KR102160673B1 - Current-reuse low power instrumentation amplifier and fully differential differential amplifiers included therein - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 심전도 신호를 검출하고 증폭하는 전류 재사용 저전력 계측증폭기 및 이에 포함되는 완전 차동 차분 증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a current reuse low-power instrumentation amplifier for detecting and amplifying an electrocardiogram signal, and a fully differential differential amplifier included therein.
[국가지원 연구개발에 대한 설명][Explanation of nationally supported R&D]
본 연구는 보건복지부, 마이크로 의료 로봇 실용화 기술 개발 사업(마이크로 의료 로봇용 진단 모듈 개발, 과제 고유번호: 1465029326, 세부과제번호: HI19C0642040019)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.This study was made with the support of the Ministry of Health and Welfare, a technology development project for commercialization of micro medical robots (development of a diagnostic module for micro medical robots, task identification number: 1465029326, detailed task number: HI19C0642040019).
심전도는 정해진 시간에서 심장의 전기적인 활동에 대한 기록이다. 심전도는 심장박동의 비율과 일정함을 측정할 뿐만 아니라, 심장에서 어떠한 손상이 있는 지에 대한 여부와 심전도 조율기와 같은 장비에서 사용된다. 이러한 이유로 과거부터 현재까지도 심장 의학 분야에서 광범위하게 활용 및 연구되고 있다. 또한, 유비쿼터스 헬스 케어 등 모바일 환경에서도 심전도 신호를 검출하기 위하여 저전력을 가지고 고품질의 심전도 신호를 검출하는 심박 진단기 또는 심전도 신호를 검출하여 부정맥과 같은 심장 질환을 치료하기 위한 심박 조율기 등 심장 의학 분야뿐만 아니라 공학 분야에서도 활발히 연구되고 있다. An electrocardiogram is a record of the heart's electrical activity at a set time. The electrocardiogram is used not only to measure the rate and consistency of the heartbeat, but also to determine if there is any damage to the heart and to equipment such as an electrocardiogram. For this reason, it has been widely used and studied in the field of cardiology from the past to the present. In addition, not only in the field of cardiology, such as a cardiac pacemaker that detects ECG signals with low power and high-quality ECG signals to detect ECG signals in mobile environments such as ubiquitous healthcare, or a pacemaker for treating heart diseases such as arrhythmia by detecting ECG signals. It is also being actively researched in the field of engineering.
심전도 신호를 검출하기 위해서는 일반적으로 계측 증폭기 (IA, Instrumentation Amplifier)가 사용된다.In order to detect an ECG signal, an instrumentation amplifier (IA) is generally used.
도 1은 종래의 심전도 신호를 검출하기 위한 전류 재사용 구조의 트랜스-컨덕턴스 증폭기(OTA, Operational Trans-conductance Amplifier)이다. 종래 기술은 전류 재사용 구조를 적용하여 저 잡음을 위한 인버터 기반의 차동 입력 단과 넓은 출력 범위 및 높은 Gm/I 효율을 위한 클래스 AB 출력단을 적용하였다. 클래스 AB 출력단의 바이어싱은 전류 재사용을 실현하고 전력 소비를 더 줄이기 위하여 입력단과 합쳐진다. 종래 기술은 낮은 전력 소비와 등가 입력 잡음을 달성하지만, 이러한 연산 증폭기 기반으로 회로를 구성할 경우(도 2 참조), 낮은 입력 임피던스를 가지게 된다. 또한 높은 공통모드 제거율(CMRR, Common Mode Rejection Ratio)를 달성을 하지 못하기 때문에 고품질의 심전도 신호를 검출하기 어려워진다. 따라서 고품질의 심전도 신호를 검출하기 위해서는 높은 입력 임피던스 및 높은 공통 모드 제거율을 가지는 계측 증폭기의 구조가 필요하다.1 is a conventional trans-conductance amplifier (OTA, Operational Trans-conductance Amplifier) having a current reuse structure for detecting an electrocardiogram signal. In the prior art, an inverter-based differential input stage for low noise and a class AB output stage for a wide output range and high Gm/I efficiency were applied by applying a current reuse structure. The biasing of the class AB output stage is combined with the input stage to realize current reuse and further reduce power consumption. The prior art achieves low power consumption and equivalent input noise, but when a circuit is configured based on such an operational amplifier (see FIG. 2), it has a low input impedance. In addition, it is difficult to detect high-quality ECG signals because it cannot achieve a high common mode rejection ratio (CMRR). Therefore, in order to detect a high quality ECG signal, a structure of an instrumentation amplifier having a high input impedance and a high common mode rejection rate is required.
본 발명은 전류 재사용 계측 증폭기 및 이에 포함되는 완전 차동 차분 증폭기에 관한 것이다. 전류 재사용 계측 증폭기는 전류 피드백 계측 증폭기(CFIA, Current Feedback Instrumentation Amplifier) 구조를 사용하여 높은 입력 임피던스를 가지며, 완전 차동-차분 증폭기(FDDA, Fully Differential Difference Amplifier)를 채택하여 높은 전원 제거비 (PSRR, Power Supply Rejection Ratio) 및 공통 모드 제거비 (CMRR, Common Mode Rejection Ratio)을 확보할 수 있다. The present invention relates to a current reuse instrumentation amplifier and a fully differential differential amplifier included therein. The current reuse instrumentation amplifier has a high input impedance by using a current feedback instrumentation amplifier (CFIA) structure, and a high power rejection ratio (PSRR, Power) by adopting a Fully Differential Difference Amplifier (FDDA). Supply Rejection Ratio) and Common Mode Rejection Ratio (CMRR) can be secured.
본 발명의 일 실시예에 따른 저전력 계측 증폭기는 심전도 신호를 검출하기 위한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극부; 상기 제1 전극 및 제2 전극과 비-반전입력단자(+단자)가 연결되는 완전 차동 차분 증폭기; 상기 완전 차동 차분 증폭기의 출력을 입력받아 피드백 구조를 거쳐 상기 완전 차동 차분 증폭기의 반전입력단자(-단자)로 피드백하는 AC 커플링 피드백 회로로, 상기 AC 커플링 피드백 회로는 가변 커패시터 및 유사 저항(Pseudo resistor)을 포함하는, AC 커플링 피드백 회로; 및 상기 AC 커플링 피드백 회로에 포함된 유사 저항의 크기를 조절하는 저항 조절기를 포함한다. The low-power measuring amplifier according to an embodiment of the present invention includes an electrode unit including a first electrode and a second electrode for detecting an electrocardiogram signal; A fully differential differential amplifier to which the first and second electrodes and a non-inverting input terminal (+ terminal) are connected; An AC coupling feedback circuit that receives the output of the fully differential amplifier and feeds it back to the inverting input terminal (-terminal) of the fully differential amplifier through a feedback structure, wherein the AC coupling feedback circuit includes a variable capacitor and a pseudo resistor ( An AC coupling feedback circuit, including a pseudo resistor); And a resistance regulator that adjusts the magnitude of the pseudo resistance included in the AC coupling feedback circuit.
본 발명의 다른 실시예에 따른 완전 차동 차분 증폭기는 차동 전압 입력을 입력받는 제1 전류 재사용 입력부; 피드백 차동 전압 입력을 입력받는 제2 전류 재사용 입력부; 상기 제1 전류 재사용 입력부에 입력된 차동 입력 전압 및 상기 제2 전류 재사용 입력부에 입력된 피드백 차동 입력 전압 중 적어도 하나에 의해 양단의 전압이 변화하는 클래스 AB 바이어싱; 상기 클래스 AB 바이어싱의 양단의 전압에 따른 차동 출력 전압을 출력하는 클래스 AB 출력부; 및 상기 차동 출력 전압의 공통 모드 전압을 검출하고, 상기 검출된 공통 모드 전압과 기준 전압을 비교하여 상기 차동 출력 전압의 크기를 제어하는 공통 모드 피드백부를 포함하고, 상기 피드백 차동 입력 전압은 상기 클래스 AB 출력부에서 출력된 차동 출력 전압이 피드백 회로를 통해 부궤환되어 제공된다. A fully differential differential amplifier according to another embodiment of the present invention comprises: a first current reuse input unit receiving a differential voltage input; A second current reuse input unit receiving a feedback differential voltage input; Class AB biasing in which a voltage at both ends is changed by at least one of a differential input voltage input to the first current reuse input unit and a feedback differential input voltage input to the second current reuse input unit; A class AB output unit for outputting a differential output voltage according to the voltage across the class AB biasing; And a common mode feedback unit detecting a common mode voltage of the differential output voltage and comparing the detected common mode voltage with a reference voltage to control a magnitude of the differential output voltage, wherein the feedback differential input voltage is the class AB The differential output voltage output from the output unit is provided by being negatively fed back through a feedback circuit.
본 발명에서 제안하는 전류를 재사용하는 저전력 계측 증폭기는 전류 피드백 계측 증폭기 구조를 사용하였고 고성능의 전류 재사용 구조를 사용하는 완전 차동-차분 증폭기를 사용함으로써 매우 낮은 전류와 높은 DC gain, 전 범위의 출력 범위, heavy load 구동, 전극의 mismatch에 의한 offset을 제거하기 위한 높은 입력 임피던스와 높은 CMRR, PSRR을 가지면서, 불필요한 낮은 주파수를 필요에 따라 제거할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.The low-power instrumentation amplifier that reuses current proposed in the present invention uses a current feedback instrumentation amplifier structure, and uses a fully differential-differential amplifier that uses a high-performance current reuse structure to provide very low current, high DC gain, and a full range of output. It has high input impedance and high CMRR and PSRR to remove offset due to heavy load driving, mismatch of electrodes, and can provide the advantage of removing unnecessary low frequencies as needed.
특히, 완전 차동 차분 증폭기는 전류 재사용 구조를 포함하며, 입력단이 인버터 기반으로 클래스 AB 바이어싱과 합쳐져 입력단 내의 두 단의 전류를 서로 공유함으로써 증폭기의 전력 소모를 줄일 수 있는 효과를 지니는 동시에 두 입력 NMOS, PMOS의 트랜스-컨덕턴스가 합쳐져 높은 트랜스-컨덕턴스를 제공할 수 있다. 또한, 완전 차동 차분 증폭기의 입력단에는 캐스코드 구조를 이용하여 높은 개루프 게인을 얻을 수 있으며 출력단에는 클래스 AB 구조를 적용하여 넓은 출력 범위, 높은 Gm/I 효율을 가질 수 있다. 또한, 완전 차동 차분 증폭기는 높은 CMRR을 위해 공통 모드 검출 회로를 적용하여 계측 증폭기의 공통 모드 신호를 검출하고 오류 증폭기를 통해 기준 전압과 비교 후 출력 신호를 내부 전류원에 피드백 하는 공통모드 피드백 루프(CMFB, Common mode Feedback Loop)를 포함할 수 있다.Particularly, the fully differential differential amplifier includes a current reuse structure, and the input stage is combined with class AB biasing based on an inverter to share the currents of the two stages in the input stage, thereby reducing the power consumption of the amplifier while simultaneously having the effect of reducing the power consumption of the amplifier. , PMOS's trans-conductance can be combined to provide high trans-conductance. In addition, high open-loop gain can be obtained by using a cascode structure at the input stage of a fully differential amplifier, and a wide output range and high Gm/I efficiency can be obtained by applying a class AB structure at the output stage. In addition, the fully differential differential amplifier detects the common mode signal of the instrumentation amplifier by applying a common mode detection circuit for high CMRR, compares it with a reference voltage through an error amplifier, and feeds the output signal back to the internal current source. , Common mode Feedback Loop).
도 1은 종래 기술에 따른 심전도 신호를 검출하기 위한 전류 재사용 구조의 트랜스-컨덕턴스 증폭기(OTA, Operational Trans-conductance Amplifier)이다.
도 2는 종래 기술에 따라 연산 증폭기 기반으로 회로를 구성한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전류 재사용 계측 증폭기의 예시적인 회로 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전류 재사용 계측 증폭기의 출력 신호를 시뮬레이션한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 완전 차동 차분 증폭기의 예시적인 회로 구조를 도시한다.1 is an operational trans-conductance amplifier (OTA) having a current reuse structure for detecting an electrocardiogram signal according to the prior art.
2 is an exemplary diagram illustrating a circuit based on an operational amplifier according to the prior art.
3 shows an exemplary circuit structure of a current reuse instrumentation amplifier according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph simulating an output signal of a current reuse measuring amplifier according to an embodiment of the present invention.
5 shows an exemplary circuit structure of a fully differential differential amplifier according to an embodiment of the present invention.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당 업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로 기술된 것이 아니며, 본 발명의 범위는 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The detailed description of the present invention to be described later refers to the accompanying drawings, which illustrate specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in detail enough to enable a person skilled in the art to practice the present invention. The various embodiments of the present invention are different from each other, but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention in relation to one embodiment. Further, the position or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description to be described below is not described in a limiting sense, and the scope of the present invention is limited only by the appended claims along with all scopes equivalent to those claimed by the claims. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions in various aspects.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.The terms used in the present specification have selected general terms that are currently widely used as possible while considering functions, but this may vary according to the intention or custom of a technician working in the field or the emergence of new technologies. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in the description of the corresponding specification. Accordingly, terms used in the present specification should be interpreted based on the actual meaning of the term and the entire contents of the present specification, not a simple name of the term.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전류 재사용 계측 증폭기의 예시적인 회로 구조를 도시한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전류 재사용 계측 증폭기의 출력 신호를 시뮬레이션한 그래프이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 완전 차동 차분 증폭기의 예시적인 회로 구조를 도시한다.3 shows an exemplary circuit structure of a current reuse instrumentation amplifier according to an embodiment of the present invention. 4 is a graph simulating an output signal of a current reuse measuring amplifier according to an embodiment of the present invention. 5 shows an exemplary circuit structure of a fully differential differential amplifier according to an embodiment of the present invention.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전류 재사용 계측 증폭기(10)는 전극부(100), 완전 차동 차분 증폭기(110), AC 커플링 피드백 회로(120) 및 저항 조절기(130)를 포함한다. 3 to 5, the current
실시예들에 따른 전류 재사용 계측 증폭기(10) 및 이를 구성하는 장치 또는 부(unit)는, 전적으로 하드웨어이거나, 또는 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. The current reuse measurement amplifier 10 according to the embodiments and an apparatus or unit constituting the same may have a side that is entirely hardware, or partially hardware and partially software.
전극부(100)는 심전도 신호를 검출하기 위한 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)을 포함한다. 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)은 심장의 전기적 활동을 분석하여 파장 형태로 기록한 심전도를 검출하기 위한 것으로 신체 외부에 부착되어 심장도 신호를 검출하도록 구성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)은 신체 내부, 심장에 배치된 심장 작동 보조 장치에 포함되도록 구성되어, 심전도 신호를 완전 차동 차분 증폭기(110)에 제공할 수 있다. The
전류 재사용 계측 증폭기(10)의 다른 구성, 완전 차동 차분 증폭기(110), AC 커플링 피드백 회로(120) 및 저항 조절기(130)은 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)을 통해 제공되는 심전도 신호의 품질을 향상, 개선하기 위한 구성일 수 있다. Another configuration of the current
완전 차동 차분 증폭기(110)는 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)과 비-반전입력단자(+단자)가 연결되며, 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)으로부터 차동 전압 입력을 제공받는다. 또한, 완전 차동 차분 증폭기(110)에서 출력되는 출력은 AC 커플링 피드백 회로(120)를 통해 상기 완전 차동 차분 증폭기(110)의 반전입력단자(-단자)로 피드백되게 된다. AC 커플링 피드백 회로(120)는 AC 결합된 용량 피드백 구조를 제공하며, 완전 차동 차분 증폭기(110)의 출력을 입력으로 받아 피드백 구조를 거쳐 완전 차동 차분 증폭기(110)의 반전입력단자(-단자)로 피드백할 수 있다. 완전 차동 차분 증폭기(110)의 입력과 출력이 완전 차동-차분의 구성을 포함하고 있기 때문에 불필요한 공통 모드 성분이 제거될 수 있으며, 이에 따라 높은 전원 제거비(PSRR, Power Supply Rejection Ratio) 및 높은 공통모드 제거율(CMRR, Common Mode Rejection Ratio)을 제공할 수 있게 된다.The fully differential
AC 커플링 피드백 회로(120)는 가변 커패시터(121) 및 유사 저항(122)을 포함할 수 있다. 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)을 통해 제공되는 심전도 신호의 입력은 AC 커플링 피드백 회로(120)에 포함된 가변 커패시터(121)에 의해 신호의 크기가 증폭되어 최종적으로 출력될 수 있다. 가변 커패시터(121)는 5bit로 조절 가능하도록 구성되는 제1 커패시터(C-1) 및 제2 커패시터(C2)를 포함할 수 있으며, 심전도 신호의 입력(Vin)은 가변 커패시터(121)에 의한 폐루프 게인에 따라 증폭되어 하기와 같은 수식으로 출력(Vout)이 결정될 수 있다. 하기 수학식 1에 따른 식은 차동 성분만 고려한 식이다.The AC
[수학식 1][Equation 1]
또한, AC 커플링 피드백 회로(120)의 유사 저항(122)을 통해 일정 범위의 고역 주파수를 차단하게 된다. 유사 저항(122)은 저항 조절기(130)의 출력(Vcont)에 의해 저항의 크기가 조절된다. 이러한 유사 저항(122)의 크기 조절에 따라, AC 커플링 피드백 회로(120)의 고역 차단 주파수를 조절할 수 있다. 심전도 신호는 보통 0.5 Hz 에서 100 Hz 사이로 알려져 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전류 재사용 계측 증폭기(10)는 AC 커플링 피드백 회로(120)의 유사 저항(122) 및 저항 조절기(130)를 통해 0.5 Hz의 매우 낮은 고역 차단 주파수까지 조절 가능하여 원하지 않는 저주파 오프셋 신호들을 제거할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전류 재사용 계측 증폭기(10)는 상술한 바와 같이 게인 조정 및 AC 결합 용량 피드백의 고역 차단 주파수를 상황에 따라 손쉽게 외부에서 조정할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 도 4는 커패시터 조절에 따른 출력 신호의 게인(Gain)이 변화 및 특정 대역의 주파수가 차단되는 결과를 시뮬레이션한 그래프이다. 도 4를 참조하면, 5bit 커패시터에 의해 조절되는 게인이 변화되는 것과 저주파 제한에 의해 저주파 오프셋 신호들이 제거되는 상태를 확인할 수 있다.In addition, a high frequency range of a certain range is cut off through the
특히, 완전 차동 차분 증폭기(110)는 전류 재사용 구조를 포함하며, 입력단이 인버터 기반으로 클래스 AB 바이어싱과 합쳐져 입력단 내의 두 단의 전류를 서로 공유함으로써 증폭기의 전력 소모를 줄일 수 있는 효과를 지니는 동시에 두 입력 NMOS, PMOS의 트랜스-컨덕턴스가 합쳐져 높은 트랜스-컨덕턴스를 제공할 수 있다. 또한, 완전 차동 차분 증폭기(110)의 입력단에는 캐스코드 구조를 이용하여 높은 개루프 게인을 얻을 수 있으며 출력단에는 클래스 AB 구조를 적용하여 넓은 출력 범위, 높은 Gm/I 효율을 가질 수 있다. 또한, 완전 차동 차분 증폭기(110)는 높은 CMRR을 위해 공통 모드 검출 회로를 적용하여 계측 증폭기의 공통 모드 신호를 검출하고 오류 증폭기를 통해 기준 전압과 비교 후 출력 신호를 내부 전류원에 피드백 하는 공통모드 피드백 루프(CMFB, Common mode Feedback Loop)를 포함할 수 있다. In particular, the fully differential
이하, 완전 차동 차분 증폭기(110)의 세부적인 구조에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a detailed structure of the fully differential
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 완전 차동 차분 증폭기의 예시적인 구조를 도시한 것이다. 완전 차동 차분 증폭기(110)는 제1 전류 재사용 입력부(111), 제2 전류 재사용 입력부(112), 클래스 AB 바이어싱(113), 클래스 AB 출력부(114) 및 공통 모드 피드백 회로부(115)를 포함한다. 5 shows an exemplary structure of a fully differential differential amplifier according to an embodiment of the present invention. The fully differential
제1 전류 재사용 입력부(111)는 차동 전압 입력(VINP, VINN)이 입력된다. 차동 전압 입력(VINP, VINN)은 심전도를 측정하기 위한 구성에서 제공될 수 있으며, 예를 들어, 도 3의 전극부(100)의 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)으로부터 각각 입력될 수 있다. 제2 전류 재사용 입력부(111)는 피드백 차동 전압 입력(VINFP, VINFN)이 입력된다. 피드백 차동 전압 입력(VINFP, VINFN)은 완전 차동 차분 증폭기(110)의 차동 출력 전압이 피드백 회로를 통해 부궤환되어 입력되는 것으로, 상기 피드백 회로는 차동 전압 입력의 증폭 및 불필요한 주파수를 제한하기 위한 회로일 수 있다. 예를 들어, AC 커플링 피드백 회로(120)일 수 있다. 제1 전류 재사용 입력부(111)는 완전 차동 차분 증폭기(110)의 비-반전입력단자(+단자)에 대응되고, 제2 전류 재사용 입력부(112)는 완전 차동 차분 증폭기(110)의 반전입력단자(-단자)에 대응될 수 있다. The first current
제1 전류 재사용 입력부(111) 및 제2 전류 재사용 입력부(112)는 입력단에 캐스코드 구조가 적용되며, NMOS와 PMOS의 트랜스-컨덕턴스를 동시에 활용하기에, 높은 DC gain을 제공할 수 있다. 또한, 피드백 차동 전압 입력(VINFP, VINFN)과 피드백 차동 전압 입력(VINFP, VINFN)은 게이트로 곧바로 입력되기 때문에 높은 입력 임피던스를 제공할 수 있다. 높은 임피던스에 의해 심전도 측정 시 전극의 미스매치에 의하여 발생하는 오프셋이 제거될 수 있다. The first current
제1 전류 재사용 입력부(111) 및 제2 전류 재사용 입력부(112)의 전류 공급원은 각각 VCMFB, BIAS_N으로 바이어싱된 모스펫이며, 제1 전류 재사용 입력부(111) 및 제2 전류 재사용 입력부(112)는 전류 공급원에서 출력되는 DC(direct current) 전류를 서로 공유, 재사용하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 제1 전류 재사용 입력부(111)에 입력된 차동 전압 입력(VINP, VINN)은 트랜스-컨덕턴스로 인해 전류로 변환되고, 캐스코드 구조를 통과한 전류에 의해 클래스 AB 바이어싱(113)의 양단 전압이 변하게 된다. Current supply sources of the first current
클래스 AB 바이어싱(113)의 양단의 전압은 클래스 AB 출력부(114)의 입력으로 제공되며, 클래스 AB 출력부(114)는 클래스 AB 바이어싱(113)의 양단 전압에 따라 차동 출력 전압(VOUTP, VOUTN)을 출력하게 된다. 클래스 AB 출력부(114)는 VOUTP를 출력하는 클래스 AB + 출력단(114A) 및 VOUTN를 출력하는 클래스 AB - 출력단(114B)을 포함할 수 있다. 이러한, 클래스 AB 바이어싱(113) 및 클래스 AB 출력부(114)를 포함하는 클래스 AB 구조의 사용을 통해, 일정한 바이어싱 전압을 가져 출력에서 크로스오버 왜곡(crossover distortion)가 제거될 수 있고, 전력 효율이 우수하며 출력 단에서 헤비 로드(heavy load)도 구동될 수 있다. The voltage across the class AB biasing 113 is provided as an input to the
클래스 AB 출력부(114)에서 출력된 차동 출력 전압(VOUTP, VOUTN)은 상술한 바와 같은 피드백 회로, 예를 들어, AC 커플링 피드백 회로(120)를 통해 부궤환되어 제2 전류 재사용 입력부(112)의 피드백 차동 입력 전압(VINFP, VINFN)으로 제공된다. 피드백 차동 입력 전압(VINFP, VINFN)은 제2 전류 재사용 입력부(112)의 모스펫의 트랜스-컨덕턴스로 인해 전류로 변환되고, 캐스코드 구조를 통과한 전류는 제1 전류 재사용 입력부(111)의 입력(VINFP, VINFN)에 의해 생성된 전류와 합쳐져, 공유되어 클래스 AB 바이어싱(113) 양단의 전압을 변화시키게 된다. 변화된 클래스 AB 바이어싱(113)의 양단의 전압은 클래스 AB 출력부(114)에 입력되어 클래스 AB 출력부(114)는 변화된 클래스 AB 바이어싱(113)의 양단의 전압에 대응하는 차동 출력 전압(VOUTP, VOUTN)을 출력하게 된다. 이러한 피드백 동작은 완전 차동 차분 증폭기(110)가 동작하는 한 계속 반복되어 수행된다. The differential output voltage (V OUTP , V OUTN ) output from the class
완전 차동 차분 증폭기(110)가 넓은 출력 범위를 가지면서 CMRR의 개선하기 위해서는, 출력 전압(VOUTP, VOUTN)이 VDD(voltage drain drain)의 절반에 해당하는 값, 기준 전압(VREF)으로 설정(예를 들어, VDD = 1.8 V, VREF = 0.9 V)되어야 한다. 공통 모드 피드백 회로부(115)는 공통 모드 피드백(Common-mode feedback, CMFB) 회로를 포함하여 상기 차동 출력 전압의 공통 모드 전압을 검출하고, 상기 검출된 공통 모드 전압과 기준 전압을 비교하여 상기 차동 출력 전압의 크기를 제어할 수 있다. In order to improve the CMRR while the fully differential
구체적으로, 공통 모드 피드백 회로부(115)는 공통 모드 전압 신호 검출부(115A) 및 오류 증폭기(115B)를 포함한다. 공통 모드 전압 신호 검출부(115A)는 클래스 AB 출력부(114)로부터 차동 출력 전압(VOUTP, VOUTN)을 입력받으며, 차동 출력 전압(VOUTP, VOUTN)의 공통 모드 전압을 검출할 수 있다. 공통 모드 전압 신호 검출부(115A)에서 검출된 공통 모드 전압은 오류 증폭기(115B)의 입력으로 제공된다. 오류 증폭기(115B)는 검출된 공통 모드 전압과 기준 전압(VREF)을 비교하여 생성된 출력 전압을 제1, 2 전류 재사용 입력부(111, 112)의 전류 공급원의 바이어스(VCMFB)로 피드백한다. 이러한, 공통 모드 피드백 회로부(115)의 동작에 따라 차동 출력 전압(VOUTP, VOUTN)의 공통 모드 전압이 기준 전압(VREF)에 맞춰지게 된다. 예를 들어, 차동 출력 전압(VOUTP, VOUTN)의 공통 모드 전압이 증가하면 공통 모드 피드백 회로부(115)에 차동 출력 전압(VOUTP, VOUTN)의 공통모드 전압이 감소한다. 차동 출력 전압(VOUTP, VOUTN)의 공통 모드 전압이 감소하면 공통 모드 피드백 회로부(115)에 의해 차동 출력 전압(VOUTP, VOUTN)의 공통 모드 전압이 증가한다. 이에 따라, CMRR이 더욱 개선될 수 있다.Specifically, the common mode
본 발명에서 제안하는 전류를 재사용하는 저전력 계측 증폭기(10)는 전류 피드백 계측 증폭기 구조를 사용하였고 고성능의 전류 재사용 구조를 사용하는 완전 차동-차분 증폭기를 사용함으로써 매우 낮은 전류와 높은 DC gain, 전 범위의 출력 범위, heavy load 구동, 전극의 mismatch에 의한 offset을 제거하기 위한 높은 입력 임피던스와 높은 CMRR, PSRR을 가지면서, 불필요한 낮은 주파수를 필요에 따라 제거할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.The low-
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention described above has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are only exemplary and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and variations of the embodiments are possible therefrom. . However, such modifications should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
10: 전류 재사용 계측 증폭기
100: 전극부
110: 완전 차동 차분 증폭기
120: AC 커플링 피드백 회로
130: 저항 조절기10: current reuse instrumentation amplifier
100: electrode part
110: fully differential differential amplifier
120: AC coupling feedback circuit
130: resistance regulator
Claims (6)
상기 제1 전극 및 제2 전극과 비-반전입력단자(+단자)가 연결되는 완전 차동 차분 증폭기;
상기 완전 차동 차분 증폭기의 출력을 입력받아 피드백 구조를 거쳐 상기 완전 차동 차분 증폭기의 반전입력단자(-단자)로 피드백하는 AC 커플링 피드백 회로로, 상기 AC 커플링 피드백 회로는 가변 커패시터 및 유사 저항(Pseudo resistor)을 포함하는, AC 커플링 피드백 회로; 및
상기 AC 커플링 피드백 회로에 포함된 유사 저항의 크기를 조절하는 저항 조절기를 포함하고,
상기 완전 차동 차분 증폭기는,
상기 전극부로부터 차동 전압 입력을 입력받는 제1 전류 재사용 입력부;
피드백 차동 전압 입력을 입력받는 제2 전류 재사용 입력부;
상기 제1 전류 재사용 입력부에 입력된 차동 입력 전압 및 상기 제2 전류 재사용 입력부에 입력된 피드백 차동 입력 전압 중 적어도 하나에 의해 양단의 전압이 변화하는 클래스 AB 바이어싱;
상기 클래스 AB 바이어싱의 양단의 전압에 따른 차동 출력 전압을 출력하는 클래스 AB 출력부; 및
상기 차동 출력 전압의 공통 모드 전압을 검출하고, 상기 검출된 공통 모드 전압과 기준 전압을 비교하여 상기 차동 출력 전압의 크기를 제어하는 공통 모드 피드백부를 포함하고,
상기 피드백 차동 입력 전압은 상기 클래스 AB 출력부에서 출력된 차동 출력 전압이 상기 AC 커플링 피드백 회로를 통해 부궤환되어 제공되며,
상기 공통 모드 피드백 회로부는,
상기 클래스 AB 출력부로부터 상기 차동 출력 전압을 입력 받으며, 상기 차동 출력 전압의 공통 모드 전압을 검출하는 공통 모드 전압 신호 검출부; 및
상기 검출된 공통 모드 전압과 기준 전압을 비교하여 생성된 출력 전압을 상기 제1 전류 재사용 입력부 및 제2 전류 재사용 입력부의 전류 공급원의 바이어스로 피드백하는 오류 증폭기를 포함하는 저전력 계측 증폭기.An electrode unit including a first electrode and a second electrode for detecting an electrocardiogram signal;
A fully differential differential amplifier to which the first and second electrodes and a non-inverting input terminal (+ terminal) are connected;
An AC coupling feedback circuit that receives the output of the fully differential amplifier and feeds it back to the inverting input terminal (-terminal) of the fully differential amplifier through a feedback structure, wherein the AC coupling feedback circuit includes a variable capacitor and a pseudo resistor ( An AC coupling feedback circuit, including a pseudo resistor); And
Including a resistance regulator for adjusting the size of the similar resistance included in the AC coupling feedback circuit,
The fully differential differential amplifier,
A first current reuse input unit receiving a differential voltage input from the electrode unit;
A second current reuse input unit receiving a feedback differential voltage input;
Class AB biasing in which a voltage at both ends is changed by at least one of a differential input voltage input to the first current reuse input unit and a feedback differential input voltage input to the second current reuse input unit;
A class AB output unit for outputting a differential output voltage according to the voltage across the class AB biasing; And
A common mode feedback unit configured to detect a common mode voltage of the differential output voltage, and to compare the detected common mode voltage with a reference voltage to control a magnitude of the differential output voltage,
The feedback differential input voltage is provided by negative feedback of the differential output voltage output from the class AB output unit through the AC coupling feedback circuit,
The common mode feedback circuit unit,
A common mode voltage signal detection unit receiving the differential output voltage from the class AB output unit and detecting a common mode voltage of the differential output voltage; And
And an error amplifier for feeding back an output voltage generated by comparing the detected common mode voltage and a reference voltage to a bias of a current supply source of the first current reuse input unit and the second current reuse input unit.
상기 심전도 신호의 입력은 상기 가변 커패시터의 폐루프 게인에 따라 증폭되는 것을 특징으로 하는 저전력 계측 증폭기.The method of claim 1,
The input of the ECG signal is amplified according to the closed loop gain of the variable capacitor.
상기 유사 저항은 상기 저항 조절기의 출력(Vcont)에 의해 저항의 크기가 조절되며,
상기 유사 저항의 크기 조절에 따라 상기 AC 커플링 피드백 회로의 고역 차단 주파수가 조절되는 것을 특징으로 하는 저전력 계측 증폭기.The method of claim 1,
The magnitude of the resistance is controlled by the output (V cont ) of the resistance regulator,
A low-power measuring amplifier, characterized in that the high-frequency cut-off frequency of the AC coupling feedback circuit is adjusted according to the size adjustment of the pseudo resistance.
피드백 차동 전압 입력을 입력받는 제2 전류 재사용 입력부;
상기 제1 전류 재사용 입력부에 입력된 차동 입력 전압 및 상기 제2 전류 재사용 입력부에 입력된 피드백 차동 입력 전압 중 적어도 하나에 의해 양단의 전압이 변화하는 클래스 AB 바이어싱;
상기 클래스 AB 바이어싱의 양단의 전압에 따른 차동 출력 전압을 출력하는 클래스 AB 출력부; 및
상기 차동 출력 전압의 공통 모드 전압을 검출하고, 상기 검출된 공통 모드 전압과 기준 전압을 비교하여 상기 차동 출력 전압의 크기를 제어하는 공통 모드 피드백부를 포함하고,
상기 피드백 차동 입력 전압은 상기 클래스 AB 출력부에서 출력된 차동 출력 전압이 피드백 회로를 통해 부궤환되어 제공되며,
상기 공통 모드 피드백 회로부는,
상기 클래스 AB 출력부로부터 상기 차동 출력 전압을 입력 받으며, 상기 차동 출력 전압의 공통 모드 전압을 검출하는 공통 모드 전압 신호 검출부; 및
상기 검출된 공통 모드 전압과 기준 전압을 비교하여 생성된 출력 전압을 상기 제1 전류 재사용 입력부 및 제2 전류 재사용 입력부의 전류 공급원의 바이어스로 피드백하는 오류 증폭기를 포함하는 완전 차동 차분 증폭기.A first current reuse input unit receiving a differential voltage input;
A second current reuse input unit receiving a feedback differential voltage input;
Class AB biasing in which a voltage at both ends is changed by at least one of a differential input voltage input to the first current reuse input unit and a feedback differential input voltage input to the second current reuse input unit;
A class AB output unit for outputting a differential output voltage according to the voltage across the class AB biasing; And
A common mode feedback unit configured to detect a common mode voltage of the differential output voltage, and to compare the detected common mode voltage with a reference voltage to control a magnitude of the differential output voltage,
The feedback differential input voltage is provided by negative feedback of the differential output voltage output from the class AB output unit through a feedback circuit,
The common mode feedback circuit unit,
A common mode voltage signal detection unit receiving the differential output voltage from the class AB output unit and detecting a common mode voltage of the differential output voltage; And
And an error amplifier for feeding back an output voltage generated by comparing the detected common mode voltage with a reference voltage to a bias of a current supply source of the first current reuse input unit and the second current reuse input unit.
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