)用的放大器結(jié)構(gòu)，如圖4所示 .圖4中：A為圖2所示的斬波放大器，整個(gè)放大器配置成增益為200的閉環(huán)結(jié)構(gòu).從圖4可以得到該放大器的傳遞函數(shù)為

圖4 改進(jìn)后斬波放大器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic of the proposed chopper amplifier

從式（1）可以看出，若選擇電容C，使得fc＝（1／2π）R2C＝0.1Hz，則該放大器對(duì)DC輸入信號(hào)的增益為1，而對(duì)頻率f＞0.1Hz的信號(hào)，其增益約為200，從而避免了由于大的電極極化電壓使得放大器進(jìn)入飽和狀態(tài).

3 電路仿真結(jié)果

采用TSMC公司提供的0.18μm 1P4M工藝對(duì)放大器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，電源電壓為±1V，斬波頻率fchop為10kHz.圖2中斬波放大器A的密勒電容Cc為30pF，其開(kāi)環(huán)幅頻響應(yīng)和共模抑制比（common mode rejection ratio，CMRR）仿真，分別如圖5，6所示 .從圖5可知，其開(kāi)環(huán)DC增益為116dB，相位裕度為57°.從圖6可知：在低頻處，其共模抑制比高達(dá)107dB；在1.4kHz時(shí)，仍能達(dá)到90dB共模抑制比，可以滿足放大器高共模抑制比的要求.

圖5 斬波放大器A的幅頻響應(yīng)Fig.5 Amplitude－frequency response of chopper amplifier A

圖6 斬波放大器A的共模抑制比 Fig.6 Common mode rejection ratio of chopper amplifier A

當(dāng)圖2中的時(shí)鐘信號(hào)CLK1置為低電平，CLK2置為高電平時(shí)，分別采用斬波技術(shù)和不采用斬波技術(shù)，斬波放大器A的等效輸入噪聲功率譜圖，如圖7所示.從圖7可以看出：采用斬波技術(shù)后，運(yùn)放的等效輸入噪聲從8μV＠0.1Hz降到了150nV＠0.1Hz，等效輸入積分噪聲有效電壓值（交流電有效值，即電壓均方根值）從7.6μV（0.1～150Hz）降為0.68μV（0.1～150Hz），說(shuō)明該斬波放大器具有較好的低噪聲特性.

圖7 斬波放大器A的輸入等效噪聲頻譜圖Fig.7 Noise performance comparison with chopping and without chopping of chopper amplifier A

圖8為整個(gè)放大器的幅頻響應(yīng).從圖8可以看出：放大器幅頻特性為帶通特性，在0.2～170Hz頻率范圍內(nèi)，其增益約為200，對(duì)直流電壓具有較好的抑制作用，避免了運(yùn)放工作在飽和區(qū).對(duì)于輸入信號(hào)幅值為1mV，頻率為50Hz的正弦信號(hào)，其瞬態(tài)響應(yīng)如圖9所示 .圖9中：放大倍數(shù)為200.從圖9可知：整個(gè)放大器消耗電流為26μA，功耗為52μW，具有較好的低功耗特性.

將所設(shè)計(jì)的改進(jìn)型斬波放大器與文獻(xiàn)［5－7］所提供的儀器儀表放大器的性能進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示 .表1中：E為電源電壓；P為功耗；V為輸入等效噪聲（交流電有效值，即電壓均方根值）；A為放大器的增益.從表1可知：所設(shè)計(jì)的放大器結(jié)構(gòu)在低功耗和低噪聲方面具有較好的性能.

圖8 放大器的幅頻響應(yīng)Fig.8 Frequency response of the amplifier

圖9 放大器的瞬態(tài)響應(yīng) Fig.9 Transient response of the amplifier

表1 放大器的性能比較Tab.1 Performance comparison

4 結(jié)束語(yǔ)

提出一種適合于心電信號(hào)檢測(cè)的放大器，并采用TSMC公司提供的0.18μm RF 1P4M工藝對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行電路設(shè)計(jì) .該結(jié)構(gòu)中的斬波放大器不需要額外的濾波器，降低了功耗，整個(gè)放大器能夠抑制極化電壓，避免放大器進(jìn)入飽和狀態(tài).仿真結(jié)果表明：其等效輸入噪聲電壓為150nV＠0.1Hz，等效輸入積分噪聲為0.68μV（0.1～150Hz），具有較好的低噪聲特性.整個(gè)放大器的帶寬為0.2～170Hz，功耗為52μW，所提出的放大器具有低噪聲、低功耗特性，適于心電信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用.

［1］NG K A，CHAN P K.A CMOS analog frontend IC for port－able EEG／ECG monitoring applications［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems（Ⅰ）：Regular Papers，2005，52（11）：2335－2347.

［2］WITTE J F，MAKINWA K A A，HUIJSING J H.A CMOS chopper offset－stabilized opamp［J］.IEEE Journal of Solid－State Circuits，2007，42（7）：1529－1535.

［3］YATES D C，RODRIGUEZ－VILLEGAS E.An ultra low power low noise chopper amplifier for wireless EEG［C］∥49th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems.Piscatway：IEEE，2006：449－452.

［4］HARRISON R R，CHARLES C.A low－power low－noise CMOS amplifier for neural recording applications［J］.IEEE Journal of Solid－State Circuits，2003，38（6）：58－965.

［5］NANDA C，MUKHOPADHYAY J，MANDAL D，et al.A CMOS instrumentation amplifier with low voltage and low noise for portable ECG monitoring systems［C］∥2008International Conference on Semiconductor Electronics.Piscatway：IEEE，2008：54－58.

［6］WU Hong－lei，XU Yong－ping.A low－voltage low－noise CMOS instrumentation amplifier for portable medical monitoring systems［C］∥ The 3rd International IEEE－NEWCAS Conference.Piscatway：IEEE，2005：19－22.

［7］NANDA C，MUKHOPADHYAY J，MANDAL D，et al.1VCMOS instrumentation amplifier with high DC electrode offset cancellation for ECG acquisition systems［C］∥ 2010IEEE Students′Technology Synposilum.Piscatway：IEEE，2010：21－25.

Design of Amplifier for Electroencephalogram Monitoring Applications

YANG Xiao1，2，QI Cheng1，2，WANG Wei－wei1，2，LING Chao－dong1，2
（1.College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China；2.Key Laboratory of ASIC and System，Xiamen 361021，China）

In order to overcome the disadvantages that the conventional chopper amplifier consumes large power and is easily saturated with the DC offset of the skin－electrode interface，a low power amplifier is presented for electroencephalogram（EEG）monitoring applications.The chopper amplifier is composed of a two－stage amplifier.The high output impedance of the first stage folded cascade amplifier and the equivalent Miller capacitance constitute together a low pass filter to filter out the modulation noise.The circuit of the amplifier is designed in TSMC 0.18μm 1P4MCMOS process.The bandwidth of the whole amplifier is from 0.2Hz to 170Hz，and the power consumption is 52μW.The equivalent input noise voltage of 150nV＠0.1Hz and the input integrated referred noise voltage of 0.68μV from 0.1Hz to 150Hz are achieved.Simulation results show that the presented amplifier has characteristics of low power and low noise.

chopping technique；amplifier；offset voltage；noise；electroencephalogram

陳志賢 英文審校：吳逢鐵）

TN 722.302；R 540.4

A

1000－5013（2011）06－0633－05

2011－02－21

楊驍（1978－），男，講師，主要從事模擬集成電路設(shè)計(jì)的研究.E－mail：xiaoyanghqu＠hqu.edu.cn.

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2010J05135）；華僑大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目（09BS616）