前端放大器电路

摘要

一种前端放大器电路，用以接收生物信号，包括信号通道。上述信号通道放大生物信号而产生检测电流，上述信号通道包括电容耦合转导放大器。电容耦合转导放大器将上述生物信号放大转导增益，而输出第一电流。通过实施本发明能即时得知身体状态，可用于做即时的监控或者治疗。

权利要求

1.一种前端放大器电路，用以接收一生物信号，其特征在于，包括：一信号通道，放大所述生物信号而产生一检测电流，其中上述信号通道包括：一电容耦合转导放大器，将上述生物信号放大一转导增益，而输出一第一电流；

一带通滤波放大器，将上述第一电流滤除于一频带宽之外的噪声且放大一第一电流增益，而输出一第二电流；

一可调整增益放大器，将上述第二电流放大一第二电流增益而于一调整增益输出端输出上述检测电流，其中上述第二电流增益为可调整；以及一偏移消除电路，用以消除上述电容耦合转导放大器、上述带通滤波放大器以及上述可调整增益放大器的输出偏移电流。

2.如权利要求1所述的前端放大器电路，其特征在于，上述电容耦合转导放大器包括：一第一输入电容，耦接于一输入负极端以及一第一节点之间；

一第二输入电容，耦接于一输入正极端以及一第二节点之间，其中上述第一输入电容以及上述第二输入电容以一差动模式，交流耦合上述生物信号；

一第一共模P型晶体管，用以将一共模电压提供至上述第一节点；

一第二共模P型晶体管，用以将上述共模电压提供至上述第二节点；

一第一电流源，用以提供一第一转导偏压电流；

一第二电流源，用以提供一第二转导偏压电流；

一第一转导P型晶体管，源极端接收上述第一转导偏压电流，栅极端耦接至上述第二节点；

一第二转导P型晶体管，源极端接收上述第二转导偏压电流，栅极端耦接至上述第一节点，其中上述第一转导P型晶体管以及上述第二转导P型晶体管用以产生上述转导增益；

一线性电阻，耦接于上述第一转导P型晶体管的源极端以及上述第二转导P型晶体管的源极端之间，其中上述线性电阻用以提升上述转导增益的一线性度；

一第三转导P型晶体管，源极端耦接至上述第一转导P型晶体管的漏极端，栅极端耦接至一转导偏压电压；

一第四转导P型晶体管，源极端耦接至上述第二转导P型晶体管的漏极端，栅极端耦接至上述转导偏压电压，漏极端耦接至一转导输出端，其中上述转导输出端输出上述第一电流；

一第一转导N型晶体管，漏极端以及栅极端皆耦接至上述第三转导P型晶体管的漏极端；

一第二转导N型晶体管，漏极端耦接至上述转导输出端，栅极端耦接至上述第一转导N型晶体管的栅极端；

一第三转导N型晶体管，漏极端以及栅极端皆耦接至第一转导N型晶体管的源极端，源极端耦接至一接地端；以及一第四转导N型晶体管，漏极端耦接至上述第二转导N型晶体管的源极端，栅极端耦接至上述第三转导N型晶体管的栅极端，源极端耦接至上述接地端。

3.如权利要求1所述的前端放大器电路，其特征在于，更包括：一转阻放大器，用以将上述检测电流经由一转阻增益转换为一电压信号，且提供一驱动能力至耦接的一量测系统，其中上述生物信号至上述电压信号放大的倍率为上述转导增益、上述第一电流增益、上述第二电流增益以及上述转阻增益的乘积。

4.如权利要求2所述的前端放大器电路，其特征在于，上述带通滤波放大器包括：一带通主电流路径，具有一带通主偏压电流且用以接收上述第一电流；

一带通滤波器，交流耦合至上述带通主电流路径，将上述第一电流滤除上述频带宽之外的噪声而产生一滤波信号：以及一带通副电流路径，具有一带通副偏压电流且根据上述滤波信号而产生上述第二电流，其中上述第一电流增益为上述带通副偏压电流与上述带通主偏压电流的比例。

5.如权利要求4所述的前端放大器电路，其特征在于，上述带通主电流路径包括：一第一主P型晶体管，源极端耦接至一供应电压，栅极端耦接至漏极端；

一第二主P型晶体管，源极端耦接至上述第一主P型晶体管的漏极端，栅极端以及漏极端接收上述第一电流；

一第一主N型晶体管，栅极端以及漏极端耦接至上述第一主P型晶体管的漏极端；以及一第二主N型晶体管，栅极端以及漏极端耦接至上述第一主N型晶体管的源极端，源极端耦接至上述接地端。

6.如权利要求5所述的前端放大器电路，其特征在于，上述第一主P型晶体管、上述第二主P型晶体管、上述第一主N型晶体管以及上述第二主N型晶体管皆操作于次临界区，以降低功率损耗。

7.如权利要求5所述的前端放大器电路，其特征在于，上述带通副电流路径包括：一第一副P型晶体管，源极端耦接至上述供应电压，栅极端耦接至漏极端；

一第二副P型晶体管，源极端耦接至上述第一副P型晶体管的漏极端，漏极端耦接至一带通输出端；

一第一副N型晶体管，栅极端耦接至上述第二副P型晶体管的栅极端，漏极端耦接至上述带通输出端，其中上述第一副N型晶体管的栅极端接收上述滤波信号，上述带通输出端输出上述第二电流；以及一第二副N型晶体管，栅极端以及漏极端耦接至上述第一副N型晶体管的源极端，源极端耦接至上述接地端，其中上述带通副电流路径的晶体管的尺寸与上述带通主电流路径的晶体管尺寸的比例为上述第一电流增益。

8.如权利要求7所述的前端放大器电路，其特征在于，上述第一副P型晶体管、上述第二副P型晶体管、上述第一副N型晶体管以及上述第二副N型晶体管皆操作于次临界区，以降低功率损耗。

9.如权利要求7所述的前端放大器电路，其特征在于，上述带通滤波器包括：一第一差动输入放大器，用以产生一转移电导，包括一第一负输入端、一第一正输入端以及一第一输出端，其中上述第一负输入端耦接至上述第一输出端；

一第一耦合电容，耦接于上述第二主P型晶体管的栅极端以及上述第一正输入端之间；

一第一偏压P型晶体管，具有一通道电阻，源极端耦接至上述共模电压，漏极端耦接至上述第一正输入端，栅极端耦接至一第一带通偏压电压；

一低通电容，耦接于上述第一输出端以及上述接地端之间；

一第二差动输入放大器，包括一第二负输入端、一第二正输入端以及一第二输出端，其中上述第二负输入端耦接至上述第二输出端，上述第二正输入端耦接至上述第一输出端；

一第三差动输入放大器，包括一第三负输入端、一第三正输入端以及一第三输出端，其中上述第三负输入端耦接至上述第三输出端，上述第三输出端输出上述滤波信号；

一第二耦合电容，耦接于上述第二输出端以及上述第三正输入端之间，用以隔绝上述第二差动输入放大器以及上述第三差动输入放大器；以及一第二偏压P型晶体管，用以将一直流偏压提供至上述第三正输入端，使得上述第二副P型晶体管的栅极端以及上述第一副N型晶体管的栅极端偏压至上述直流偏压。

10.如权利要求9所述的前端放大器电路，其特征在于，上述频带宽包括一低通截止频率以及一高通截止频率，其中上述转移电导以及上述低通电容决定上述低通截止频率，其中上述第一耦合电容以及上述通道电阻决定上述高通截止频率。

11.如权利要求9所述的前端放大器电路，其特征在于，上述第一偏压P型晶体管操作于截止区，使得上述通道电阻为高阻抗。

12.如权利要求9所述的前端放大器电路，其特征在于，上述偏移消除电路包括：一数字控制器，产生一第一重置信号、一第二重置信号以及一选择信号；

一虚拟电阻重置模块，根据上述第一重置信号将上述第一节点以及上述第二节点短路至上述共模电压，以及根据上述第二重置信号将上述第一正输入端短路至上述共模电压且将上述第三正输入端短路至上述直流偏压；

一偏移检测电路，根据上述选择信号，依序检测上述第一电流、上述第二电流以及上述检测电流，而产生一第一补偿电流码、一第二补偿电流码以及一第三补偿电流码；

一第一电流数字模拟转换器，根据上述第一补偿电流码，对上述转导输出端抽取或提供一第一补偿电流；

一第二电流数字模拟转换器，根据上述第二补偿电流码，对上述带通输出端抽取或提供一第二补偿电流；

一第三电流数字模拟转换器，根据上述第三补偿电流码，对上述调整增益输出端抽取或提供一第三补偿电流；以及一暂存器，用以储存上述第一补偿电流码、上述第二补偿电流码以及上述第三补偿电流码。

13.如权利要求12所述的前端放大器电路，其特征在于，上述信号通道更包括：一第一开关，耦接于上述电容耦合转导放大器以及上述带通滤波放大器之间，且根据上述数字控制器的一第一断路信号而不导通；以及一第二开关，耦接于上述带通滤波放大器以及上述可调整增益放大器之间，且根据上述数字控制器的一第二断路信号而不导通。

14.如权利要求13所述的前端放大器电路，其特征在于，当上述第一开关以及上述第二开关皆不导通时，上述偏移检测电路根据上述选择信号检测上述第一电流而产生上述第一补偿电流码，其中当上述第一开关导通而上述第二开关不导通时，上述第一电流数字模拟转换器对上述转导输出端抽取或提供上述第一补偿电流，且上述偏移检测电路根据上述选择信号检测上述第二电流而产生上述第二补偿电流码，其中当上述第一开关以及上述第二开关皆导通时，上述第一电流数字模拟转换器对上述转导输出端抽取或提供上述第一补偿电流、上述第二电流数字模拟转换器对上述带通输出端抽取或提供上述第二补偿电流以及上述偏移检测电路根据上述选择信号检测上述检测电流而产生上述第三补偿电流码。

15.如权利要求13所述的前端放大器电路，其特征在于，上述偏移检测电路更包括：一取样放大器，用以将一输入电流转换为一比较电压；

一选择开关，根据上述选择信号，依序选择上述第一电流、上述第二电流以及上述检测电流的一个作为上述输入电流；以及一比较器，比较上述比较电压以及一参考电压而产生一输出信号，其中上述数字控制器根据上述输出信号，而决定上述第一补偿电流码、上述第二补偿电流码以及上述第三补偿电流码。

16.如权利要求3所述的前端放大器电路，其特征在于，更包括：另一信号通道，接收且放大另一生物信号而产生另一检测电流；以及一多工器，将上述检测电流以及上述另一检测电流的一个提供至上述转阻放大器。

说明书

前端放大器电路

技术领域

[0001] 本发明是有关于一种适用于生物医学电子领域的前端放大器电路，特别是一种适用于生物医学电子领域的电流模式前端放大器电路。

背景技术

[0002] 在生物医学电子领域中检测脑电信号时，前端放大电路具有举足轻重的角色，由于生理信号具有低频、低振幅等特性，一个适当放大生理信号的前端电路必须要有低噪声和高的放大倍率。除此之外，功率的消耗需要越小越好，以应用在穿戴式装置上做长时间的测量。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明提出一种前端放大器电路，用以接收一生物信号，包括：一信号通道。上述信号通道放大上述生物信号而产生一检测电流。上述信号通道包括一电容耦合转导放大器。上述电容耦合转导放大器将上述生物信号放大一转导增益，而输出一第一电流。

[0004] 根据本发明的一实施例，上述电容耦合转导放大器包括：一第一输入电容、一第二输入电容、一第一共模P型晶体管、一第二共模P型晶体管、一第一电流源、一第二电流源、一第一转导P型晶体管、一第二转导P型晶体管、一线性电阻、一第三转导P型晶体管、一第四转导P型晶体管、一第一转导N型晶体管、一第二转导N型晶体管、一第三转导N型晶体管以及一第四转导N型晶体管。上述第一输入电容耦接于一输入负极端以及一第一节点之间。上述第二输入电容耦接于一输入正极端以及一第二节点之间，其中上述第一输入电容以及上述第二输入电容以一差动模式，交流耦合上述生物信号。上述第一共模P型晶体管用以将一共模电压提供至上述第一节点。上述第二共模P型晶体管用以将上述共模电压提供至上述第二节点。上述第一电流源用以提供一第一转导偏压电流。上述第二电流源用以提供一第二转导偏压电流。上述第一转导P型晶体管的源极端接收上述第一转导偏压电流，栅极端耦接至上述第二节点。上述第二转导P型晶体管的源极端接收上述第二转导偏压电流，栅极端耦接至上述第一节点，其中上述第一转导P型晶体管以及上述第二转导P型晶体管用以产生上述转导增益。上述线性电阻耦接于上述第一转导P型晶体管的源极端以及上述第二转导P型晶体管的源极端之间，其中上述线性电阻用以提升上述转导增益的一线性度。上述第三转导P型晶体管的源极端耦接至上述第一转导P型晶体管的漏极端，栅极端耦接至一转导偏压电压。上述第四转导P型晶体管的源极端耦接至上述第二转导P型晶体管的漏极端，栅极端耦接至上述转导偏压电压，漏极端耦接至一转导输出端，其中上述转导输出端输出上述第一电流。上述第一转导N型晶体管的漏极端以及栅极端皆耦接至上述第三转导P型晶体管的漏极端。上述第二转导N型晶体管的漏极端耦接至上述转导输出端，栅极端耦接至上述第一转导N型晶体管的栅极端。上述第三转导N型晶体管的漏极端以及栅极端皆耦接至第一转导N型晶体管的源极端，源极端耦接至一接地端。上述第四转导N型晶体管的漏极端耦接至上述第二转导N型晶体管的源极端，栅极端耦接至上述第三转导N型晶体管的栅极端，源极端耦接至上述接地端。

[0005] 根据本发明的一实施例，其中上述信号通道更包括：一带通滤波放大器、一可调整增益放大器以及一偏移消除电路。上述带通滤波放大器将上述第一电流滤除于一频带宽之外的噪声且放大一第一电流增益，而输出一第二电流。上述可调整增益放大器将上述第二电流放大一第二电流增益而于一调整增益输出端输出上述检测电流，其中上述第二电流增益为可调整。上述偏移消除电路用以消除上述电容耦合转导放大器、上述带通滤波放大器以及上述可调整增益放大器的输出偏移电流。

[0006] 根据本发明的一实施例，前端放大器电路更包括一转阻放大器。上述转阻放大器用以将上述检测电流经由一转阻增益转换为一电压信号，且提供一驱动能力至耦接的一量测系统，其中上述生物信号至上述电压信号放大的倍率为上述转导增益、上述第一电流增益、上述第二电流增益以及上述转阻增益的乘积。

[0007] 根据本发明的一实施例，上述带通滤波放大器包括：一带通主电流路径、一带通滤波器以及一带通副电流路径。上述带通主电流路径具有一带通主偏压电流且用以接收上述第一电流。上述带通滤波器交流耦合至上述带通主电流路径，将上述第一电流滤除上述频带宽之外的噪声而产生一滤波信号。上述带通副电流路径具有一带通副偏压电流且根据上述滤波信号而产生上述第二电流，其中上述第一电流增益为上述带通副偏压电流与上述带通主偏压电流的比例。

[0008] 根据本发明的一实施例，上述带通主电流路径包括：一第一主P型晶体管、一第二主P型晶体管、一第一主N型晶体管以及一第二主N型晶体管。上述第一主P型晶体管的源极端耦接至一供应电压，栅极端耦接至漏极端。上述第二主P型晶体管的源极端耦接至上述第一主P型晶体管的漏极端，栅极端以及漏极端接收上述第一电流。上述第一主N型晶体管的栅极端以及漏极端耦接至上述第一主P型晶体管的漏极端。上述第二主N型晶体管的栅极端以及漏极端耦接至上述第一主N型晶体管的源极端，源极端耦接至上述接地端。

[0009] 根据本发明的一实施例，上述第一主P型晶体管、上述第二主P型晶体管、上述第一主N型晶体管以及上述第二主N型晶体管皆操作于次临界(sub-threshold)区，以降低功率损耗。

[0010] 根据本发明的一实施例，上述带通副电流路径包括：一第一副P型晶体管、一第二副P型晶体管、一第一副N型晶体管以及一第二副N型晶体管。上述第一副P型晶体管的源极端耦接至上述供应电压，栅极端耦接至漏极端。上述第二副P型晶体管的源极端耦接至上述第一副P型晶体管的漏极端，漏极端耦接至一带通输出端。上述第一副N型晶体管的栅极端耦接至上述第二副P型晶体管的栅极端，漏极端耦接至上述带通输出端，其中上述第一副N型晶体管的栅极端接收上述滤波信号，上述带通输出端输出上述第二电流。上述第二副N型晶体管的栅极端以及漏极端耦接至上述第一副N型晶体管的源极端，源极端耦接至上述接地端，其中上述带通副电流路径的晶体管的尺寸与上述带通主电流路径的晶体管尺寸的比例为上述第一电流增益。

[0011] 根据本发明的一实施例，上述第一副P型晶体管、上述第二副P型晶体管、上述第一副N型晶体管以及上述第二副N型晶体管皆操作于次临界区，以降低功率损耗。

[0012] 根据本发明的一实施例，上述带通滤波器包括：一第一差动输入放大器、一第一耦合电容、一第一偏压P型晶体管、一低通电容、一第二差动输入放大器、一第三差动输入放大器、一第二耦合电容以及一第二偏压P型晶体管。上述第一差动输入放大器用以产生一转移电导，且包括一第一负输入端、一第一正输入端以及一第一输出端，其中上述第一负输入端耦接至上述第一输出端。上述第一耦合电容耦接于上述第二主P型晶体管的栅极端以及上述第一正输入端之间。上述第一偏压P型晶体管具有一通道电阻，源极端耦接至上述共模电压，漏极端耦接至上述第一正输入端，栅极端耦接至一第一带通偏压电压。上述低通电容耦接于上述第一输出端以及上述接地端之间。上述第二差动输入放大器包括一第二负输入端、一第二正输入端以及一第二输出端，其中上述第二负输入端耦接至上述第二输出端，上述第二正输入端耦接至上述第一输出端。上述第三差动输入放大器包括一第三负输入端、一第三正输入端以及一第三输出端，其中上述第三负输入端耦接至上述第三输出端，上述第三输出端输出上述滤波信号。上述第二耦合电容耦接于上述第二输出端以及上述第三正输入端之间，用以隔绝上述第二差动输入放大器以及上述第三差动输入放大器。上述第二偏压P型晶体管用以将一直流偏压提供至上述第三正输入端，使得上述第二副P型晶体管的栅极端以及上述第一副N型晶体管的栅极端偏压至上述直流偏压。

[0013] 根据本发明的一实施例，上述频带宽包括一低通截止频率以及一高通截止频率，其中上述转移电导以及上述低通电容决定上述低通截止频率，其中上述第一耦合电容以及上述通道电阻决定上述高通截止频率。

[0014] 根据本发明的另一实施例，上述第一偏压P型晶体管操作于截止区，使得上述通道电阻为高阻抗。

[0015] 根据本发明的一实施例，上述偏移消除电路包括：一数字控制器、一虚拟电阻重置模块、一偏移检测电路、一第一电流数字模拟转换器、一第二电流数字模拟转换器、一第三电流数字模拟转换器以及一暂存器。上述数字控制器产生一第一重置信号、一第二重置信号以及一选择信号。上述虚拟电阻重置模块根据上述第一重置信号将上述第一节点以及上述第二节点短路至上述共模电压，以及根据上述第二重置信号将上述第一正输入端短路至上述共模电压且将上述第三正输入端短路至上述直流偏压。上述偏移检测电路根据上述选择信号，依序检测上述第一电流、上述第二电流以及上述检测电流，而产生一第一补偿电流码、一第二补偿电流码以及一第三补偿电流码。上述第一电流数字模拟转换器根据上述第一补偿电流码，对上述转导输出端抽取或提供一第一补偿电流。上述第二电流数字模拟转换器根据上述第二补偿电流码，对上述带通输出端抽取或提供一第二补偿电流。上述第三电流数字模拟转换，根据上述第三补偿电流码，对上述调整增益输出端抽取或提供一第三补偿电流。上述暂存器用以储存上述第一补偿电流码、上述第二补偿电流码以及上述第三补偿电流码。

[0016] 根据本发明的一实施例，上述信号通道更包括：一第一开关以及一第二开关。上述第一开关耦接于上述电容耦合转导放大器以及上述带通滤波放大器之间，且根据上述数字控制器的一第一断路信号而不导通。上述第二开关耦接于上述带通滤波放大器以及上述可调整增益放大器之间，且根据上述数字控制器的一第二断路信号而不导通。

[0017] 根据本发明的一实施例，当上述第一开关以及上述第二开关皆不导通时，上述偏移检测电路根据上述选择信号检测上述第一电流而产生上述第一补偿电流码；当上述第一开关导通而上述第二开关不导通时，上述第一电流数字模拟转换器对上述转导输出端抽取或提供上述第一补偿电流，且上述偏移检测电路根据上述选择信号检测上述第二电流而产生上述第二补偿电流码；当上述第一开关以及上述第二开关皆导通时，上述第一电流数字模拟转换器对上述转导输出端抽取或提供上述第一补偿电流、上述第二电流数字模拟转换器对上述带通输出端抽取或提供上述第二补偿电流以及上述偏移检测电路根据上述选择信号检测上述检测电流而产生上述第三补偿电流码。

[0018] 根据本发明的一实施例，上述偏移检测电路更包括：一取样放大器、一选择开关以及一比较器。上述取样放大器用以将一输入电流转换为一比较电压。上述选择开关根据上述选择信号，依序选择上述第一电流、上述第二电流以及上述检测电流的一个作为上述输入电流。上述比较器比较上述比较电压以及一参考电压而产生一输出信号，其中上述数字控制器根据上述输出信号，而决定上述第一补偿电流码、上述第二补偿电流码以及上述第三补偿电流码。

[0019] 根据本发明的一实施例，前端放大器电路更包括：另一信号通道以及一多工器。上述另一信号通道接收且放大另一生物信号而产生另一检测电流。上述多工器将上述检测电流以及上述另一检测电流的一个提供至上述转阻放大器。通过实施本发明能即时得知身体状态，可用于做即时的监控或者治疗。

附图说明

[0020] 图1是根据本发明的一实施例所述的前端放大器电路的方块图；

[0021] 图2是根据本发明的另一实施例所述的前端放大器电路的方块图；

[0022] 图3是根据本发明的一实施例所述的电容耦合转导放大器的电路图；

[0023] 图4是根据本发明的一实施例所述的带通滤波器的电路图；

[0024] 图5是根据本发明的一实施例所述的直流偏压产生电路的电路图；

[0025] 图6是根据本发明的一实施例所述的可调整增益放大器的电路图；

[0026] 图7是根据本发明的一实施例所述的转阻放大器的电路图；

[0027] 图8是根据本发明的一实施例所述的偏移消除电路的电路图；

[0028] 图9是根据本发明的一实施例所述的图8的偏移检测电路的电路图；以及图10是根据本发明的一实施例所述的偏移检测流程的流程图。

[0029] 附图标号

[0030] 100、200             前端放大器电路

[0031] 110、210_1～210_N    信号通道

[0032] 111、300             电容耦合转导放大器

[0033] 112、400             带通滤波放大器

[0034] 113、600             可调整增益放大器

[0035] 114、800             偏移消除电路

[0036] 120、220、700        转阻放大器

[0037] 230                 多工器

[0038] 410                 带通主电流路径

[0039] 411                 第一主P型晶体管

[0040] 412                 第二主P型晶体管

[0041] 413                 第一主N型晶体管

[0042] 414                 第二主N型晶体管

[0043] 420                 带通滤波器

[0044] 430                 带通副电流路径

[0045] 431                 第一副P型晶体管

[0046] 432                 第二副P型晶体管

[0047] 433                 第一副N型晶体管

[0048] 434                 第二副N型晶体管

[0049] 500                 直流偏压产生电路

[0050] 610                 可调整增益主电流路径

[0051] 630                 可调整增益副电流路径

[0052] 701                 第四差动输入放大器

[0053] 810           数字控制器

[0054] 820           虚拟电阻重置模块

[0055] 830、900       偏移检测电路

[0056] 840           第一电流数字模拟转换器

[0057] 850           第二电流数字模拟转换器

[0058] 860           第三电流数字模拟转换器

[0059] 870           暂存器

[0060] 910           选择器

[0061] 920           信号转换电路

[0062] 921           放大器

[0063] 922           负反馈电阻

[0064] 930           比较器

[0065] 10            第一开关

[0066] 20            第二开关

[0067] 30            第三开关

[0068] SB、SB1～SBN  生物信号

[0069] VOUT          电压信号

[0070] ID、ID1～IDN  检测电流

[0071] I1            第一电流

[0072] I2            第二电流

[0073] IS            选择电流

[0074] NIP           输入正极端

[0075] NIN           输入负极端

[0076] NOGM          转导输出端

[0077] NOBP          带通输出端

[0078] NOPG          可调整增益输出端

[0079] GM            转导增益

[0080] GI1           第一电流增益

[0081] GI2           第二电流增益

[0082] GTI      转阻增益

[0083] N1       第一节点

[0084] N2       第二节点

[0085] VCM      共模电压

[0086] VCMC     共模控制电压

[0087] CI1      第一输入电容

[0088] CI2      第二输入电容

[0089] MPCM1    第一共模P型晶体管

[0090] MPCM2    第二共模P型晶体管

[0091] IS1      第一电流源

[0092] IS2      第二电流源

[0093] MPGM1    第一转导P型晶体管

[0094] MPGM2    第二转导P型晶体管

[0095] RG       线性电阻

[0096] MPGM3    第三转导P型晶体管

[0097] MPGM4    第四转导P型晶体管

[0098] MNGM1    第一转导N型晶体管

[0099] MNGM2    第二转导N型晶体管

[0100] MNGM3    第三转导N型晶体管

[0101] MNGM4    第四转导N型晶体管

[0102] VBGM     转导偏压电压

[0103] GND      接地端

[0104] OP1      第一差动输入放大器

[0105] OP2      第二差动输入放大器

[0106] OP3      第三差动输入放大器

[0107] CC1      第一耦合电容

[0108] CC2      第二耦合电容

[0109] CLP      低通电容

[0110] MPB1     第一偏压P型晶体管

[0111] MPB2      第二偏压P型晶体管

[0112] gm        转移电导

[0113] INN1      第一负输入端

[0114] INP1      第一正输入端

[0115] NO1       第一输出端

[0116] INN2      第二负输入端

[0117] INP2      第二正输入端

[0118] NO2       第二输出端

[0119] INN3      第三负输入端

[0120] INP3     第三正输入端

[0121] NO3      第三输出端

[0122] VDC      直流偏压

[0123] VBPB1    第一带通偏压电压

[0124] VBPB2     第二带通偏压电压

[0125] IBPBM     带通主偏压电流

[0126] IBPBS     带通副偏压电流

[0127] SF        滤波信号

[0128] VS        供应电压

[0129] MPB3      第三偏压P型晶体管

[0130] MPB4      第四偏压P型晶体管

[0131] MNB1      第一偏压N型晶体管

[0132] MNB2      第二偏压N型晶体管

[0133] S1        第一调整开关

[0134] S2        第二调整开关

[0135] S3        第三调整开关

[0136] S4        第四调整开关

[0137] IPGABM    可调整增益主偏压电流

[0138] IPGABS    可调整增益副偏压电流

[0139] RT        反馈电阻

[0140] IIN       输入电流

[0141] SR1       第一重置信号

[0142] SR2       第二重置信号

[0143] SS        选择信号

[0144] VOS       偏移电压

[0145] SDC       数字补偿信号

[0146] S1～S11   步骤流程

具体实施方式

[0147] 为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特例举一较佳实施例，并配合所附图式，来作详细说明如下：

[0148] 以下将介绍是根据本发明所述的较佳实施例。必须要说明的是，本发明提供了许多可应用的发明概念，在此所揭露的特定实施例，仅是用于说明达成与运用本发明的特定方式，而不可用以局限本发明的范围。

[0149] 图1是根据本发明的一实施例所述的前端放大器电路的方块图。如图1所示，前端放大器电路100用以将输入正极端NIP以及输入负极端NIN所接收的生物信号SB放大而产生放大的电压信号VOUT，经由数字模拟转换器变成数字数据后，可再由数字信号处理器分析，即时得知身体状态，可用于做即时的监控或者治疗。

[0150] 根据本发明的一实施例，生物信号SB为一脑电波(Electroencephalography,EEG)信号 。根 据本发 明的 另一 实施 例 ，生 物信 号S B为一 大脑 皮 质脑电 波(Electrocorticography,ECoG)信号。根据本发明的另一实施例，生物信号SB为一局部场电位(local field potential,LFP)信号。根据本发明的另一实施例，生物信号SB为一心脏(Electrocardiography,ECG)信号。根据本发明的另一实施例，生物信号SB为一肌肉(Electromyography,EMG)信号。根据本发明的其他实施例，生物信号SB可为任何已知或未知的生物电性信号。

[0151] 前端放大器电路100包括信号通道110以及转阻放大器120，信号通道110将经由输入正极端NIP以及输入负极端NIN接收生物信号SB放大而产生检测电流ID，转阻放大器120则将检测电流ID经由转阻增益GTI而产生电压信号VOUT。

[0152] 信号通道110包括电容耦合转导放大器111、带通滤波放大器112、可调整增益放大器113以及偏移消除电路114，其中电容耦合转导放大器111将接收的生物信号SB经由转导增益GM而于转导输出端NOGM产生第一电流I1。带通滤波放大器112将第一电流I1滤除频带宽BW之外的噪声且放大第一电流增益GI1，于带通输出端NOBP产生第二电流I2。

[0153] 可调整增益放大器113将第二电流I2放大第二电流增益GI2后而于可调整增益输出端NOPG产生检测电流ID，其中第二电流增益GI2可调整。偏移消除电路114用以消除电容耦合转导放大器111、带通滤波放大器112以及可调整增益放大器113的输出偏移电流，详细动作将于下文中叙述。

[0154] 图2是根据本发明的另一实施例所述的前端放大器电路的方块图。如图2所示，前端放大器电路200包括多个信号通道210_1～210_N、转阻放大器220以及多工器230。多个信号通道210_1～210_N分别接收多个生物信号SB1～SBN，而产生多个检测电流ID1～IDN。多工器230选择多个检测电流ID1～IDN的一个作为选择电流IS，转阻放大器220利用转阻增益GTI将选择电流IS转换成电压信号VOUT。

[0155] 根据本发明的一实施例，多个信号通道210_1～210_N皆为图1的信号通道110。根据本发明的另一实施例，部分的多个信号通道210_1～210_N的电路为图1的信号通道110，部分的多个信号通道210_1～210_N亦可与图1的信号通道110不相同。

[0156] 图3是根据本发明的一实施例所述的电容耦合转导放大器的电路图。如图3所示，电容耦合转导放大器300包括第一输入电容CI1、第二输入电容CI2、第一共模P型晶体管MPCM1、第二共模P型晶体管MPCM2、第一电流源IS1、第二电流源IS2、第一转导P型晶体管MPGM1、第二转导P型晶体管MPGM2、线性电阻RG、第三转导P型晶体管MPGM3、第四转导P型晶体管MPGM4、第一转导N型晶体管MNGM1、第二转导N型晶体管MNGM2、第三转导N型晶体管MNGM3以及第四转导N型晶体管MNGM4。

[0157] 第一输入电容CI1耦接于输入负极端NIN以及第一节点N1之间，第二输入电容CI2耦接于输入正极端NIP以及第二节点N2之间，其中第一输入电容CI1以及第二输入电容CI2以差动模式，以交流耦合的方式接收生物信号SB。第一共模P型晶体管MPCM1用以根据共模控制电压VCMC，将共模电压VCM提供至第一节点N1；第二共模P型晶体管MPCM2用以根据共模控制电压VCMC，将共模电压VCM提供至第二节点N2。

[0158] 根据本发明的一实施例，第一共模P型晶体管MPCM1以及第二共模P型晶体管MPCM2皆操作于截止区，用以产生高阻抗的通道电阻。根据本发明的另一实施例，第一共模P型晶体管MPCM1以及第二共模P型晶体管MPCM2可操作于三极管(triode)区。

[0159] 第一转导P型晶体管MPGM1的源极端接收第一电流源IS1所提供的第一转导偏压电流，栅极端耦接至第二节点N2；第二转导P型晶体管MPGM2的源极端接收第二电流源IS2的第二转导偏压电流，栅极端耦接至第一节点N1，其中第一转导P型晶体管MPGM1以及第二转导P型晶体管MPGM2用以产生转导增益GM。线性电阻RG耦接于第一转导P型晶体管MPGM1的源极端以及第二转导P型晶体管MPGM2的源极端之间，其中线性电阻RG用以提升转导增益GM的线性度。

[0160] 第三转导P型晶体管MPGM3的源极端耦接至第一转导P型晶体管MPGM1的漏极端，第三转导P型晶体管MPGM3的栅极端耦接至转导偏压电压VBGM；第四转导P型晶体管MPGM4的源极端耦接至第二转导P型晶体管MPGM2的漏极端，第四转导P型晶体管MPGM4的栅极端耦接至转导偏压电压VBGM，第四转导P型晶体管MPGM4的漏极端耦接至转导输出端NOGM，其中转导输出端NOGM输出第一电流I1。

[0161] 第一转导N型晶体管MNGM1的漏极端以及栅极端，皆耦接至第三转导P型晶体管MPGM3的漏极端；第二转导N型晶体管MNGM2的漏极端耦接至转导输出端NOGM，第二转导N型晶体管MNGM2的栅极端耦接至第一转导N型晶体管MNGM1的栅极端。

[0162] 第三转导N型晶体管MNGM3的漏极端以及栅极端皆耦接至第一转导N型晶体管MNGM1的源极端，第三转导N型晶体管MNGM3的源极端耦接至接地端GND；第四转导N型晶体管MNGM4的漏极端耦接至第二转导N型晶体管MNGM2的源极端，第四转导N型晶体管MNGM4的栅极端耦接至第三转导N型晶体管MNGM3的栅极端，第四转导N型晶体管MNGM4的源极端耦接至接地端GND。

[0163] 图4是根据本发明的一实施例所述的带通滤波器的电路图。如图4所示，带通滤波放大器400包括带通主电流路径410、带通滤波器420以及带通副电流路径430。带通主电流路径410具有带通主偏压电流IBPBM，且用以接收第一电流I1；带通副电流路径430具有带通副偏压电流IBPBS，且根据滤波信号SF而产生第二电流I2，其中第一电流增益GI1为带通副偏压电流IBPBS与带通主偏压电流IBPBM的比例。

[0164] 带通滤波器420交流耦合至带通主电流路径410，用以将第一电流I1滤除掉频带宽BW之外的噪声而产生滤波信号SF至带通副电流路径430。以下将详细说明带通主电流路径410、带通滤波器420以及带通副电流路径430的功能。

[0165] 根据本发明的一实施例，带通主电流路径410包括第一主P型晶体管411、第二主P型晶体管412、第一主N型晶体管413以及第二主N型晶体管414。第一主P型晶体管411的源极端耦接至供应电压VS，第一主P型晶体管411的栅极端耦接至漏极端。第二主P型晶体管412的源极端耦接至第一主P型晶体管411的漏极端，第二主P型晶体管412的栅极端以及漏极端接收图1所示的电容耦合转导放大器111以及图3所示的电容耦合转导放大器300第一电流I1。

[0166] 第一主N型晶体管413的栅极端以及漏极端耦接至第一主P型晶体管412的漏极端以及栅极端。第二主N型晶体管414的栅极端以及漏极端耦接至第一主N型晶体管413的源极端，第二主N型晶体管414的源极端耦接至接地端GND。

[0167] 根据本发明的一实施例，第一主P型晶体管411、第二主P型晶体管412、第一主N型晶体管413以及第二主N型晶体管414皆操作于次临界区，用以降低功率损耗。根据本发明的另一实施例，带通主电流路径410亦可由第二主P型晶体管412以及第一主N型晶体管413所组成，然而却造成第二主P型晶体管412以及第一主N型晶体管413的栅极端至源极端跨压增加而提高带通主偏压电流IBPBM，使得功率损耗增加。

[0168] 同样的，带通副电流路径430包括第一副P型晶体管431、第二副P型晶体管432、第一副N型晶体管433以及第二副N型晶体管434。第一副P型晶体管431的源极端耦接至供应电压VS，第一副P型晶体管431的栅极端以及漏极端耦接在一起。第二副P型晶体管432的源极端耦接至第一副P型晶体管431的漏极端，第二副P型晶体管432的漏极端耦接至带通输出端NOBP。

[0169] 第一副N型晶体管433的栅极端耦接至第二副P型晶体管432的栅极端，第一副N型晶体管433的漏极端耦接至带通输出端NOBP而输出第二电流I2，第一副N型晶体管的栅极端接收滤波信号SF。第二副N型晶体管434的栅极端以及漏极端耦接至第一副N型晶体管433的源极端，第二副N型晶体管434的源极端耦接至接地端GND。

[0170] 根据本发明的一实施例，第一副P型晶体管431、第二副P型晶体管432、第一副N型晶体管433以及第二副N型晶体管434皆操作于次临界区，以降低功率损耗。根据本发明的另一实施例，带通副电流路径430与带通主电流路径410相同，亦可由第二副P型晶体管432以及第一副N型晶体管433所组成，然而却造成第二副P型晶体管432以及第一副N型晶体管433的栅极端至源极端跨压增加而提高带通副偏压电流IBPBS，使得功率损耗增加。

[0171] 根据本发明的一实施例，带通副电流路径430的晶体管的尺寸与带通主电流路径410的晶体管的尺寸的比例，即为带通副偏压电流IBPBS与带通主偏压电流IBPBM的比例，亦为第一电流增益GI1。

[0172] 根据本发明的一实施例，带通滤波器420包括第一差动输入放大器OP1、第一耦合电容CC1、第一偏压P型晶体管MPB1、低通电容CLP、第二差动输入放大器OP2、第三差动输入放大器OP3、第二耦合电容CC2以及第二偏压P型晶体管MPB2。

[0173] 第一差动输入放大器OP1用以产生转移电导gm，且包括第一负输入端INN1、第一正输入端INP1以及第一输出端NO1，其中第一负输入端INN1耦接至第一输出端NO1。第一耦合电容CC1耦接于第二主P型晶体管412的栅极端以及第一正输入端INP1之间；第一偏压P型晶体管MPB1具有一通道电阻，源极端耦接至共模电压VCM，漏极端耦接至第一正输入端INP1，栅极端耦接至第一带通偏压电压VBPB1。

[0174] 低通电容CLP耦接于第一输出端NO1以及接地端GND之间；第二差动输入放大器OP2包括第二负输入端INN2、第二正输入端INP2以及第二输出端NO2，其中第二负输入端INN2耦接至第二输出端NO2，第二正输入端INP2耦接至第一输出端NO1。第三差动输入放大器OP3包括第三负输入端INN3、第三正输入端INP3以及第三输出端NO3，其中第三负输入端INN3耦接至第三输出端NO3，第三输出端NO3输出滤波信号SF。

[0175] 第二耦合电容CC2耦接于第二输出端NO2以及第三正输入端INP3之间，用以隔绝第二差动输入放大器OP2以及第三差动输入放大器OP3。第二偏压P型晶体管MPB2根据第二带通偏压电压VBPB2的控制，用以将直流偏压VDC提供至第三正输入端INP3，使得第二副P型晶体管432的栅极端以及第一副N型晶体管433的栅极端的偏压与第二主型晶体管412的栅极端以及第一主N型晶体管413的栅极端相同。

[0176] 图5是根据本发明的一实施例所述的直流偏压产生电路的电路图。如图5所示，直流偏压产生电路500包括第三偏压P型晶体管MPB3、第四偏压P型晶体管MPB4、第一偏压N型晶体管MNB1以及第二偏压N型晶体管MNB2。

[0177] 根据本发明的一实施例，第三偏压P型晶体管MPB3、第四偏压P型晶体管MPB4、第一偏压N型晶体管MNB1以及第二偏压N型晶体管MNB2的尺寸，为第一主P型晶体管411、第二主P型晶体管412、第一主N型晶体管413以及第二主N型晶体管414的尺寸缩小一既定比例，因此所产生的直流偏压VDC与第二主P型晶体管412的栅极端的电压值非常接近。

[0178] 参考图4，根据本发明的一实施例，第一偏压P型晶体管MPB1以及第二偏压P型晶体管MPB2操作于截止区，使得其通道电阻为高阻抗。根据本发明的一实施例，带通滤波器420的频带宽BW包括低通截止频率以及高通截止频率，其中第一差动输入放大器OP1所产生的转移电导gm以及低通电容CLP用以决定低通截止频率，第一耦合电容CC1以及第一偏压P型晶体管MPB1的通道电阻用以决定高通截止频率。

[0179] 图6是根据本发明的一实施例所述的可调整增益放大器的电路图。可调整增益放大器600包括可调整增益主电流路径610以及可调整增益副电流路径630，用以放大第二电流I2而于调整增益输出端NOPG产生检测电流ID。

[0180] 如图6所示，可调整增益主电流路径610与带通主电流路径410相似，可调整增益副电流路径630与带通副电流路径430相似，因此，可调整增益主电流路径610以及可调整增益副电流路径630的动作原理与带通主电流路径410以及带通副电流路径430的动作原理相同，在此不再赘述。

[0181] 由于可调整增益副电流路径630可利用第一调整开关S1、第二调整开关S2、第三调整开关S3以及第四调整开关S4来增加可调整增益副偏压电流IPGABS，造成可调整增益副偏压电流IPGABS与可调整增益主偏压电流IPGABM的比例增加或减少，进而调整第二电流增益GI2。

[0182] 图7是根据本发明的一实施例所述的转阻放大器的电路图。如图7所示，转阻放大器700包括第四差动输入放大器701以及反馈电阻RT，用以将输入电流IIN转换为电压信号VOUT。第四差动输入放大器701包括正输入端、负输入端以及输出端，反馈电阻RT耦接于第四差动输入放大器701的负输入端以及输出端之间。

[0183] 第四差动输入放大器701的正输入端耦接至共模电压VCM，负输入端接收输入电流IIN。根据本发明的一实施例，输入电流IIN为图1的检测电流ID或是图2的选择电流IS，转阻增益GTI由反馈电阻RT所决定。

[0184] 图8是根据本发明的一实施例所述的偏移消除电路的电路图。如图8所示，偏移消除电路800包括数字控制器810、虚拟电阻重置模块820、偏移检测电路830、第一电流数字模拟转换器840、第二电流数字模拟转换器850、第三电流数字模拟转换器860、第一开关10、第二开关20以及第三开关30，其中偏移消除电路800为图1的偏移消除电路114的一实施例。根据本发明的一实施例，虚拟电阻重置模块820利用将共模控制电压VCMC耦接至接地端GND的电压位准，而将第一节点N1以及第二节点N2短路至共模电压VCM。

[0185] 数字控制器810利用第一重置信号SR1控制虚拟电阻重置模块820将图3的第一节点N1以及第二节点N2短路至共模电压VCM，以便测试电容耦合转导放大器300的输出偏移电流。此外，数字控制器810更利用第二重置信号SR2控制虚拟电阻重置模块820，将图4的第一正输入端INP1短路至共模电压VCM以及将第三正输入端INP3短路至直流偏压VDC，以便测试带通滤波放大器400的输出偏移电流。

[0186] 根据本发明的一实施例，虚拟电阻重置模块820利用将第一带通偏压电压VBPB1以及第二带通偏压电压VBPB2耦接至接地端GND的电压位准，而将第一正输入端INP1短路至共模电压VCM以及将第三正输入端INP3短路至直流偏压VDC。

[0187] 偏移检测电路830根据数字控制器810所发出的选择信号SS，依序选择第一电流I1、第二电流I2以及检测电流ID的一个而产生数字补偿信号SDC，其中数字补偿信号SDC包括分别对应第一电流I1、第二电流I2以及检测电流ID的第一补偿码、第二补偿码以及第三补偿码，用以分别控制第一电流数字模拟转换器840、第二电流数字模拟转换器850以及第三电流数字模拟转换器860，并且数字控制器810将数字补偿信号SDC储存于暂存器870中。

[0188] 图9是根据本发明的一实施例所述的图8的偏移检测电路的电路图。如图9所示，偏移检测电路900包括选择器910、信号转换电路920以及比较器930，用以依序选择第一电流I1、第二电流I2以及检测电流ID而产生数字补偿信号SDC的第一补偿码、第二补偿码以及第三补偿码。

[0189] 选择器910用以根据选择信号SS，依序选择第一电流I1、第二电流I2以及检测电流ID，并提供至信号转换电路920。信号转换电路920包括放大器921以及负反馈电阻922，用以将选择器910所选择的第一电流I1、第二电流I2以及检测电流ID的一个，转换为偏移电压VOS。比较器930比较共模电压VCM以及偏移电压VOS后，产生数字补偿信号SDC。

[0190] 图8的数字控制器810根据序列产生的数字补偿信号SDC决定第一补偿码、第二补偿码以及第三补偿码，控制提供至转导输出端NOGM、带通输出端NOBP以及可调整增益输出端NOPG的补偿电流。

[0191] 参考图8，根据本发明的一实施例，数字控制器810控制第一开关10、第二开关20以及第三开关30导通以及不导通，用以分别测试电容耦合转导放大器111、带通滤波放大器112以及可调整增益放大器113的输出偏移电流，详细动作将于下文中描述。根据本发明的另一实施例，在图2的前端放大器电路200中，第三开关30可利用多工器230取代。

[0192] 图10是根据本发明的一实施例所述的偏移检测流程的流程图。以下说明图10所示的流程图时，将搭配图1、图3、图4及图8以利详细说明。

[0193] 首先，图8的数字控制器810将第一开关10、第二开关20以及第三开关30不导通，用以隔绝电容耦合转导放大器111、带通滤波放大器112以及可调整增益放大器113之间的耦接关系(步骤S1)。并且利用第一重置信号SR1控制虚拟电阻重置模块820而将图3的电容耦合转导放大器300的第一节点N1以及第二节点N2短路至共模电压VCM，用以归零图8的电容耦合转导放大器111的输入信号，以检测电容耦合转导放大器111的输出偏移电流(步骤S2)。

[0194] 偏移检测电路830根据选择信号SS，检测第一电流I1而产生数字补偿信号SDC的第一补偿码并储存于暂存器870中(步骤S3)。数字控制器810更根据第一补偿码，控制第一电流数字模拟转换器840输出补偿电流至转导输出端NOGM(步骤S4)。

[0195] 接着，数字控制器810将第一开关10导通，用以将电容耦合转导放大器111耦接至带通滤波放大器112(步骤S5)，并利用第二重置信号SR2控制虚拟电阻重置模块820而将图4的带通滤波放大器400的第一正输入端INP1短路至共模电压VCM以及将第三正输入端INP3短路至直流偏压VDC，用以归零图8的带通滤波放大器112的输入信号，以检测带通滤波放大器112的输出偏移电流(步骤S6)。偏移检测电路830根据选择信号SS，检测第二电流I2而产生数字补偿信号SDC的第二补偿码并储存于暂存器870中(步骤S7)。数字控制器810更根据第二补偿码，控制第二电流数字模拟转换器850输出补偿电流至带通输出端NOBP(步骤S8)。

[0196] 随后，数字控制器810再将第二开关20导通，再将带通滤波放大器112耦接至可调整增益放大器113(步骤S9)；偏移检测电路830根据选择信号SS，检测检测电流ID而产生数字补偿信号SDC的第三补偿码并储存于暂存器870中(步骤S10)。数字控制器810更根据第三补偿码，控制第三电流数字模拟转换器860输出补偿电流至可调整增益输出端NOPG(步骤S11)。

[0197] 以上叙述许多实施例的特征，使本领域技术人员能够清楚理解本说明书的形态。本领域技术人员能够理解其可利用本发明揭示内容为基础以设计或更动其他工艺及结构而完成相同于上述实施例的目的及/或达到相同于上述实施例的优点。本领域技术人员亦能够理解不脱离本发明的精神和范围的等效构造可在不脱离本发明的精神和范围内作任意的更动、替代与润饰。