《一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置》是深圳市理邦精密儀器股份有限公司於2009年8月31日申請的發明專利，該專利的公布號為：CN101997515A，專利公布日：2011年3月30日，發明人：向小飛、胡尋橋、謝錫城。
《一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置》公開了一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置，包括順序連線的輸入緩衝電路、差分濾波電路、數據選擇器、同相併聯放大電路及模數轉換電路，輸入緩衝電路首先對生物電信號進行阻抗轉換，然後經差分濾波電路進行低通濾波後的生物信號通過數據選擇器、同相併聯放大電路，對生物電信號進行放大並對共模信號進行抑制，再通過抗混疊濾波網路濾除信號高頻帶外的生物信號的噪聲，放大後的信號經模數轉換電路進行模數轉換後輸出。該發明的噪聲、共模抑制比可達很高的指標，且基線十分穩定、信號輸入動態範圍大，不易飽和；可靠性高，能支持完善的PACE檢測，同時電路簡單、成本低，可用於各種生物電檢測儀器和系統，經濟效益顯著。
2017年12月11日，《一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置》摘要附圖 ）
基本介紹
- 中文名：一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置
- 公布號：CN101997515A
- 公布日：2011年3月30日
- 申請號：2009101696758
- 申請日：2009年8月31日
- 申請人：深圳市理邦精密儀器股份有限公司
- 地址：廣東省深圳市南山區蛇口南海大道1019號南山醫療器械園B棟三樓
- 發明人：向小飛、胡尋橋、謝錫城
- Int. Cl.：H03H11/38(2006.01)I、H03F3/45(2006.01)I
- 專利代理機構：深圳市港灣智慧財產權代理有限公司
- 代理人：張雄哲
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
生物電信號檢測都在強背景干擾和存在病人極化電壓的情況下進行，由於強幹擾（特別是工頻干擾）的影響，需要採用儀表放大器。而生物電信號都非常微弱，往往需要放大數百倍以上。當電極與人體皮膚接觸，存在極化電壓，因此普遍放大器的第一級增益都比較小，需要用阻容電路隔離極化電壓後利用第二級放大器進行放大。由於存在時間常數電路，因此在病人極化電壓比較大，造成第一級輸出飽和時，會對電容進行充電，假設此時病人狀況穩定（病人上極化電壓達到比較小的正常值），則隔直電容上的電荷需要非常長的時間才能釋放完畢，此期間是無法進行ECG信號採集的。因此交流裝置出信號的速度較慢，而且基線容易漂移，基線恢復慢。傳統的交流放大有如下缺點：信號動態範圍小；電路十分複雜、噪聲大；放大器飽和與基線恢復慢（基線漂移）的問題。起搏（PACE）脈衝檢測問題。還有抗擾能力不佳，丟失信號直流成分以及接近直流信號的交流信號的問題。
為解決以上問題，業界多採用帶儀表放大器的直流放大電路裝置，但是，傳統的直流放大裝置但仍存在以下不足：
電路仍比較複雜，且放大環節眾多，對於控制系統噪聲不利；抑制共模干擾的能力差。同時採用的儀表放大器後的信號都是單端信號，對於空間偶合到儀表放大器之後信號線上的共模干擾無法排除。
成本高昂，儀表放大器普遍價格不菲，若採用三運放搭建儀表放大器，一方面成本仍比該文的同相併聯放大器結構高，另一方面，三運放搭建的儀表放大器，共模抑制比受限於匹配電阻精度，難以提高，一般60分貝已經相當不錯。
採用傳統的直流放大電路裝置，難以同時迴避成本高和共模抑制比不理想的問題。
發明內容
專利目的
針對2009年前技術的不足，《一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置》提供一種低成本高性能的全差分同相併聯放大器裝置，其能大大簡化了生物電前端電路的設計；既可以達到很高的性能，又可以保持較低的成本。
技術方案
《一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置》是通過以下技術方案實施的：
一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置，其特徵在於：包括順序連線的輸入緩衝電路、差分濾波電路、數據選擇器、同相併聯放大電路及模數轉換電路，輸入緩衝電路首先對生物電信號進行阻抗轉換，然後經差分濾波電路進行低通濾波後的生物信號通過數據選擇器、同相併聯放大電路，對生物電信號進行放大並對共模信號進行抑制，再通過抗混疊濾波網路濾除信號高頻帶外的生物信號的噪聲，放大後的信號經模數轉換電路進行模數轉換後輸出。
所述輸入緩衝電路共有九路，即U1～U9；每一路由一個低噪聲單運放構成，單運放的接成電壓跟隨器形式，同相端與電路的限流電阻相連，反相端接輸出端並與差分濾波電路的輸入級相連。
差分濾波電路共有8路，每一路由兩個電阻與一個電容構成一階的差分低通濾波；電阻一端與緩衝電路的輸出端相連，另一端連線濾波電容，電阻另一端還與數據選擇器的輸入級相連，濾波電容的另一端接浮地；濾波電容兩端都分別與濾波電阻相連。
所述數據選擇器為高解析度模數轉換器內部集成的模擬開關，可配置為8選一差分輸入差分輸出模式，8個差分輸入端分別接Ⅰ導、Ⅱ導、V1～V6導的差分濾波輸出端。
所述差分同相併聯放大電路為一路，電路主體由雙運放U10、U11，電阻R19～R23，電容C9構成，其中U10的同相端與數據選擇器的正相輸出MUXP相連；U11的同相端與數據選擇器的負相輸出MUXN相連；U10、U11的反相輸入端都接與電阻R19相連；U10、U11的反相端分別經過電阻R20、R21與U10、U11輸出端相連；U10、U11的輸出端分別與濾波網路的電阻R22、R23一端相連，R22，R23的另一端分別與濾波電容C9相連；與C9相連R22、R23的一端還分別與模數轉換器的正輸入端IN+、負輸入端IN-相連。
模數轉換器的IN+、IN-分別與R22，R23相連；模數轉換器的數位訊號輸出端通過SPI口或LVDS口與微處理器相連。
改善效果
《一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置》採用了以上技術方案，該發明的噪聲，共模抑制比均可以達到很高的指標，且基線十分穩定；出生物電信號速度快。信號輸入動態範圍大，不容易飽和。可靠性高，還能支持完善的PACE（起搏脈衝）檢測。其成本遠低於採用集成儀放的經典直流放大裝置。同時電路結構簡單，高度集成化，有利於板卡小型化。產品易制易銷，可廣泛用於心電，腦電，肌電等各種生物電檢測儀器和各種測控系統，經濟和社會效益顯著。
附圖說明
圖1是《一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置》的電路原理圖。
圖1
技術領域
《一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置》涉及一種採集生物電信號的裝置，尤其涉及的是全差分同相併聯放大的生物電信號採集裝置。
權利要求
1.《一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置》，其特徵在於：包括輸入緩衝電路、差分濾波電路、數據選擇器、同相併聯放大電路及模數轉換電路，輸入緩衝電路首先對生物電信號進行阻抗轉換，然後經差分濾波電路進行低通濾波後的生物電信號通過數據選擇器、同相併聯放大電路，對生物電信號進行放大並對共模信號進行抑制，再通過抗混疊濾波網路濾除信號高頻帶外的生物電信號的噪聲，放大後的信號經模數轉換電路進行模數轉換後輸出；
所述輸入緩衝電路共有九路,即U1～U9；每一路由一個低噪聲單運放構成，單運放以電壓跟隨器的形式接成，同相端與輸入電路的限流電阻相連，反相端接運放輸出端並與差分濾波電路的輸入級相連；
差分濾波電路共有8路，每一路由兩個電阻與一個電容構成一階的差分低通濾波；電阻一端與緩衝電路的輸出端相連，另一端連線濾波電容，電阻另一端還與數據選擇器的輸入級相連；濾波電容兩端都分別與濾波電阻相連；
所述同相併聯放大電路為一路，電路主體由雙運放U10、U11，電阻R19～R23，電容C9構成，其中U10的同相端與數據選擇器U12的正相輸出MUXP相連；U11的同相端與數據選擇器U12的負相輸出MUXN相連；U10、U11的反相輸入端都與電阻R19相連；U10、U11的反相輸入端分別經過電阻R20、R21與U10、U11輸出端相連；U10、U11的輸出端分別與濾波網路的電阻R22、R23相連，R22，R23的另一端分別與濾波電容C9相連，R22，R23的另一端還分別與模數轉換器U12的正輸入端IN+、負輸入端IN-相連。
2、根據權利要求1所述的一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置，其特徵在於：所述數據選擇器為高解析度模數轉換器內部集成的模擬開關，可配置為8選一差分輸入差分輸出模式，8個差分輸入端接分別接Ⅰ導、Ⅱ導、V1～V6導的差分濾波輸出端。
3、根據權利要求1所述的一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置，其特徵在於：模數轉換器U12的IN+、IN-分別與R22，R23相連；U12的數位訊號輸出端通過SPI口或LVDS口與微處理器相連。
實施方式
參見圖1，該同相併聯差分直流放大電路裝置，包括輸入緩衝器、全差分RC濾波電路、通道選擇器、同相併聯差分放大電路、模數轉換電路，輸入緩衝電路首先對生物電信號進行阻抗轉換，然後經差分濾波電路進行低通濾波後的生物信號通過數據選擇器、同相併聯放大電路，對生物電信號進行放大並對共模信號進行抑制，再通過抗混疊濾波網路濾除信號高頻帶外的生物信號的噪聲，放大後的信號經模數轉換電路進行模數轉換後輸出。
其中輸入緩衝電路U1～U9，一共有9路，每一路分別由氣體放電管，限流電阻，濾波電容，藕合電容，鉗位雙二極體組成。其中RA支路是共用的。其它8路緩衝都分別與RA支路作差。此輸入緩衝電路的目的是為後級電路提供低輸出阻抗的信號源。
全差分濾波電路，共8路，每一路分別由兩個電阻與一個電容組成。全差分濾波電路的採用，保證濾波效果的同時，共模抑制比並不會因為器件參數的離散性而降低。
由高解析度ADC集成為通道選擇器，可配置為8選一差分模擬開關。
同相併聯差分放大電路，電路主體由雙運放U10、U11，電阻R19～R23，電容C9構成，其中U10的同相端與數據選擇器U12的正相輸出MUXP相連；U11的同相端與數據選擇器U12的負相輸出MUXN相連；U10、U11的反相輸入端都接與電阻R19相連；U10、U11的反相端分別經過電阻R20、R21與U10、U11輸出端相連；U10、U11的輸出端分別與濾波網路的電阻R22、R23一端相連，R22，R23的另一端分別與濾波電容C9相連；與C9相連R22、R23的一端還分別與模數轉換器的正輸入端IN+、負輸入端IN-相連。由儀表放大器的相關理論可知，由U10，U11構成的同相差分放大電路第一級，其共模抑制比與電阻R19～R23的精度完全無關，與U10，U11自身的CMRR參數無關，僅與U10，U11的CMRR一致性有關。這是因為第一級為同相併聯的結構，兩個電阻R20、R21很容易對稱平衡。第一級電路具有完全對稱形式，這種對稱結構有利於克服電阻的失配影響。所以第一級電路外路電阻的共模抑制能力無需再討論。僅考慮運算放大器本身的共模抑制能力。實際上，第一級的輸出U1、U2在迴路里不產生共模電流，加在電阻R19上的差動電壓決定了整個電路的工作電流，而加在這個電位器上的共模電壓對此電流毫無影響。無論電阻R19、R20、R21取何值均如此。所以電路的共模以致能力與外迴路電阻是否匹配完全無關。此外，並聯結構電路能利用電路結構的對稱、失調互補的原理，使共模誤差電壓互相抵消，獲得低漂移和高穩定性。對於差模信號可以方便地進行增益調節，給使用帶來很大方便。
U10，U11採用雙運放器件，由於集成在一個矽片中，參數一致性很高，因此可保證同相併聯差分放大器有相當高的CMRR值。此級是唯一一級提供模擬增益的電路。具有以下幾個功能：提供共模型抑制比與模擬增益、提供高輸入阻抗的放大級、降低由於模擬開關導通電阻造成的信號損失、兼作ADC驅動與抗混疊濾波。
模數轉換器電路，包括差分輸入的高解析度ADC，集成8選一差分模擬開關，該ADC要求具備較高的共模一致比，此處的作用相當於儀表放大器的第三個運放——差分轉單端運放。是最終的把抑制共模信號的器件。因此，該發明的基本原理是差分同相併聯放大電路與ADC共同組成了一個綜合的儀表放大器。省略了經典的直流放大架中的儀表放大器晶片，且能實現同樣的功能。這樣就達到了高性能低成本的目標。
包括ADC在內的整個同相併聯差分放大電路的共模抑制比，計算公式如下：
式中CMRR為整個電路的共模抑制比，AD1為同相併聯放大電路第一級的差分增益。CMRR12為第一級的共模抑制比，CMRR3為ADC的共模抑制比。式中CMRR12由U10、U11的共模抑制比決定，即
2式中CMRR1、CMR2分別是U10，U11運放本身的共模抑制比。由於選用集成的雙運放，同種工藝保證了其參數非常接近，一般CMRR1、CMRR2可達到僅相差0.5分貝，因此由2式決定的CMRR12可高達到160分貝以上。因此1式可簡化為：
上式即為同相差分放大電路整個架構的共模抑制比表達式；式中AD1為同相差分放大第一級的差分增益，CMRR3為高解析度ADC的共模抑制比，此表達式與經典三運放構成的儀放共模抑制比推導公式是相同的。由3式可知，為獲得儘量高的CMRR，儀放的增益應儘量安排在第一級，即提高AD1，同時提高第三個運放包含外圍匹配電阻在內的共模抑制比CMRR3。由於提高CMRR3對經典儀表放大器的第三個運放外圍電阻匹配要求很高，電阻精度一般做到10E-4是困難的。因此CMRR3一般只能達到80分貝。因此當總增益為2時（該例中儀放第一級增益為2，第二級差分增益一般為1），經典三運放儀放的CMRR僅能達到86分貝（注意：此處指的是集成的儀表放大器，電阻匹配比較好）。若用分立三運放與電阻搭建儀表放大器，電阻精度一般僅在10E-3，這樣CMRR一般最高只能達到66分貝左右。
由於該發明採用了高解析度ADC，其共模抑制比一般能達到50/60赫茲@90Db，由於是ADC提供共模抑制比，消除了常見儀表放大器電路中電阻匹配精度的不利影響。在該同相差分放大電路中，假設同相併聯級增益同為2，則整個電路的CMRR能達到96分貝，不僅關鍵指標CMRR大大高於分立三運放搭建的儀放（高30分貝以上），與經典的集成儀表放大器相比也有優勢，而且成本大大低於採用集成儀放的電路，性價比優異。尤其是在多通道心腦電圖機中套用，優勢十分明顯。
榮譽表彰
2017年12月11日，《一種採集生物電信號的全差分同相併聯放大裝置》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
