消除直流偏移的放大器的製作方法
2024-02-19 11:54:15 1
專利名稱：消除直流偏移的放大器的製作方法
技術領域：
本發明屬於電路設計技術領域，涉及一种放大電路的設計，具體涉及一種能夠動態消除運算放大器直流偏移電壓的三運算前置放大器的設計。
背景技術：
在電生理信號採集中，通常會受到周圍各種噪聲的幹擾，特別是共模信號的幹擾，在同等的工藝條件下，進一步提高共模抑制比的方法是提高前置放大器差模電壓的放大倍數，但電生理信號中的直流偏移電壓的存在限制了前置放大器的差模電壓放大倍數，因此在沒有消除直流偏壓的情況下想進一步提高前置放大器的共模抑制比是非常困難的。Enrique M 等在「AC Coupled Three op-amp Bio-potential Amplifier withActive DC Suppression, IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL.47, N0.12，DECEMBER2000,1616-1619」中提出了交流耦合三運算放大器去除直流的方案。但該方案存在如下幾個問題:一、積分電路的使用是不恰當的，採用的積分電路中的電容Ci沒有電阻與其構成迴路，很容易使放大器產生飽和，此時輸出最大直流信號，不僅沒有去除直流偏壓，反而會產生新的直流電壓偏移量，嚴重時可能引起整個運算放大電路的飽和；二、積分電路的截止頻率由於硬體限制不能做的很低，因此它提取的信號包括了直流信號和一定成份的交流信號，當這些信號被疊加到三運算放大電路的輸入端時，會將這些低頻的交流信號疊加在有用的源信號中，由於這些低頻信號被包含在有用信號頻帶的範圍內很難被濾除，所以引入了新的幹擾源，嚴重影響了信號的準確性；三、所選用的光耦器件屬於非線性的器件，在沒有對光耦器件產生的電流和偏移電壓產生的電流進行對應修正的情況下，光耦器件所產生的電流可能與偏移電壓在輸入端產生的電流不一致，從而無法對直流偏移電壓進行消除甚至有可能弓I入新的電壓偏移量。CN1414701A公開了一種高共模抑制比的前置放大器，具體採用並聯型雙運放，放大器的輸出端分別與兩組阻容耦合電路連接的方式來提高前置放大器的共模抑制比。這種方案因為引入了電容，由於電容的匹配程度很低，容易將共模信號轉換成差模幹擾信號，進而引入了新的幹擾，而且通過電容濾除直流電壓時需要的電容的容值很大，實現起來比較困難。在消除直流偏壓的問題上，CN102185812A通過提取直流信號然後與原始信號相減來消除偏移電壓，這種方案雖然比較簡單，但是在三運算差動前置放大電路中因為電路是差分輸入，如果採用此方案將會破壞電路的對稱性，無法提高電路的共模抑制比。
發明內容
本發明的目的就是針對上述提高前置放大器共模抑制比方案的不足和消除直流偏壓的問題，提出一種即能夠動態的消除直流偏移電壓又能夠提高前置放大器共模抑制比的放大器，同時能夠滿足電路性能需要。本發明的技術方案為:一種消除直流偏移的放大器，具體包括:前置放大器電路、直流信號提取電路和隔離電路，其中，所述前置放大器電路包括兩個輸入端和一個輸出端，所述兩個輸入端用於輸入兩個待測信號；所述直流信號提取電路的輸入端與所述前置放大器電路的輸出端相連接，用於提取所述前置放大器電路輸出的直流成份信號；所述隔離電路用於根據接收到的所述直流信號提取電路的直流成份信號，產生一個與兩個待測信號所帶的直流偏移電壓在所述前置放大器電路中產生的直流偏移電流大小相等方向相反的電流並反饋輸入到所述的前置放大器電路中。進一步的，所述前置放大器電路包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻和第九電阻，其中，第一放大器和第二放大器同相輸入端作為所述前置放大器電路的兩個輸入端，第一放大器和第二放大器反相輸入端通過第三電阻連接，第一放大器的反相輸入端和輸出端通過第一電阻連接；第二放大器的反相輸入端和輸出端通過第二電阻連接；第三放大器的同相輸入端通過第六電阻與第一放大器的輸出端連接，並通過第七電阻與第三放大器的輸出端相連接；第三放大器的反相輸入端通過第八電阻與第二放大器的輸出端連接，並通過第九電阻藕接於地電位；第四電阻和第五電阻串接於第一放大器的輸出端和第二放大器端之間；第三放大器的輸出端作為所述前置放大器電路的輸出端。進一步的，所述直流信號提取電路包括一模數轉換器、一數模轉換器和一信號處理單元；所述模數轉換器的輸入端作為所述直流信號提取電路的輸入端，所述模數轉換器輸出的數位訊號輸入到所述信號處理單元中，所述信號處理單元對輸入的數位訊號進行交流濾波處理輸出直流數位訊號至所述的數模轉換器，所述的數模轉換器用於將輸入的直流數位訊號轉換為直流模擬信號。進一步的，所述隔離電路具體包括第一隔離器件、第二隔離器件、第十電阻、第十一電阻和第十二電阻，其中，第十電阻的一端作為所述隔離電路的輸入端，第十電阻的另一端連接至第一隔離器件的反相輸入端和第二隔離器件的同相輸入端；第一隔離器件的輸出端經第十二電阻連接至第三電阻的一端；第二隔離器件的輸出端經第十一電阻連接至第三電阻的另一端。本發明的有益效果:本發明的消除直流偏移的放大器通過將測量到的三運放輸出端輸出的信號送入直流信號提取電路中，在直流信號提取電路中提取所述前置放大器電路輸出的直流成份信號，並將直流成份信號轉換為模擬信號輸送到隔離電路中，然後隔離電路將輸入電壓轉換為恆流源並反相反饋到前置放大器的輸入端，從而實現直流偏移的動態消除。本發明的放大器能夠動態的去除較寬幅度範圍內的直流偏移電壓，所以能夠在不同的狀態下使用，在提高共模抑制、消除偏移電壓時基本沒有引入新的噪聲源，可以廣泛的應用到電生理信號採集中，具有很大的靈活性。
圖1是本發明實施例的除直流偏移的放大器結構示意圖；圖2是本發明實施例的隔離器件的恆流源特性示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明。
本發明提供了一種消除直流偏移的放大器，具體包括:前置放大器電路、直流信號提取電路和隔離電路，其中，所述前置放大器電路包括兩個輸入端和一個輸出端，所述兩個輸入端用於輸入兩個待測信號；所述直流信號提取電路的輸入端與所述前置放大器電路的輸出端相連接，用於提取所述前置放大器電路輸出的直流成份信號；所述隔離電路用於根據接收到的所述直流信號提取電路的直流成份信號，產生一個與兩個待測信號所帶的直流偏移電壓在所述前置放大器電路中產生的直流偏移電流大小相等方向相反的電流並反饋輸入到所述的前置放大器電路中。本發明的消除直流偏移的放大器通過將測量到的三運放輸出端輸出的信號送入直流信號提取電路中，在直流信號提取電路中提取所述前置放大器電路輸出的直流成份信號，並將直流成份信號轉換為模擬信號輸送到隔離電路中，然後隔離電路將輸入電壓轉換為恆流源並反相反饋到前置放大器的輸入端，從而實現直流偏移的動態消除。圖1給出了一種前置放大器電路的具體實現結構圖，在圖1中，並聯型雙運放放大器包括運算放大器101、運算放大器102、電阻Rl、R2、R3，後級放大器包括運算放大器103、電阻R6、R7、R8、R9，共模信號的提取由電阻R4、R5構成，其中運算放大器可以使用高精度雙電源型0P4177，它裡面包含四個獨立的運算放大器，運算放大器101、102、103可採用0P4177裡面的三個放大器。其中，兩個待測信號Vil、Vi2分別從運算放大器101、運算放大器102的同相輸入端輸入，運算放大器101、運算放大器102的輸出級分別接電阻R6、R8，電阻R3分別與運算放大器101、運算放大器102的負相輸入端相連，電阻R1、R2分別與運算放大器101、運算放大器102的輸出級及電阻R3的兩端相連，電阻R4、R5順序相連並分別接於運算放大器101、運算放大器102的輸出級。電阻R6 分別接於運算放大器101的輸出端和運算放大器103的反相輸入端。電阻R7分別接於運算放大器103的反相輸入端輸出端和運算放大器103的輸出端。電阻R8分別接於運算放大器102的輸出端和運算放大器103的同相輸入端。電阻R9分別接於運算放大器103的同相輸入端輸出端和公共地。在前置放大器電路中，共模信號取樣電路通與其並聯型雙運放的輸出端相連提取共模信號，這裡為了進一步提高前置放大器的共模抑制比，從R4、R5相連端引出共模電壓到右腿驅動電路RL。圖1中的直流信號提取電路，包括:模數轉換器104、信號處理單元105和數模轉換器106，其中，模數轉換器104可採用16位雙極性的AD轉換晶片LTC1608，信號處理單元105可採用數字處理晶片TMS320F2812，數模轉換器106可採用16位的AD5668。其中,運算放大器103輸出的模擬信號Vo輸送到模數轉換器104的模擬信號輸入端後，模數轉換器104在信號處理單元105的控制下將其轉換成數位訊號送入信號處理單元 105。圖1中的隔離電路，包括隔離器件107、隔離器件108、電阻1 10、1 11、1 12，還包括了電阻R13、R14，其中，隔離器件107的正相輸入腳與電阻R14的一端相連，電阻R14的另一端接公共地，隔離器件107的反相輸入腳與隔離器件108的正相輸入腳相連並與電阻RlO相接，隔離器件107的輸出腳與電阻R12相連，電阻R12的另一端接於運算放大器102的反相輸入端，隔離器件108的輸出腳與電阻Rll相連，電阻Rll的另一端接於運算放大器101的反相輸入端，隔離器件108的反相輸入腳與電阻R13相連，電阻R13的另一端接到公共地。
在本實施例中隔離器件107、108可採用光耦晶片4N35。具體實現過程為:前置放大器電路後級運算放大器輸出信號包含了直流成份和交流成份，圖1直流提取電路實時的將前置放大器電路中的直流偏移電壓提取出來，並轉換為恆流源反相疊加到前置放大器的輸入端電阻R3上，該電流與前置放大器電路輸入信號中所帶的直流偏移電壓在R3上形成的電流相等方向相反，從而能夠抵消直流偏移電壓在R3上的直流偏移電流，最終實現動態消除前置放大器電路中直流偏移電壓的目的。當直流偏移電壓消除後可以通過提高前置放大器電路的差模電壓放大倍數來提高前置放大器電路的共模抑制比。設定圖1中R3兩端的直流偏移電壓為Vio,則流過R3的偏移電流(設為ID。)為:
權利要求
1.種消除直流偏移的放大器，具體包括:前置放大器電路、直流信號提取電路和隔離電路，其中，所述前置放大器電路包括兩個輸入端和一個輸出端，所述兩個輸入端用於輸入兩個待測信號；所述直流信號提取電路的輸入端與所述前置放大器電路的輸出端相連接，用於提取所述前置放大器電路輸出的直流成份信號；所述隔離電路用於根據接收到的所述直流信號提取電路的直流成份信號，產生一個與兩個待測信號所帶的直流偏移電壓在所述前置放大器電路中產生的直流偏移電流大小相等方向相反的電流並反饋輸入到所述的前置放大器電路中。
2.據權利要求1所述的消除直流偏移的放大器，其特徵在於，所述前置放大器電路包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻和第九電阻，其中，第一放大器和第二放大器同相輸入端作為所述前置放大器電路的兩個輸入端，第一放大器和第二放大器反相輸入端通過第三電阻連接，第一放大器的反相輸入端和輸出端通過第一電阻連接；第二放大器的反相輸入端和輸出端通過第二電阻連接；第三放大器的同相輸入端通過第六電阻與第一放大器的輸出端連接，並通過第七電阻與第三放大器的輸出端相連接；第三放大器的反相輸入端通過第八電阻與第二放大器的輸出端連接，並通過第九電阻藕接於地電位；第四電阻和第五電阻串接於第一放大器的輸出端和第二放大器端之間；第三放大器的輸出端作為所述前置放大器電路的輸出端。
3.據權利要求2所述的消除直流偏移的放大器，其特徵在於，所述直流信號提取電路包括一模數轉換器、一數模轉換器和一信號處理單元；所述模數轉換器的輸入端作為所述直流信號提取電路的輸入端，所述模數轉換器輸出的數位訊號輸入到所述信號處理單元中，所述信號處理單元對輸入的數位訊號進行交流濾波處理輸出直流數位訊號至所述的數模轉換器，所述的數模轉換器用於將輸入的直流數位訊號轉換為直流模擬信號。
4.據權利要求2或3所述的消除直流偏移的放大器，其特徵在於，所述隔離電路具體包括第一隔離器件、第二隔離器件、第十電阻、第十一電阻和第十二電阻，其中，第十電阻的一端作為所述隔離電路的輸入端，第十電阻的另一端連接至第一隔離器件的反相輸入端和第二隔離器件的同相輸入端；第一隔離器件的輸出端經第十二電阻連接至第三電阻的一端；第二隔離器件的輸出端經第十一電阻連接至第三電阻的另一端。
5.據權利要求4所述的消除直流偏移的放大器，其特徵在於，所述的隔離器件具體為光耦晶片4N35。
6.據權利要求1至5任一項權利要求所述的消除直流偏移的放大器，其特徵在於，還包括與第四電阻和第五電阻相連端相連的右腿驅動電路。
7.據權利要求3所述的消除直流偏移的放大器，其特徵在於，所述的信號處理單元還包括一個低通濾波器用於對模數轉換器所轉換的信號進行濾波處理。
全文摘要
本發明公開了一種消除直流偏移的放大器，包括前置放大器電路、直流信號提取電路和隔離電路，其中，直流信號提取電路用於提取前置放大器電路輸出的直流成份信號；隔離電路用於根據接收到的所述直流信號提取電路的直流成份信號產生一個與兩個待測信號所帶的直流偏移電壓在所述前置放大器電路中產生的直流偏移電流大小相等方向相反的電流並反饋輸入到所述的前置放大器電路中。本發明的放大器通過將三運放輸出端輸出的信號送入直流信號提取電路中，提取前置放大器電路輸出的直流成份信號，並將直流成份轉換為模擬信號輸送到隔離電路中，然後隔離電路將輸入電壓轉換為恆流源並反相反饋到前置放大器的輸入端，從而實現直流偏移的動態消除。
文檔編號H03F3/45GK103095233SQ20131002426
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月23日 優先權日2013年1月23日
發明者郜東瑞, 劉鐵軍, 堯德中, 劉志煊, 甘玉龍, 郭茜, 張志偉 申請人:電子科技大學