本公开提供一种基于电荷共享的多通道生物信号模拟前端，包括依次相连的前端放大模块，电荷共享模块，ADC模块，其中：前端放大模块包括多条信号采集通道，每条采集通道设置有放大电路结构，用于将输入的生物电信号进行放大得到模拟放大信号；电荷共享模块包括预采样开关电容阵列、ADC采样电容单元、时钟控制信号发生器；其中，所述预采样开关电容阵列中对应每条信号采集通道均设置有预采样电容，从而能够对多条信号采集通道中的模拟放大信号进行并行预采样，以在各预采样电容中积累电荷；所述ADC采样电容单元在时钟控制信号的作用下依次参与共享各预采样电容中积累的电荷以实现ADC采样，并依次对应输出电压信号；ADC模块用于将接收的所述电压信号转换为数字信号并输出。
【技术实现步骤摘要】
本公开涉及电路设计，尤其涉及一种基于电荷共享的多通道生物信号模拟前端及采集方法。
技术介绍
1、近年来，生物传感芯片被广泛应用于医疗器械与可穿戴设备中，以监测心电、脑电等生物电信号。相比单通道生物信号采集系统，多通道信号采集模拟前端可以获得更加丰富有效的生物电信息，但采集通道数量的增加导致系统功耗和芯片面积的增加，不利于集成于便携式可穿戴设备。目前，典型的多通道生物信号采集模拟前端往往采用多路复用技术，通过在多个通道之间共用一个模数转换器(adc)来节约芯片面积。然而，复用技术的使用要求adc的采样速度以通道的个数进行倍增，需要在电路中添加额外的驱动电路(缓冲器)来满足adc的驱动能力，消耗额外大量的功耗。
2、已有一些技术对上述问题进行了一定程度的改善。例如参考文献：“a 100-channel 1-mw implantable neural recording ic.”中提出了一种双采样保持电路，通过两个采样保持电路的交替工作，延长了每个通道的采样时间，降低了对缓冲器的带宽要求。但这种方案对采样时间取决于每个通道与adc连接的时间，提升效果有限，缓冲器的功耗在整个系统中的占比仍然较高。另一参考文献：“a 680na ecg acquisition ic forleadless pacemaker applications.”】提出了一种电流复用通道缓冲器，通过直接优化缓冲器的架构实现功耗的降低。这种技术对功耗的优化效果比较显著，但由于特殊结构限制，只适用于双通道的采集系统，不能满足通道需求量更大的实际应用场景。</p>
技术实现思路
1、(一)要解决的技术问题
2、基于上述问题，本公开提出了一种基于电荷共享的多通道生物信号模拟前端及采集方法，与传统的生物信号模拟前端采用的时分复用结构不同，本公开的生物信号模拟前端中各个采集通道的信号不会被多路选择器连接到adc采样电路后再进行采样，而是在信号通道内独立进行采样操作，再通过电荷共享操作将信号传输到adc的输入，因此无需额外的驱动电路，节约了系统功耗。此外，该技术中采样时间不会随通道数量增加而减少，因此可以适用于通道数量较多的应用场景。
3、(二)技术方案
4、本公开的一个方面，提供一种基于电荷共享的多通道生物信号模拟前端，包括依次相连的前端放大模块，电荷共享模块，adc模块，其中：前端放大模块包括多条信号采集通道，每条采集通道设置有放大电路结构，用于将输入的生物电信号进行放大得到模拟放大信号；电荷共享模块包括预采样开关电容阵列、adc采样电容单元、时钟控制信号发生器；其中，所述预采样开关电容阵列中对应每条信号采集通道均设置有预采样电容，从而能够对多条信号采集通道中的模拟放大信号进行并行预采样，以在各预采样电容中积累电荷；所述adc采样电容单元在时钟控制信号的作用下依次参与共享各预采样电容中积累的电荷以实现adc采样，并依次对应输出电压信号；adc模块用于将接收的所述电压信号转换为数字信号并输出。
5、根据本公开实施例，放大电路结构包括级联设置的斩波电容耦合仪表放大器与可变增益放大器。
6、根据本公开实施例，预采样开关电容阵列中对应每条信号采集通道还设置有：
7、前置开关，设置于所述预采样电容前端；
8、后置开关，设置于所述预采样电容后端；
9、通过控制所述前置开关、后置开关的导通和断开实现预采样电容的充放电状态。
10、根据本公开实施例，电荷共享模块中因各预采样电容和adc采样电容单元中的晶体管开关、以及金属走线还存在有寄生电容，参与共享各预采样电容中积累的电荷。
11、根据本公开实施例，电荷共享模块还包括复位开关，用于将adc采样电容单元和寄生电容中在上一个adc采样周期结束后残余的电荷释放为0。
12、根据本公开实施例，设n为信号采集通道的总数量，则单通道的采样时间ts为：
13、
14、fs，ch为单个通道的采样频率，根据公式(2)可以得出单个信号采集通道的采样时间随着信号采集通道设置数量的增加而增加。
15、根据本公开实施例，信号采集通道的总数量为n，2≤n≤100。
16、根据本公开实施例，adc采样频率设定为单个信号采集通道所需采样频率的n倍，n表示信号采集通道的总数量。
17、本公开的另一方面，提供一种基于电荷共享的多通道生物信号采集方法，包括：将信号采集通道输入的生物电信号进行放大得到模拟放大信号；对应每条信号采集通道均设置预采样电容，对多条信号采集通道中的模拟放大信号进行并行预采样以在各预采样电容中积累电荷；通过adc采样电容单元依次参与共享各预采样电容中积累的电荷，并依次对应输出电压信号；以及将接收的所述电压信号转换为数字信号并输出。
18、(三)有益效果
19、从上述技术方案可以看出，本公开基于电荷共享的多通道生物信号模拟前端及采集方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
20、(1)显著减少了adc的使用数量，降低了芯片面积；
21、(2)电荷共享技术缓解了前端电路的驱动能力需求，因此无需增加额外的驱动电路，进一步节约了缓冲器占据的芯片面积；
22、(3)将电荷分享技术与多路复用器相结合，通过实现电荷共享的额外采样电容与开关取代大功率缓冲器，无需消耗静态功耗，显著降低了系统功耗；
23、(4)所使用的系统级电荷共享技术在通道数量增加的情况下也不会缩减单个通道的采样时间，因此相比于现有的由缓冲器驱动的多通道模拟前端结构，可以适用更多的通道数量。
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【技术保护点】
1.一种基于电荷共享的多通道生物信号模拟前端，包括依次相连的前端放大模块，电荷共享模块，ADC模块，其中：
2.根据权利要求1所述的多通道生物信号模拟前端，所述放大电路结构包括级联设置的斩波电容耦合仪表放大器与可变增益放大器。
3.根据权利要求1所述的多通道生物信号模拟前端，所述预采样开关电容阵列中对应每条信号采集通道还设置有：
4.根据权利要求1所述的多通道生物信号模拟前端，所述电荷共享模块中因各预采样电容和ADC采样电容单元中的晶体管开关、以及金属走线还存在有寄生电容，参与共享各预采样电容中积累的电荷。
5.根据权利要求4所述的多通道生物信号模拟前端，所述电荷共享模块还包括复位开关，用于将ADC采样电容单元和寄生电容中在上一个ADC采样周期结束后残余的电荷释放为0。
6.根据权利要求1所述的多通道生物信号模拟前端，设N为信号采集通道的总数量，则单通道的采样时间ts为：
7.根据权利要求1所述的多通道生物信号模拟前端，信号采集通道的总数量为N，2≤N≤100。
8.根据权利要求1所述的多通道生物信号模拟前端，ADC采样频率设定为单个信号采集通道所需采样频率的N倍，N表示信号采集通道的总数量。
9.一种基于电荷共享的多通道生物信号采集方法，包括：
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【技术特征摘要】
1.一种基于电荷共享的多通道生物信号模拟前端，包括依次相连的前端放大模块，电荷共享模块，adc模块，其中：
2.根据权利要求1所述的多通道生物信号模拟前端，所述放大电路结构包括级联设置的斩波电容耦合仪表放大器与可变增益放大器。
3.根据权利要求1所述的多通道生物信号模拟前端，所述预采样开关电容阵列中对应每条信号采集通道还设置有：
4.根据权利要求1所述的多通道生物信号模拟前端，所述电荷共享模块中因各预采样电容和adc采样电容单元中的晶体管开关、以及金属走线还存在有寄生电容，参与共享各预采样电容中积累的电荷。
5.根据权利要求4...
【专利技术属性】
技术研发人员：程林，黄亦凡，王晶，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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