有源電極裝置及其有源放大單元的製作方法
2023-08-03 21:34:36 1
有源電極裝置及其有源放大單元的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種有源電極裝置及其有源放大單元。所述有源電極裝置用於信號採集，包括相互連接的電極片和電極腔，所述電極腔包括電池、有源放大單元以及連接電池與有源放大單元的第一連線和第二連線。其中，所述有源放大單元包括電源單元以及與電源單元依次形成串聯的直流抑制單元、帶通濾波器、增益放大器以及緩衝器。採用本發明可以提高輸入阻抗，抑制直流偏置，降低低頻噪聲幹擾，提高信噪比，從而有效地進行電生理信號的放大和預處理，並且本發明結構簡單，適用於單晶片集成。
【專利說明】有源電極裝置及其有源放大單元
【技術領域】
[0001]本發明涉及信號採集，尤其涉及一種有源電極裝置及其有源放大單元。
【背景技術】[0002]傳統的電生理信號，如心電圖信號等屬於低頻率、低幅度信號，一般採用溼電極(無源電極)進行信號採集，但若其導電介質的材料特性變化，電極和人體皮膚之間接觸阻抗變化以及導聯線的移動偽差效應會影響到採集的電生理信號的質量。電極在使用過程中，和人體皮膚之間的接觸會產生高達幾百mv的直流極化電壓，如果前端電路不能消除這個直流偏置，會造成運放過載，不能有效放大。現在採用有源電極方式在導聯線的電極採集端加入有源器件，進行電生理信號的放大和預處理，可以明顯改善上述的問題。
[0003]現有幾種常見形式，如使用帶有放大器的心電乾電極，雖然這種方式簡單，並且方便攜帶，但是，由於電阻引入了噪聲，使運放的增益受直流偏置的影響不能夠設計太大。如現有使用帶誤差反饋的直流偏置消除方法，需要藉助FIR濾波器和DAC(Digital AudioCompress)，使有源電極的設計複雜化，成本較高。如現有使用RC積分器進行直流抑制，需要的R和C值較大，不便於在晶片內集成。
【發明內容】
[0004]為了提高信號採集質量，本發明提出了一種有源電極裝置及其有源放大單元，具有高直流偏置抑制，高輸入阻抗，低噪聲幹擾的特點，能夠提高電生理信號的信噪比，並且整個裝置簡單，方便臨床應用。
[0005]本發明針對以上問題，提出了一種有源電極裝置，用於信號採集，包括相互連接的電極片和電極腔。所述電極腔包括電池、有源放大單元以及連接電池與有源放大單元的第一連線和第二連線。其中，所述有源放大單元包括電源單元以及與電源單元依次形成串聯的直流抑制單元、帶通濾波器、增益放大器以及緩衝器。
[0006]優選地，電源單元包括電源管理單元和參考源，所述電源管理單元提供正負電源，所述參考源產生參考電源，並用於設置直流偏置。
[0007]優選地，所述直流抑制單元包括有反向積分器，該反向積分器採用偽電阻模式。
[0008]本發明針對以上問題，還提出了一種有源放大單元，其特徵在於，其包括電源單元以及與電源單元依次形成串聯的直流抑制單元、帶通濾波器、增益放大器以及緩中器，所述直流抑制單元包括基於偽電阻的反向積分器。
[0009]優選地，偽電阻大於IO12 Ω。
[0010]本發明涉及一種適用於電生理信號採集的有源電極裝置及其有源放大單元，採用本發明可以提高輸入阻抗，抑制直流偏置，降低低頻噪聲幹擾，提高信噪比，從而有效地進行電生理信號的放大和預處理，並且本發明結構簡單，適用於單晶片集成。
【專利附圖】
【附圖說明】[0011]圖1是本發明有源電極裝置的結構示意圖。
[0012]圖2是圖1電極腔的結構示意圖。
[0013]圖3是圖2有源放大單元的結構示意圖。
[0014]圖4是本發明中基於偽電阻和米勒電容的有源直流偏置抑制電路圖。
[0015]圖5是本發明中採用反饋路徑內嵌反向積分器的直流偏置控制電路。
[0016]圖6是本發明中採用的內部直流偏置抑制電路。
[0017]圖7是圖六所示電路達到的增益曲線。
[0018]圖8是圖六所示電路達到的輸入輸出的瞬態響應效果圖。
【具體實施方式】
[0019]請參考圖1及圖2，本發明的有源電極裝置包括電極片1、電極腔2、屏蔽蓋3以及雙絞線4，所述電極腔2位於電極片I與屏蔽蓋3之間，而所述雙絞線4透過屏蔽蓋3與電極腔2相連。所述電極片I 一般為氯化銀電極片，與人體皮膚11接觸並感應產生電信號12。所述電極腔2為圓柱形腔體，包括電池21、有源放大單元22以及連接電池21與有源放大單元22的第一 連線211 (電池的正端)和第二連線212 (電池的負端)。電池21 —般為小型的紐扣電池，通過第一連線211和第二連線212供電給有源放大單元22。所述屏蔽蓋3對有源電極提供電磁屏蔽功能，所述雙絞線4有兩條線，一條是提供處理過的生電信號Vout,另一條是GND信號，是外圍模塊的地線。
[0020]請參考圖3，所述有源放大單元22為實現生理電信號處理的晶片或系統級封裝(System in package, SIP),具體模塊包括電源單元220以及與電源單元220依次形成串聯的直流抑制單元221、帶通濾波器222、增益放大器223以及緩衝器224。另電源單元220包括電源管理單元2201和基準參考源2202，其中，電源管理單元2201產生正負電源，供給其他信號處理的模塊，參考源2202產生參考電源，用於設定直流偏置的大小。所述直流抑制單元221主要實現高輸入阻抗，接收感應的生理電信號12，對生理電信號的直流偏置進行消除；所述帶通濾波器222用來實現高低截止頻率可調；增益放大器223為可編程的實現增益可控的運算放大器；所述緩衝器224實現低輸出阻抗，輸出處理過的生理電信號24，為外圍的模數轉換器模塊提供足夠的驅動能力。此外，有源放大單元22還具有接口 225。
[0021]請參考圖4，直流抑制單元221採用基於偽電阻的反向積分器的有源消除方法，通過運放A2的米勒效應，等效輸入電容放大了 A2倍，變為A2*Cm，Cm即米勒電容，就能在單晶片內部集成大容值，而偽電阻的值採用大於IO12 Ω這樣合理設置A2*Rm*Cm就可以確定系統的高通截止頻率，進而有效抑制低頻噪聲和直流偏置，但是採用這種方法總體增益隨運放Al中間頻帶的開環增益變化，會影響系統性能。請參考圖5，圖5揭示了一種在有源信號放大部分的反饋路徑增加反向積分器，即反饋路徑內嵌反向積分器的結構，所達到的增益為(1+R2/R1)*(1+R3/R4)，合理設計R1、R2、R3、R4就可以達到所需的增益，圖5在圖4的基礎上，在反饋路徑內嵌米勒積分器和分壓電阻來進行直流抑制的結構。圖6為在圖5的基礎上，採用在反饋路徑內嵌米勒積分器、分壓電阻和運放的直流抑制單元221，其中運放Al、A2、A3採用斬波運算放大器用於降低低頻閃爍噪聲。請參考圖7至圖8，圖7為使用圖6的結構所達到的系統增益曲線；圖8為使用圖6所示結構在300mv的階躍信號下的小信號的瞬態響應。[0022]本發明的有源電極裝置100在電極片I上實現信號的供電、放大和濾波，其中，有源放大單元22實現單進(感應的電生理信號)雙出(處理過的電生理信號和GND)電路形式，結構實現簡單，使用方便。本發明採用的直流抑制單元221通過有源的直流偏置消除電路來實現，能夠在IC內部集成外部RC元件，簡化外圍器件，較好滿足臨床診斷設備的要求。
[0023]以上所述僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或流程變換，或直接或間接運用在其它相關的【技術領域】，均同理包括在本 發明的專利保護範圍內。
【權利要求】
1.一種有源電極裝置，用於信號採集，包括相互連接的電極片和電極腔，其特徵在於，所述電極腔包括電池、有源放大單元以及連接電池與有源放大單元的第一連線和第二連線，其中，所述有源放大單元包括電源單元以及與電源單元依次形成串聯的直流抑制單元、帶通濾波器、增益放大器以及緩中器。
2.如權利要求1所述的有源電極裝置，其特徵在於，電源單元包括電源管理單元和參考源，所述電源管理單元提供正負電源，所述參考源產生參考電源，並用於設置直流偏置。
3.如權利要求1所述的有源電極裝置，其特徵在於，所述直流抑制單元包括有反向積分器，該反向積分器採用偽電阻模式。
4.一種有源放大單元，其特徵在於，其包括電源單元以及與電源單元依次形成串聯的直流抑制單元、帶 通濾波器、增益放大器以及緩衝器，所述直流抑制單元包括基於偽電阻的反向積分器。
5.如權利要求4所述的有源放大單元，其特徵在於，偽電阻大於1012Ω。
【文檔編號】A61B5/04GK103829937SQ201210475461
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月21日 優先權日:2012年11月21日
【發明者】盛亮亮, 張金勇, 黃實, 蔡錦和, 王磊 申請人:深圳先進技術研究院