一种基于电流反馈的CMOS仪表放大器

摘要

本发明公开了一种基于电流反馈的CMOS仪表放大器，包括：PMOS管M1、PMOS管M6、第一电流镜、第二电流镜、NMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M5、电容Cc1、电容Cc2、电阻R1、电阻R2、电流源I1、电流源I2、电流源I3、电流源I4、电流源IC1和电流源IC2；第一电流镜包括PMOS管M7、PMOS管M8，第二电流镜包括PMOS管M9、PMOS管M10；本发明不使用输入耦合电容，消除了其失配带来的影响，提高了放大器的共模抑制比；采用全差分结构，进一步提高了共模抑制比；电路支路较少，实现了低功耗。

说明书

技术领域

本发明属于模拟集成电路领域，更具体地，涉及一种基于电流反馈的CMOS仪表放大器。

背景技术

人机接口技术是当下的一个热门研究领域。人们希望通过分析生物电信号的规律和特征，实现识别人的意图，变思想为行动。而在医疗方面，对生物电信号进行记录和分析，也可以为临床药疗提供一定的诊断依据。

准确地采集生物电信号是人机接口技术的基础。生物电信号是典型的低频弱幅值电信号，在采集过程中，很容易受到外界噪声的干扰。而为了实现多电极、可穿戴、可植入应用，信号采集电路必须要有足够低的功耗。这些事实对生物电信号采集电路的性能提出了非常苛刻的要求。

前端放大器Front-End Amplifier(FEA)是生物电信号采集电路的重要组成部分，起着无失真地放大电极采集到的生物电信号、滤除通带外的噪声、抑制共模干扰等作用，对于正确地处理生物电信号有着决定性的意义。

目前影响最为广泛的FEA结构是电容耦合放大器。该结构通过电容比来设定增益，使用MOS伪电阻技术实现抑制直流信号，但在该结构中，工艺误差引起的输入无源器件的失配，会导致电路的CMRR降低。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电流反馈结构的CMOS仪表放大器，通过电流反馈的方式，使放大器的增益由电阻之比决定；舍弃了电容耦合的结构，消除了输入电容失配的影响，大大提高了放大器的共模抑制比。

本发明提供了一种基于电流反馈的CMOS仪表放大器，包括：PMOS管M₁、PMOS管M₆、第一电流镜、第二电流镜、NMOS管M₂、NMOS管M₃、NMOS管M₄、NMOS管M₅、电容C_c1、电容C_c2、电阻R₁、电阻R₂、电流源I₁、电流源I₂、电流源I₃、电流源I₄、电流源I_C1和电流源I_C2；第一电流镜包括PMOS管M₇、PMOS管M₈，第二电流镜包括PMOS管M₉、PMOS管M₁₀；输入信号V_i+和V_i-分别与PMOS管M₁的栅极和PMOS管M₆的栅极相连；PMOS管M₇的源极、PMOS管M₈的源极、PMOS管M₉的源极、PMOS管M₁₀的源极共点，均连接电源VDD；PMOS管M₇的栅极、PMOS管M₈的栅极、PMOS管M₈的漏极、NMOS管M₄的漏极共点；PMOS管M₁₀的栅极、PMOS管M₉的栅极、PMOS管M₉的漏极、NMOS管M₃的漏极共点；电阻R₁的一端与PMOS管M₇的漏极相连，PMOS管M₇的漏极与PMOS管M₁的源极共点；电阻R₁的另一端与PMOS管M₁₀的漏极相连，PMOS管M₁₀的漏极与PMOS管M₆的源极共点；PMOS管M₁的漏极与NMOS管M₂的源极共点，并与电流源I₁的一端相连；电流源I₁的另一端连接地线VSS，其电流方向为由PMOS管M₁的漏极流向VSS；PMOS管M₆的漏极与NMOS管M₅的源极共点，并与电流源I₄的一端相连；电流源I₄的另一端连接地线VSS，其电流方向为由PMOS管M₆的漏极流向VSS；NMOS管M₂的栅极、NMOS管M₅的栅极与偏置电压输入端V_C相连；NMOS管M₂的漏极、电容C_c1的一端、NMOS管M₃的栅极共点，并与电流源I_C1的一端相连；电容C_c1的另一端连接地线VSS；电流源I_C1的另一端与电源VDD相连，其电流方向为由VDD流向NMOS管M₂的漏极；NMOS管M₅的漏极、电容C_c2的一端、NMOS管M₄的栅极共点，并与电流源I_C2的一端相连；电容C_c2的另一端连接地线VSS；电流源I_C2的另一端与电源VDD相连，其电流方向为由VDD流向NMOS管M₅的漏极；NMOS管M₂的栅极与NMOS管M₅的栅极共点；电阻R₂的一端、NMOS管M₃的源极、电流源I₂的一端共点；电阻R₂的另一端、NMOS管M₄的源极、电流源I₃的一端共点；电流源I₂的另一端连接地线VSS，其电流方向为由NMOS管M₃的源极流向VSS；电流源I₃的另一端连接地线VSS，其电流方向为由NMOS管M₄的源极流向VSS。

更进一步地，电流源I_C1与电流源I_C2的电流大小相同；电流源I₁与电流源I₄的电流大小相同；电流源I₂与电流源I₃的电流大小相同。

更进一步地，除PMOS管M₁的衬底、PMOS管M₆的衬底接其自身源极外，其余所有PMOS管衬底均接电源VDD；所有NMOS管衬底均接地。

更进一步地，PMOS管M₇、所述PMOS管M₈、所述PMOS管M₉和所述PMOS管M₁₀的尺寸相同；所述PMOS管M₁和所述PMOS管M₆的尺寸相同；所述NMOS管M₂和所述NMOS管M₅的尺寸相同；所述NMOS管M₃和所述NMOS管M₄的尺寸相同。

在本发明实施例中，6个电流源可以通过镜像电流源、比例电流源实现，可以是单个MOS管，也可以是共源共栅连接的多个MOS管。

作为本发明的一个实施例，可以通过PMOS管M₁₁实现电流源I_C1，PMOS管M₁₂实现电流源I_C2，通过NMOS管M₁₃、NMOS管M₁₄实现电流源I₁，通过NMOS管M₁₇、NMOS管M₁₈实现电流源I₄，通过NMOS管M₁₅实现电流源I₂，通过NMOS管M₁₆实现电流源I₃。

在本发明实施例中，为了解决输入电容带来的直流信号抑制的问题，可以在实际应用时通过增加单独的反馈环路来解决。CMOS仪表放大器还包括共模反馈电路，所述共模反馈电路包括：PMOS管M₁₉、PMOS管M₂₀、PMOS管M₂₁、PMOS管M₂₂、PMOS管M₂₃、PMOS管M₂₄、NMOS管M₂₅、NMOS管M₂₆，PMOS管M₂₃的源极与PMOS管M₂₄的源极共点，并与电源VDD连接；PMOS管M₂₃的栅极与PMOS管M₂₄的栅极共点，并与偏置电压Vbp连接；PMOS管M₂₃的漏极、PMOS管M₁₉的源极、PMOS管M₂₀的源极共点；PMOS管M₂₄的漏极、PMOS管M₂₁的源极、PMOS管M₂₂的源极共点；PMOS管M₂₀的栅极与PMOS管M₂₁的栅极共点，并与基准电压Vref连接；PMOS管M₁₉的栅极与正相输出端V_o+相连；PMOS管M₂₂的栅极与反相输出端V_o-相连；PMOS管M₂₀的漏极、PMOS管M₂₁的漏极、NMOS管M₂₅的漏极、NMOS管M₂₅的栅极共点；PMOS管M₁₉的漏极、PMOS管M₂₂的漏极、NMOS管M₂₆的漏极、NMOS管M₂₆的栅极共点；NMOS管M₂₅的源极与NMOS管M₂₆的源极共点，并与地线VSS连接。

在本发明实施例中，两个电容可以是电容器件，也可以是用作电容的MOS管。两个电阻可以是电阻器件，也可以是用作电阻的MOS管。

本发明不使用输入耦合电容，消除了其失配带来的影响，提高了放大器的共模抑制比；采用全差分结构，进一步提高了共模抑制比；电路支路较少，实现了低功耗。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于电流反馈的CMOS仪表放大器电路的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的基于电流反馈的CMOS仪表放大器电路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的CMOS仪表放大器通过电流反馈的方式，使放大器的增益由电阻之比决定；舍弃了电容耦合的结构，消除了输入电容失配的影响，大大提高了放大器的共模抑制比。去除输入电容带来的直流信号抑制的问题，在实际应用时通过增加单独的反馈环路来解决。

本发明提供的CMOS仪表放大器可应用于生物电等微弱信号的采集，包括：6个PMOS管、4个NMOS管，以及两个电容、两个电阻、6个电流源组成；其中：输入信号V_i+和V_i-分别与PMOS管M₁的栅极和PMOS管M₆的栅极相连；PMOS管M₇的源极、PMOS管M₈的源极、PMOS管M₉的源极、PMOS管M₁₀的源极共点，均连接电源VDD；PMOS管M₇的栅极、PMOS管M₈的栅极、PMOS管M₈的漏极、NMOS管M₄的漏极共点；PMOS管M₁₀的栅极、PMOS管M₉的栅极、PMOS管M₉的漏极、NMOS管M₃的漏极共点；电阻R₁的一端与PMOS管M₇的漏极相连，PMOS管M₇的漏极与PMOS管M₁的源极共点；电阻R₁的另一端与PMOS管M₁₀的漏极相连，PMOS管M₁₀的漏极与PMOS管M₆的源极共点；PMOS管M₁的漏极与NMOS管M₂的源极共点，并与电流源I₁的一端相连；电流源I₁的另一端连接地线VSS，其电流方向为由PMOS管M₁的漏极流向VSS；PMOS管M₆的漏极与NMOS管M₅的源极共点，并与电流源I₄的一端相连；电流源I₄的另一端连接地线VSS，其电流方向为由PMOS管M₆的漏极流向VSS；NMOS管M₂的栅极、NMOS管M₅的栅极与偏置电压输入端V_C相连；NMOS管M₂的漏极、电容C_c1的一端、NMOS管M₃的栅极共点，并与电流源I_C1的一端相连；电容C_c1的另一端连接地线VSS；电流源I_C1的另一端与电源VDD相连，其电流方向为由VDD流向NMOS管M₂的漏极；NMOS管M₅的漏极、电容C_c2的一端、NMOS管M₄的栅极共点，并与电流源I_C2的一端相连；电容C_c2的另一端连接地线VSS；电流源I_C2的另一端与电源VDD相连，其电流方向为由VDD流向NMOS管M₅的漏极；NMOS管M₂的栅极与NMOS管M₅的栅极共点；电阻R₂的一端、NMOS管M₃的源极、电流源I₂的一端共点；电阻R₂的另一端、NMOS管M₄的源极、电流源I₃的一端共点；电流源I₂的另一端连接地线VSS，其电流方向为由NMOS管M₃的源极流向VSS；电流源I₃的另一端连接地线VSS，其电流方向为由NMOS管M₄的源极流向VSS。电流源I_C1与电流源I_C2的电流大小相同；电流源I₁与电流源I₄的电流大小相同；电流源I₂与电流源I₃的电流大小相同。除PMOS管M₁的衬底、PMOS管M₆的衬底接其自身源极外，其余所有PMOS管衬底均接电源VDD；所有NMOS管衬底均接地。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明的结构示意图；其中PMOS管M₇、PMOS管M₈、PMOS管M₉、PMOS管M₁₀尺寸相同；PMOS管M₁、PMOS管M₆尺寸相同；NMOS管M₂、NMOS管M₅尺寸相同；NMOS管M₃、NMOS管M₄尺寸相同；电容C_c1＝C_c2；电流源I₁＝I₄，I_C1＝I_C2，I₂＝I₃＝I₁-I_C1＝I₄-I_C2。

没有交流信号输入时，从PMOS管M₁源极流向PMOS管M₆源极的流经电阻R₁的电流信号i_R1＝0；PMOS管M₇的漏源电流I_DS7、电流源I_C1、电流源I₁满足关系I_DS7+I_C1＝I₁，那么I_DS7＝I₃；MOS管M₁₀的漏源电流I_DS10、电流源I_C2、电流源I₄满足关系I_DS10+I_C2＝I₄，那么I_DS10＝I₂。PMOS管M₇、PMOS管M₈构成电流镜结构，PMOS管M₉、PMOS管M₁₀构成电流镜结构，因此PMOS管M₇的漏源电流I_DS7、PMOS管M₈的漏源电流I_DS8相等，即I_DS8＝I_DS7＝I₃，PMOS管M₉的漏源电流I_DS9、PMOS管M₁₀的漏源电流I_DS10相等，即I_DS9＝I_DS10＝I₂；I_DS8、NMOS管M₄的漏源电流I_DS4、电流源I₃满足关系I_DS4＝I_DS8＝I₃，I_DS9、NMOS管M₃的漏源电流I_DS3、电流源I₂满足关系I_DS3＝I_DS9＝I₂，所以此时从NMOS管M₄源极流向NMOS管M₃源极的流经电阻R₂的电流为0。

有交流信号输入时，输入级PMOS管M₁、M₆是源跟随结构，可以将输入的差分电压信号转化为流经R₁的电流信号，即i_R1＝(V_i+-V_i-)/R₁；此时电路中的电流关系为I_C1+I_DS7-i_R1＝I₁，I_C2+I_DS10+i_R1＝I₄。那么此时I_DS8＝I_DS7＝I₁-I_C1+i_R1＝I₃+i_R1，I_DS9＝I_DS10＝I₄-I_C2-i_R1＝I₂-i_R1。因为有I_DS3＝I_DS9，I_DS4＝I_DS8，由基尔霍夫电流定律可知，流经电阻R₂的电流等于i_R1，即i_R1＝i_R2。那么可以得出ICFIA的增益为A_v＝(V_o+-V_o-)/(V_i+-V_i-)＝i_R1R₂/i_R1R₁＝R₂/R₁。

电路的主极点为：其中，r_o1和r_o2分别为M₁和M₂的漏源电阻，R_I1和R_IC1分别为电流源I₁和I_C1的阻抗。

图2为本发明的一个实施例。

在本实施例中，通过PMOS管M₁₁实现电流源I_C1，PMOS管M₁₂实现电流源I_C2；通过NMOS管M₁₃、NMOS管M₁₄实现电流源I₁，通过NMOS管M₁₇、NMOS管M₁₈实现电流源I₄；通过NMOS管M₁₅实现电流源I₂，通过NMOS管M₁₆实现电流源I₃。

PMOS管M₁₉、PMOS管M₂₀、PMOS管M₂₁、PMOS管M₂₂、PMOS管M₂₃、PMOS管M₂₄、NMOS管M₂₅、NMOS管M₂₆构成共模反馈电路，并通过控制NMOS管M₁₄、NMOS管M₁₇的栅极电压，实现稳定放大器的共模输出电压。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。