一种用于ECG信号获取的低噪声斩波放大器

马 乾，张 瑛，黄常华，刘 凯

1.南京邮电大学 电子与光学工程学院、微电子学院，江苏 南京 210023

2.南京邮电大学 射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室，江苏 南京 210023

随着社会的发展和人口老龄化的加剧，对健康监测和医疗保健的需求迅速增加。小型化、便携化和智能化成为新型生物医学电子设备的发展趋势［1］。心电信号（Electrocardiogram，ECG）作为多种生物医学信号之一，可以反映心脏活动的状态，对心血管疾病的预防和诊断具有重要意义。

ECG信号是一种低频微弱信号，由P波、QRS波以及T波组成，最大幅值通常低于5 mV，如图1所示［2］。此外，采集电极具有较高的阻抗并且存在高达50 mV的直流失调电压。因此，为了获取高质量的ECG信号，采集放大器需要具有低噪声、高输入阻抗和高通滤波的特性。此外，由于应用于便携式设备中，还需具有低功耗和小尺寸的特点。

图1 ECG信号波形图

目前，用于生物医学信号采集最常见的放大器结构是Harrison等［3］提出的电容耦合仪表放大器。斩波技术可以有效减小1/f噪声，但无法隔离电极的直流失调，因此需要加入直流失调消除环路。Denison等［4］使用一种基于开关电容积分器的反馈型电极失调消除回路构造高通极点，可抑制50 mV的失调，但是需要800 pF的片上电容。Fan等［5］采用超大时间常数开关电容积分器，将片上电容减小到30 pF，但是增大了噪声。Yoo等［6］采用伪电阻技术，减小了面积与噪声，但是伪电阻随PVT变化很大，电路稳定性较差。Chandrakumar等［7］采用占空比电阻技术，稳定性较强，但是仍然需要2 MΩ的电阻和40 pF的电容。Tu等［8］提出一种前馈技术，与反馈相比，可进一步减小面积，但采用了超大时间常数开关电容积分器，噪声较大。

针对上述问题，本文设计了一种低噪声电容耦合斩波仪表放大器。采用斩波技术减小了1/f噪声，引入正反馈环路提高了输入阻抗。为了消除电极直流失调电压，通过改进的前馈型电极失调消除回路构造低于0.5 Hz的高通极点，与反馈回路相比，减小了电路面积。在前馈回路当中采用占空比电阻等效为一个大电阻，与伪电阻和开关电容电阻相比，在精度和噪声方面获得较好的平衡。

1 电路原理

电容耦合斩波仪表放大器整体框图如图2所示，包括主运放单元，阻抗提升回路，前馈型电极失调消除回路。

图2 低噪声电容耦合斩波仪表放大器整体框图

其中主运放单元用来放大ECG信号，抑制1/f噪声，阻抗提升回路用来增大由于引入斩波而减小的输入阻抗，前馈型电极失调消除回路用来构造高通极点，抑制直流失调电压。

1.1 主运放单元

主运放单元由两级运算放大器（A1、A2），输入及反馈电容（Cin1，2、Cfb1，2），输入斩波器（CHin），反馈斩波器（CHfb），输出斩波器（CHout）和直流偏置电阻R1，2组成。其中将CHin置于Cin1，2之前而不是之后可以避免引入额外的1/f2噪声［8］。电路工作过程如下：输入的ECG信号被CHin调制到高频，然后与A1的失调和1/f噪声一起被放大，在A1的输出端ECG信号经CHout解调回基频，而A1的失调与1/f噪声则被调制到高频，由A2放大并输出。经后级的低通滤波器可衰减调制到高频的噪声，保留低频ECG信号。

考虑到运算放大器有限的开环增益，主运放单元的增益为

其中，Au为运算放大器的开环增益，输入电容Cin1，2取10 pF，反馈电容Cfb1，2取100 fF，则该主运放单元可提供40 dB的增益。为了确保增益精度高于0.1%，Au应大于100 dB，一个单级运放难以达到如此高的增益，因此运算放大器采用两级结构［5］。其电路如图3所示，第一级A1采用折叠式共源共栅提供高增益，第二级A2采用共源级结构提供大摆幅。通过密勒补偿电容Cc与调零电阻Rz保证电路闭环的稳定性。将输出斩波器置于折叠式的低阻抗节点，这样可以获得较大的带宽，减小了信号的损失。由于全差分放大器输出共模电位不稳定，因此使用两个共模反馈电路分别稳定输出端的共模电压。

图3 主运放单元中的运算放大器

电容耦合型放大器的噪声主要由运算放大器的噪声决定［9］。假设各晶体管贡献的噪声相互独立，则全差分运算放大器的等效输入参考噪声为［10］

其中，k为玻尔兹曼常数，T为温度，gm为各个晶体管的跨导，Cox为单位栅电容，KP，N为PMOS与NMOS的噪声工艺常量，θ为输出级产生的噪声，AV1为第一级的增益。

由于使用了斩波技术，并且第一级增益很大。因此可以忽略1/f噪声以及第二级的噪声。最终的等效输入噪声为

为了进一步减小噪声，本文将输入管M1，2偏置在深亚阈值区以最大化其跨导gm1，2，将M3，4，5，6偏置在饱和区以减小其跨导gm3，4，gm5，6。

1.2 阻抗提升回路

电容耦合斩波仪表放大器的输入斩波开关CHin和输入电容Cin1，2构成开关电容电阻，其等效输入电阻为

其中，斩波频率fchop设为5 kHz，输入电容Cin为10 pF，则等效输入电阻为10 MΩ。为了增大输入阻抗，引入正反馈环路补偿输入端的电流［5］。该环路如图2所示，由斩波开关（CHpb）与正反馈电容（Cpf1，2）组成。理想情况下，当正反馈环路产生的电流Ipf1，2与负反馈环路电流Ifb1，2相等时，从信号源索取的电流为0。因此，输入阻抗无穷大。此时，对应的Cpf1，2的值可以通过令Ipf1，2与Ifb1，2相等来计算

根据式（5）可得

其中，Auf＝100，Cin1，2＝10 pF，Cfb1，2＝100 fF，为使输入阻抗无穷大，Cpf1，2应为101 fF。出于版图匹配性考虑，令Cpf1，2＝Cfb1，2＝100 fF，最终输入阻抗为

其中，Zin为未加入正反馈时的输入阻抗，Iin为输入电流，Ipf为正反馈电流。因此，加入正反馈环路后输入阻抗可提升100倍。

1.3 电极失调消除回路

电极处的ECG信号（幅度小于5 mV）伴随着高达50 mV的电极直流失调电压。此失调电压被CHin调制到高频导致放大器饱和，因此需要加入电极失调消除回路构造低于0.5 Hz的高通极点，抑制该失调电压。

前馈型电极失调消除回路如图4所示，与反馈结构相比可以减小面积［8］。其由低通滤波器（LPF），斩波器CHp，电容Chp组成。滤波器滤除ECG信号，保留失调电压并反向放大，经CHp调制到高频，通过Chp转化为电流，注入到运放的输入端，与失调电压经CHin，Cin支路转化的电流相抵消，从而消除失调电压。

图4 电容耦合斩波仪表放大器单端电路图

若滤波器的传递函数为：A（s）＝ALPF/（1＋s/ωLPF）且ALPF＝Cin/Chp，则放大器的传递函数为

其中可以看出，放大器具有高通特性，高通截止频率ωHPF为低通滤波器的－3 dB频率ωLPF。

该环路所能消除的最大电极失调电压由电容比值Chp／Cin及滤波器的最大输出电压Vout＿max决定。

由于Cin＝10 pF，Vout＿max＝1.6 V，为了消除高达50 mV的失调，Chp需大于312.5 fF，这里取为400 fF。

文献［8］在电极失调消除回路中使用开关电容滤波器构造高通极点，却引入了折叠噪声，恶化噪声性能。本文所使用的滤波器结构如图5所示，其直流增益与低频截止频率为

图5 前馈型电极失调消除回路中的低通滤波器

为构造小于0.5 Hz的高通极点，取电容Cint＝10 pF，则Req2＞32 GΩ。对于如此高阻值的电阻，伪电阻虽然容易实现，但精度较差；开关电容电路精度较高，但会引入折叠噪声，恶化电路性能。占空比电阻精度适中，其结构如图6所示，由多晶硅电阻R和开关Sw串联组成。当开关由占空比因子为D的时钟驱动时，等效电阻被放大1／D。为了忽略占空比电阻引入的噪声，需将高通极点设为低于0.5 Hz的3到4倍［7］。因此，本文将高通截止频率设为0.16 Hz，则Req2＝100 GΩ。 取Ton＝1 ns，fSw＝5 kΩ， 则D＝1／200 000，因此R＝500 kΩ。为了完全消除失调电压，需使Req2／Req1＝Cin／Chp＝25，因此Req1＝4 GΩ，R＝20 kΩ。

图6 占空比电阻

2 仿真结果

基于0.18μm CMOS工艺对电容耦合斩波仪表放大器进行设计。仿真中，电源电压为1.8 V，斩波频率为5 kHz，消耗的静态电流仅为1.2μA。电路版图如图7所示，面积为310μm×425μm。

图7 电路版图

图8给出了电容耦合斩波仪表放大器的频率响应特性。当未开启电极失调消除回路时，电路具有低通特性；当开启电极失调取消回路时，电路具有带通特性，高通转角频率为0.17 Hz，低通转角频率为4.3 kHz，中频增益为40 dB。可以看出，电极失调取消回路可以抑制直流失调电压。

图8 斩波仪表放大器频率响应

图9给出了放大器等效输入噪声的仿真结果。当未开启斩波时，噪声转角频率为1 kHz，在10 Hz处的噪声为2.9μV／sqrt（Hz），在0.5～100 Hz范围内的积分噪声为42μVrms。当开启斩波时，低频噪声被调制到5 kHz处，噪声转角频率减小到10 Hz，此处的噪声为120 nV／sqrt（Hz），积分噪声为1.8μVrms。所采用的斩波技术大大减小了放大器的低频1/f噪声，提高了ECG信号采集电路的信噪比。

图9 斩波仪表放大器的等效输入噪声

表1给出了所设计的电容耦合斩波仪表放大器与其他文献中仪表放大器的性能参数比较。可以看出，本文设计的仪表放大器具有较小的电流和较低的噪声。

表1 电路性能比较

3 结束语

本文设计了一种用于ECG信号采集的低噪声电容耦合斩波仪表放大器。通过斩波技术与晶体管噪声优化技术减小了1/f噪声和热噪声，引入正反馈环路增加了输入阻抗。提出一种基于占空比电阻的改进型前馈电极失调消除回路，抑制了电极失调电压，且在噪声、面积、精度方面获得较好的平衡。在1.8 V的电源电压下，消耗的静态电流为1.2μA，等效输入噪声为1.8μVrms（0.5～100 Hz），增益为40 dB。结果表明，该放大器具有低功耗、低噪声、小尺寸的特点，能够用于ECG信号采集系统。