專利名稱：一種單片集成的心電信號讀取電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單片集成的心電信號讀取電路。
背景技術(shù)：
隨著生活水平日益提高，人們對自身的健康也越發(fā)關(guān)注。在未來數(shù)十年內(nèi)，中國將 進入老齡化社會。心臟病在老年人中屬于高發(fā)疾病，而心臟病治療中的重要一環(huán)便是對病 人的心電圖進行實時的監(jiān)控，進而對病人進行及時的、有針對性的治療。然而，傳統(tǒng)的心電 圖機體積大、價格昂貴、操作復(fù)雜，所以病人不得不在醫(yī)院接收檢查。因此，人們對便攜式的 心電圖儀的需求日益強烈。在心電圖儀中，心電信號讀取電路是一個非常重要的模塊。該電路主要由放大 器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和振蕩器這幾個部分組成，主要負(fù)責(zé)將傳感器輸出的十分微弱的電 壓信號(幾毫伏)放大、濾波并數(shù)字化，以便于進行數(shù)據(jù)壓縮和發(fā)送。然而，由于要在低頻段 (<150Hz)實現(xiàn)帶通濾波，尤其是要有效地濾除直流分量，傳統(tǒng)的心電信號讀取電路都采用 分立元器件來實現(xiàn)，以避免片上大電阻、大電容的使用。但是，大量分立元器件的使用使得 電路體積大幅增大，電路功耗大幅提高，從而使得心電圖儀難以實現(xiàn)“微型化”和“便攜化”。 將整個心電信號讀取電路全部集成在一個芯片上可以大幅壓縮電路體積，降低電路功耗， 降低設(shè)計成本。從而使得心電圖機的“微型化”和“便攜化”成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種全單片集成的心電信號讀取電路，以壓縮電路體積， 降低電路功耗，降低設(shè)計成本。本發(fā)明提出的全單片集成的心電信號讀取電路，由帶通放大器(Band-Pass Amplifier)、可變增益放大器(VGA)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和振蕩器(0SC)四個模塊組成，四個 模塊集成于同一塊芯片上；其中帶通放大器用于對輸入信號進行濾波和第一次放大?？?變增益放大器用于對信號進行再放大。模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將放大后的信號數(shù)字化以便進行數(shù) 據(jù)壓縮和發(fā)送。振蕩器用于為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供時鐘源。本發(fā)明中，帶通放大器的上、下截止頻率分別為150Hz，50mHz?？勺冊鲆娣糯笃鞯?增益為6、10、12、16四檔可調(diào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用12位IkS/s的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。振 蕩器為輸出頻率為100kHz的張弛振蕩器。本發(fā)明中，所述帶通放大器的頻率特性呈帶通特性，具有上、下兩個截止頻率。低 于下截止頻率或是高于上截止頻率的信號都將被衰減掉。該帶通放大器采用基于運放的負(fù) 反饋放大器結(jié)構(gòu)，其閉環(huán)增益由輸入電容和反饋電容的比率決定，下截止頻率由反饋電阻 和反饋電容決定，上截止頻率由運放的單位增益帶寬和閉環(huán)增益決定。在所述帶通放大器中，反饋電阻采用6個偽電阻單元串聯(lián)而成，以避免電阻阻值 隨著輸出幅度變化而變化，從而減小信號失真。所述偽電阻單元由兩個二極管連接的PM0S 晶體管構(gòu)成，且這兩個晶體管的漏極相連。
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在所述帶通放大器中，采用的運放結(jié)構(gòu)為兩級運放，以獲得較好的噪聲性能。本發(fā)明中，所述的可變增益放大器的增益可以選擇。該可變增益放大器采用基于 運放的負(fù)反饋放大器結(jié)構(gòu)，其閉環(huán)增益由輸入電容和反饋電容的比率決定。所述輸入電容 可以通過T型開關(guān)來調(diào)整大小，從而調(diào)整放大器的閉環(huán)增益。該T型開關(guān)具有較大的關(guān)斷 電阻。在所述可變增益放大器中，采用的運放為AB類運放，以獲得較強的容性驅(qū)動能 力。本發(fā)明的整個心電信號讀取電路可以實現(xiàn)全單片集成，無需外部分立元器件，從 而使電路體積得以大幅壓縮，功耗得以大幅減小，成本得以大幅降低。非常適用于便攜式醫(yī)
療廣品。


圖1為本發(fā)明提出的全單片集成的心電信號讀取電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2為圖1結(jié)構(gòu)中的帶通放大器的電路圖。圖3為圖2中反饋電阻所包含的偽電阻單元的電路圖。圖4為圖1結(jié)構(gòu)中的可變增益放大器的電路圖。圖5為圖4中的開關(guān)的電路圖。圖6為圖1結(jié)構(gòu)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路圖。圖7為圖1結(jié)構(gòu)中的振蕩器的電路圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步的說明。圖1為本發(fā)明提出的全單片集成的心電信號讀取電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。如圖所示， 其由帶通放大器(Band-Pass Amplifier)、可變增益放大器(VGA)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和振 蕩器(0SC)四個模塊組成。其中帶通放大器用于對輸入信號進行濾波和第一次放大。可 變增益放大器用于對信號進行再放大。模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將放大后的信號數(shù)字化以便進行數(shù) 據(jù)壓縮和發(fā)送。振蕩器用于為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供時鐘源。圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)中的帶通放大器(Band-Pass Amplifier)的電路圖。其采用 的是基于運放的負(fù)反饋放大器結(jié)構(gòu)，運放采用兩級運放結(jié)構(gòu)，以獲得較好的噪聲性能和較 低的功耗。反饋元件由反饋電阻慫與反饋電容G組成，輸入信號通過輸入電容G交流耦 合輸入，從而避免了心電電極所引入的直流失調(diào)電壓的影響。該放大器的閉環(huán)增益由輸入 電容和反饋電容的比率決定，下截止頻率由反饋電阻和反饋電容決定，上截止頻率由運放 的單位增益帶寬和閉環(huán)增益決定。亦即其中，(為帶通放大器的閉環(huán)增益，為下截止頻率，為上截止頻率，你為 運放的單位增益帶寬。圖3為圖2中反饋電阻慫包含的偽電阻單元的電路圖。如圖所示，每個偽電阻單元 由兩個二極管連接的PM0S晶體管軋和叢構(gòu)成，且這兩個晶體管的漏極相連。無論是Vi>V2 還是V2>V” PM0S晶體管軋與尾中總有一個管子處于截止區(qū)，從而該偽電阻單元可以作為 一個阻值極大(1012歐姆量級)的小信號電阻使用。然而，該偽電阻單元的阻值隨著|Vi-V2 值的變化，會有較大變化。所以，反饋電阻慫由6個偽電阻單元串聯(lián)而成，這樣，即便放大 器輸出擺幅較大時，通過6個偽電阻單元均分以后，每個偽電阻單元的兩端電壓IVrV」較 小，從而保證了反饋電阻Rf阻值的穩(wěn)定，減小了信號的失真。圖4為圖1結(jié)構(gòu)中的可變增益放大器(VGA)的電路圖。如圖所示，其采用的是基于 運放的負(fù)反饋放大器結(jié)構(gòu)。為了對后級有足夠的驅(qū)動能力，所采用的運放為AB類放大器。 反饋元件由反饋電阻慫與反饋電容組成，輸入信號通過輸入電容仏C) G交流耦合輸 入，從而避免了前級共模電平對后級的影響。該放大器的閉環(huán)增益由輸入電容和反饋電容 的比率決定。所以，為了改變放大器的閉環(huán)增益，可以通過利用開關(guān)改變輸入電容的大小來 實現(xiàn)。亦即
其中，(為可變增益放大器的閉環(huán)增益，開關(guān)&和Si在閉合時為1，斷開時為0。
VGA的下截止頻率由反饋電阻和反饋電容決定，上截止頻率由運放的單位增益帶 寬和閉環(huán)增益決定，亦即
其中，f-mL為下截止頻率，為上截止頻率，你為運放的單位增益帶寬。圖5為圖4結(jié)構(gòu)中的開關(guān)&和Si的電路圖。如圖所示，該開關(guān)在為高電平、 #為低電平時導(dǎo)通，在「_為低電平、#為高電平時斷開。在開關(guān)斷開時，由于晶體管
M3導(dǎo)通，從而晶體管i/；和叢的柵源電壓為0，從而開關(guān)具有極大的關(guān)斷電阻。圖6為圖1結(jié)構(gòu)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的電路圖。該ADC為一 12位，IkS/s逐次 逼近型ADC，其主要包括采樣開關(guān)、比較器、SAR邏輯單元、DAC電容陣列這幾部份。輸入信 號通過采樣開關(guān)采樣后進入DAC電容陣列，然后比較器將DAC的輸出電壓與參考電壓相比 較。SAR邏輯單元根據(jù)比較結(jié)果控制DAC電容陣列以改變DAC輸出電壓，進行下一次比較。比較器的失調(diào)電壓通過調(diào)整latch輸出端的負(fù)載電容大小來補償?shù)簟?
圖7為圖1結(jié)構(gòu)中的振蕩器(0SC)的電路圖。該振蕩器為一輸出頻率為100kHz 的張弛振蕩器。其主要包括比較器、RS觸發(fā)器、開關(guān)、電容等部分。在振蕩器復(fù)位時，復(fù)位 信號Mr為高電平，從而振蕩器輸出(仍一直為低電平。當(dāng)復(fù)位信號變低時，晶體管 關(guān)斷，晶體管導(dǎo)通，從而保持為低電平，以至于VM為低電平。而晶體管処導(dǎo)通，晶體 管Mn關(guān)斷，所以不斷升高，當(dāng)VM大于VKEF時，變?yōu)楦唠娖?，從而Q變高，Q_N變低。此 后，晶體管馬關(guān)斷，晶體管導(dǎo)通，從而VM開始降低；晶體管導(dǎo)通，晶體管關(guān)斷，所 以升高。當(dāng)?shù)陀赩KEF而高于VKEF時，Q變低而Q_N變高。如此往復(fù)振蕩，產(chǎn)生出 時鐘信號。其振蕩頻率可以表示為
權(quán)利要求
一種單片集成的心電信號讀取電路，其特征在于由帶通放大器、可變增益放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和振蕩器四個模塊組成，這四個模塊集成于同一個硅片上；其中所述帶通放大器用于對輸入信號進行濾波和第一次放大，可變增益放大器用于對信號進行再放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將放大后的信號數(shù)字化以便進行數(shù)據(jù)壓縮和發(fā)送，振蕩器用于為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供時鐘源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成的心電信號讀取電路，其特征在于所述模數(shù)轉(zhuǎn)換 器采用12位IkS/s的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述振蕩器為輸出頻率為100kHz的張弛振蕩器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成的心電信號讀取電路，其特征在于所述的帶通放 大器采用基于運放的負(fù)反饋放大器結(jié)構(gòu)，具有上、下兩個截止頻率；其閉環(huán)增益由輸入電容 和反饋電容的比率決定，下截止頻率由反饋電阻和反饋電容決定，上截止頻率由運放的單 位增益帶寬和閉環(huán)增益決定。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單片集成的心電信號讀取電路，其特征在于所述的帶通 放大器中，反饋電阻采用6個偽電阻單元串聯(lián)而成；所述偽電阻單元由兩個二極管連接的 PM0S晶體管構(gòu)成，且這兩個晶體管的漏極相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的單片集成的心電信號讀取電路，其特征在于所述的帶 通放大器中，采用的運放結(jié)構(gòu)為兩級運放。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成的心電信號讀取電路，其特征在于所述的可變增 益放大器采用基于運放的負(fù)反饋放大器結(jié)構(gòu)，其閉環(huán)增益由輸入電容和反饋電容的比率決 定。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的單片集成的心電信號讀取電路，其特征在于所述的可變增 益放大器中，輸入電容通過T型開關(guān)來調(diào)整大小。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的單片集成的心電信號讀取電路，其特征在于所述的可 變增益放大器中，采用的運放為AB類運放。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種單片集成的心電信號讀取電路。該電路在同一個硅片上集成了帶通放大器、可變增益放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和振蕩器四個模塊。其中，帶通放大器用于對輸入信號進行濾波和第一次放大，可變增益放大器用于對信號進行再放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將放大后的信號數(shù)字化以便進行數(shù)據(jù)壓縮和發(fā)送，振蕩器用于為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供時鐘源。與基于分立元器件而設(shè)計的心電信號讀取電路相比，本發(fā)明大大縮小了系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)功耗與設(shè)計成本，非常適用于便攜式醫(yī)療產(chǎn)品。
文檔編號A61B5/0428GK101919693SQ20101027954
公開日2010年12月22日 申請日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日
發(fā)明者張輝, 楊思宇, 洪志良, 秦亞杰 申請人:復(fù)旦大學(xué)