一种低功耗斩波放大器电路
阅读说明：本技术 一种低功耗斩波放大器电路 (Low-power consumption chopper amplifier circuit ) 是由 张瑛 蒋文超 张靖宇 周梦波 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：一种低功耗斩波放大器电路,包括复用的第一放大器和第二放大器,其中,两个放大器的第一级进行复用；第一放大器和第二放大器的第二级对复用的第一级的输出进行重组,构成各自的输出。本电路将两个放大器复用第一级,可节省其中一个放大器第一级的电流,有效地减小了模拟前端电路的功耗,将噪声更低的放大器作为提供心电信号放大倍数的放大器以减小模拟前端电路整体的等效噪声。(A low-power consumption chopper amplifier circuit comprises a first amplifier and a second amplifier which are multiplexed, wherein the first stage of the two amplifiers is multiplexed; the second stage of the first and second amplifiers recombines the multiplexed first stage outputs to form respective outputs. The circuit multiplexes the two amplifiers into the first stage, so that the current of the first stage of one amplifier can be saved, the power consumption of the analog front-end circuit is effectively reduced, and the amplifier with lower noise is used as the amplifier for providing the electrocardiosignal amplification factor so as to reduce the integral equivalent noise of the analog front-end circuit.)
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种低功耗斩波放大器电路。
背景技术
心电信号记录了心脏活动的状况，通过对采集后心电信号的分析，可评估心脏的健康状况、辅助诊断心血管疾病。心电信号采集模拟前端在可穿戴健康监护系统中得到广泛应用。出于健康监护系统长时间实时监控的需要，对心电信号采集模拟前端低功耗的需求日益增加。
在电子产业需求的驱动下，针对便携式心电信号采集的研究非常广泛。心电信号是周期性的微弱生物电信号，其幅度在0.1-5mV之间，频率0.5-150Hz之间，采集心电信号所用的电极存在直流失调电压。因此，心电信号的采集易受到外界的干扰且低功耗可实现监测设备长时间工作的需要。抗干扰、低功耗是主要的心电信号采集电路的发展方向。
通常用于监测心电信号的模拟前端电路需要实现三个基本要求：1.对微弱的心电信号放大100倍；2.尽可能低的噪声；3.在电路中引入一个高通极点用于抑制电极失调电压和由于呼吸等生理活动引起的低频干扰。在满足上述两个要求下，出于持续长时间监测的需要，模拟前端电路的功耗越低越好。目前常见的用于心电信号监测的模拟前端电路采用电容耦合的放大器实现100倍的放大倍数，同时采用斩波技术降低电路的噪声，此外，需要一个额外的放大器构建直流失调消除环路以产生高通极点抑制电极失调。在传统结构中为降低电路的噪声通常引入斩波技术，而引入斩波技术后，通常至少需要两个完整的放大器才能实现对心电信号的放大和对低频干扰的抑制，这增加了电路功耗的负担。
发明内容
本发明针对传统的基于斩波技术的心电信号采集模拟前端由于需要使用多个放大器功耗大的问题，提出低功耗斩波放大器电路，利用电流复用技术，对放大器的第一级输出进行重组，降低放大器的功耗。
一种低功耗斩波放大器电路，包括复用的第一放大器和第二放大器，其中，两个放大器的第一级进行复用；复用的第一级的输出作为第一放大器和第二放大器的输入。
进一步地，复用的第一级中，包括晶体管M1，与之相连的并联的晶体管M2和M3，与晶体管M2相连的并联的晶体管M4、M8和M5、M9，以及与晶体管M3相连的并联的晶体管M6、M10和M7、M11，还有接地的晶体管M12。
进一步地，晶体管M2和M3作为第一放大器的两个输入分别接收Vin1+、Vin1-。
进一步地，晶体管M4、M7和M5、M6作为第二放大器的两个输入分别接收Vin2+、Vin2-。
进一步地，放大器的第二级中，第一放大器的第二级中包括并联的晶体管M13和M14，与晶体管M13相连的并联的晶体管M15和M16，以及与晶体管M14相连的并联的晶体管M17和M18，还有接地的晶体管M19；第二放大器的第二级中包括并联的晶体管M20和M21，与晶体管M20相连的并联的晶体管M22和M23，以及与晶体管M21相连的并联的晶体管M24和M25，还有接地的晶体管M26。
进一步地，晶体管M15、M16、M17、M18和晶体管M20、M21、M22、M23分别接收复用放大器的第一级输出。
本发明达到的有益效果为：
(1)降低功耗。传统的采用斩波技术的心电信号采集模拟前端至少需要两个完整的放大器以实现引入高通极点和信号放大的功能，本发明将两个放大器复用第一级，可节省其中一个放大器第一级的电流，有效地减小了模拟前端电路的功耗。
(2)降低噪声。本发明中根据心电信号采集模拟前端对放大器的需求不同，将放大器2做PMOS、NMOS互补输入，相比于放大器1，放大器2的跨导更大，对应的噪声就更低，因此，将噪声更低的放大器2作为提供心电信号放大倍数的放大器以减小模拟前端电路整体的等效噪声。
附图说明
图1为本发明实施例中复用放大器的第一级电路图。
图2为本发明实施例中复用放大器的第二级电路图。
图3为本发明实施例中复用放大器在心电信号采集模拟前端的应用电路图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本实施例复用两个放大器的第一级，第二级各自重组形成各自的输出。图1为两个放大器复用的第一级，Vin1+、Vin1-为放大器1的两个输入，Vin2+、Vin2-为放大器2的两个输入，Vo1、Vo2、Vo3、Vo4为复用放大器的第一级输出。
设晶体管M2、M3的跨导为gm1，晶体管M4～M7的跨导为gm2，M8～M11的跨导为gm3，且复用放大器第一级的输出电阻为Rout1。因此，第一级四条输出支路的输出电压分别为：
Vo1＝-1/2*Vin1*gm1*Rout1-Vin2(gm2+gm3)Rout1；
Vo2＝-1/2*Vin1*gm1*Rout1+Vin2(gm2+gm3)Rout1；
Vo3＝+1/2Vin1*gm1*Rout1+Vin2(gm2+gm3)Rout1；
Vo4＝+1/2Vin1*gm1*Rout1-Vin2(gm2+gm3)Rout1。
图2为两个放大器各自的输出级，Vout1+、Vout1-为放大器1的输出，Vout2+、Vout2-为放大器2的输出。通过对放大器第一级输出的重组，形成各自的输出电压。设晶体管M15～M18、M22～M25的跨导为gm4，放大器第二级的输出电阻为Rout2，因此，第二级各支路的输出电压分别为：
Vout1+＝-(Vo1+Vo2)*gm4*Rout2＝+Vin1*gm1*Rout1*gm4*Rout2；
Vout1-＝-(Vo3+Vo4)*gm4*Rout2＝-Vin1*gm1*Rout1*gm4*Rout2；
Vout2+＝-(Vo1+Vo4)*gm4*Rout2＝+2*Vin2(gm2+gm3)Rout1*gm4*Rout2；
Vout2-＝-(Vo2+Vo3)*gm4*Rout2＝-2*Vin2(gm2+gm3)Rout1*gm4*Rout2。
将Vout1+和Vout1-作为放大器1的输出，Vout2+和Vout2-作为放大器2的输出。放大器1的输出增益为：Av1＝gm1*Rout1*gm4*Rout2。放大器2的输出增益为：Av2＝2*(gm2+gm3)Rout1*gm4*Rout2。
VB1、VB2为放大器的偏置电压，用于设置放大器的工作状态；CMFB1、CMFB2、CMFB3为放大器的共模反馈电压，用于稳定输出共模点。
放大器1和放大器2均为两级放大器，所谓两级放大器，就是放大器由第一级放大和第二级放大级联构成。晶体管M1～M12是放大器1和放大器2共用的第一级，可以理解为：M1～M12(放大器第一级)+M13～M19(放大器1的第二级)＝放大器1；M1～M12(放大器第一级)+M20～M26(放大器2的第二级)＝放大器2。
本电路复用了两个放大器的第一级，放大器的第二级没有复用。传统两个的两级放大器需要两个第一级和两个第二级，本设计将两个第一级做成一个，以达到低功耗的效果。
本实施例通过复用两个放大器的第一级有效减小了放大器电流的消耗，将放大器1作为消除电极失调电压环路的放大器，将放大器2作为放大心电信号的放大器。具体的电路应用如图3所示。
放大器1和积分电阻Rint1、Rint2、积分电容Cint1、Cint2构成积分器，将输出Vout1、Vout2的低频量进行积分，积分器输出的电压通过斩波器chopper1调制到高频，通过电容Chp1、Chp2转换为电流反馈至放大器2的输入端，抵消混杂在心电信号中的低频量。由此构成模拟前端电路的直流失调消除环路，在系统中引入高通极点，抑制直流电极失调。
放大器2和斩波器chopper2、chopper3以及输入电容Cin1、Cin2、反馈电容Cfb1、Cfb2构成的反馈系统实现了对采集的心电信号放大100倍，其中，Cin1＝Cin2＝100*Cfb1＝100*Cfb2。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
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