CN102638746A - 一种用于医用设备的低功耗模拟前端电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于医用设备的低功耗模拟前端电路，该模拟前端电路包括低功耗、高精度的自动增益控制环路(10)和2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器(20)，其中：所述自动增益控制环路(10)用于将麦克风信号调整至合理的信号幅度范围内；所述2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器(20)用于将模拟信号转换为数字码，并输出至DSP进行处理。本发明通过采用三电平比较、数模混合自动增益控制环路以及2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器单芯片全集成的方式，实现了一种用于医用设备的低功耗模拟前端电路。该模拟前端电路具有精度高，可配置性强，整体电路功耗低的优点，适用于医用设备系统中。

Description

一种用于医用设备的低功耗模拟前端电路
技术领域
本发明涉及CMOS模拟集成电路设计技术领域，具体涉及一种用于医用设备的低功耗模拟前端电路。
背景技术
在现代社会中，越来越多的人们正遭受着听力障碍的困扰，根据权威报道，目前全世界有高达3000千万的人群正面临着听力障碍，而总人数还在高速的持续增长中。因此人们迫切需要一种低成本、高性能的助听器系统来缓解甚至解决听力障碍所带来的种种问题。模拟前端作为助听器系统输入端最重要的模块，其新架构和设计方法也得到了越来越多的关注。目前在医用助听设备模拟前端中广泛采用的自动增益控制环路，多采用全定制的模拟电路实现反馈。通常模拟反馈电路包含了峰值滤波器，模拟积分器，模拟比较器和模拟滤波器等电路模块。这种实现方式的好处在于其模块的独立性比较强，模块之间相关性比较弱，有利于电路的移植。但是由于模拟电路本身的制约，这种反馈回路实现起来比较复杂，同时其引入的噪声比较大，控制精度差，且功耗较高。而采用单bit量化的sigma_delta模数转换器为了实现高精度，通常采用高阶积分器实现，同样牺牲了功耗。
因此，本发明在此背景下提出了一种全新架构的高性能、低功耗助听器模拟前端电路，以满足高精度、可配置、低功耗数字助听器的系统需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于医用设备的低功耗模拟前端电路，以解决现有医用设备模拟前端电路噪声、精度以及功耗方面存在不足的问题，使电路达到低噪声、高精度、低功耗的目的。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于医用设备的低功耗模拟前端电路，该模拟前端电路包括低功耗、高精度的自动增益控制环路10和2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器20，其中：
所述自动增益控制环路10用于将麦克风信号调整至合理的信号幅度范围内；
所述2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器20用于将模拟信号转换为数字码，并输出至DSP进行处理。
上述方案中，所述自动增益控制环路10包括可变增益放大器100，固定增益放大器101，第一和第二缓冲器(110，111)，第一、第二和第三比较器(120，121，122)，以及峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块130，其中：
可变增益放大器100，用于在峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块130的调控下，将麦克风输出的信号放大或减小至固定的信号幅度范围内；
固定增益放大器101，用于将麦克风输出噪声信号放大固定增益，满足静音模式下后级比较器的比较精度范围；
第一和第二缓冲器(110，111)，用于对可变增益放大器100或固定增益放大器101输出信号进行隔离保护，减小比较器回馈噪声对信号的影响；
第一、第二和第三比较器(120，121，122)，用于将放大后的麦克风信号与各阈值电压进行比较，输出数字码比较结果；
峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块130，用于对第一、第二和第三比较器(120，121，122)输出信号进行统计、判决，输出控制信号至可变增益放大器100，完成环路增益控制。
上述方案中，所述可变增益放大器100采用两级全差分运放闭环结构，在峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块130的调控下，实现21级，单步长3dB，总增益-6dB至54dB的可调范围，将麦克风输出信号放大或减小至固定信号激活阈值电压(Vact)和峰值阈值电压(Vpeak)的幅度范围之内。
上述方案中，所述固定增益放大器101采用两级单端输出运放闭环结构，对麦克风输出噪声信号进行40dB固定增益放大，使得在静音模式下，微弱噪声信号被放大后满足后级比较器的比较精度范围。
上述方案中，所述第一、第二和第三比较器(120，121，122)采用带预放大器的高速动态比较器结构，将放大后的麦克风信号与各阈值电压进行比较，输出相应数字比较结果。
上述方案中，所述将放大后的麦克风信号与各阈值电压进行比较，输出相应数字比较结果，是将放大后的麦克风信号分别与峰值阈值电压(Vpeak)、激活阈值电压(Vact)和噪声阈值电压(Vnoise)进行比较，输出三位数字码比较结果；其中峰值阈值电压、激活阈值电压和噪声阈值电压三种电压在电路中设置了多个值，可由DSP对其进行配置，实现最优的信号输出范围。
上述方案中，所述2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器20采用低阶数多bit量化的结构，在节约功耗的同时，实现了高的输出信噪比。
上述方案中，所述2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器20包括一个2阶调制器和3bit量化器。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明的技术方案产生的有益效果如下：
本发明通过采用三电平比较、数模混合自动增益控制环路以及2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器单芯片全集成的方式，实现了一种用于医用设备的低功耗模拟前端电路。该模拟前端电路首先由自动增益控制环路中的可变增益放大器对麦克风输出信号进行增益放大或减小，并由固定增益放大器对噪声进行放大；两个放大器输出模拟信号经缓冲器隔离后，由比较器与分别与峰值阈值电压、激活阈值电压和噪声阈值电压进行比较，转换并输出三位数字码；由峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块输出21位数字码控制信号至可变增益放大器，完成环路增益控制。最终由2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器将模拟信号转换为数字码，输出至DSP进行处理，具有精度高，可配置性强，整体电路功耗低的优点，适用于医用助听设备系统中。
附图说明
图1是依照本发明实施例的用于医用设备的低功耗模拟前端电路的结构示意图；
图2是依照本发明实施例的用于医用设备的低功耗模拟前端电路中可变增益放大器中的电路示意图；
图3是依照本发明实施例的用于医用设备的低功耗模拟前端电路中固定增益放大器中的电路示意图；
图4是依照本发明实施例的用于医用设备的低功耗模拟前端电路中比较器的电路示意图；
图5是依照本发明实施例的用于医用设备的低功耗模拟前端电路中2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器的电路示意图；
图6是依照本发明实施例的用于医用设备的低功耗模拟前端电路中输入信号幅度为1mV，频率为10KHZ时自动增益控制环路的输出结果。
图7是依照本发明实施例的用于医用设备的低功耗模拟前端电路中输入信号幅度为1mV，频率为10KHZ时模拟前端电路输出的频谱分析结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是依照本发明实施例的用于医用设备的低功耗模拟前端电路的结构示意图，该模拟前端电路包括低功耗、高精度自动增益控制环路和2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器；其中自动增益控制环路包括可变增益放大器、固定增益放大器、缓冲器、比较器、峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块；可变增益放大器在峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块的调控下，将麦克风输出的信号放大或减小至固定的信号幅度范围；固定增益放大器将麦克风输出噪声信号放大固定增益，满足静音模式下后级比较器的比较精度范围；缓冲器对放大器输出信号进行隔离保护，减小比较器回馈噪声对信号的影响；比较器将放大后的麦克风信号与各阈值电压进行比较，输出数字比较结果；峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块对比较器输出信号进行统计、判决，输出控制信号至可变增益放大器，完成环路增益控制；2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器将自动增益控制环路输出的模拟信号转换为数字码，输出至DSP进行处理。
参见图2，可变增益放大器采用两级全差分运放闭环结构，在增益控制逻辑模块的调控下，实现21级，单步长3dB，总增益-6dB至54dB的可调范围，将麦克风输出信号放大或减小至固定信号Vact和Vpeak的幅度范围之内。
参见图3，由于普通声音信号幅度仅有0.4mV，噪声信号往往只有不到0.1mV，而普通比较器的比较精度范围一般在0.5mV左右，因此在静音模式下需要对噪声信号进行一定增益的预放大，满足比较器分辨率的精度范围。固定增益放大器采用两级单端输出运放闭环结构，对麦克风输出噪声信号进行40dB固定增益放大。
参见图4，比较器采用带预放大器的高速动态比较器结构，并在输出加入latch，对输出电平进行锁定。预放大器设计为10倍左右增益，与高速动态比较器配合，将放大后的麦克风信号分别与峰值阈值电压(Vpeak)、激活阈值电压(Vact)和噪声阈值电压(Vnoise)进行比较，输出三位数字码比较结果。其中峰值阈值电压、激活阈值电压和噪声阈值电压三种电压在电路中设置了多个值，可由DSP对其进行配置，实现最优的信号输出范围。
由于声音信号是一个连续变化信号，只有对一段时间内的声音信号进行统计、分析，峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块才能根据信号的统计性特性做出判决，输出增益控制信号。因此本发明针对声音信号的特性，设定每600个比较器时钟周期，峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块对采样的声音信号进行统计判决，并根据判决结果，输出21位数字码控制信号至可变增益放大器，增大或减小增益，完成环路增益控制。这部分电路由数字电路实现。
参见图5，2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器将自动增益控制环路输出的模拟信号转换为数字码，输出至DSP进行处理。其电路结构包括一个2阶调制器和3bit量化器；2阶调制器由两个一阶积分器构成，3bit量化器包括一个3bit flash ADC。采用低阶数多bit量化的结构，可在节约功耗的同时，实现了高达80dB以上的输出信噪比。
取DSP中的一组设定电压：峰值阈值电压(Vpeak＝250mV)、激活阈值电压(Vact＝90mV)和噪声阈值电压(Vnoise＝6mV)。图6是本发明实施例中输入信号幅度为1mV，频率为10KHZ时自动增益控制环路的输出结果，经过14个步长调节，最终锁定在126.6mV。图7是本发明实施例中输入信号幅度为1mV，频率为10KHZ时模拟前端电路输出的频谱分析结果，输出信噪比在80dB以上，技术效果良好。
综上所述，本发明提供的这种用于医用设备的低功耗模拟前端电路，具有以下有益效果：1)本发明通过采用三电平比较、数模混合自动增益控制环路以及2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器单芯片全集成的方式，精度高，可配置性强，整体电路功耗低，适用于医用设备系统中；2)由可变增益放大器对麦克风输出信号进行增益放大或减小；3)由固定增益放大器对噪声信号进行放大，满足比较器检测精度；4)两个放大器输出模拟信号经缓冲器隔离后，由比较器与分别与峰值阈值电压、激活阈值电压和噪声阈值电压进行比较，输出三位数字码；三个阈值电压可由DSP对其进行配置，实现最优的信号输出范围；5)峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块对比较器三位输出数字码进行统计、判决，输出21位数字码控制信号至可变增益放大器，完成环路增益控制；6)2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器包括一个2阶调制器和3bit量化器，将自动增益控制环路输出的模拟信号转换为数字码，输出至DSP进行处理。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于医用设备的低功耗模拟前端电路，其特征在于，该模拟前端电路包括低功耗、高精度的自动增益控制环路(10)和2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器(20)，其中：
所述自动增益控制环路(10)用于将麦克风信号调整至合理的信号幅度范围内；
所述2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器(20)用于将模拟信号转换为数字码，并输出至DSP进行处理。
2.根据权利要求1所述的用于医用设备的低功耗模拟前端电路，其特征在于，所述自动增益控制环路(10)包括可变增益放大器(100)，固定增益放大器(101)，第一和第二缓冲器(110，111)，第一、第二和第三比较器(120，121，122)，以及峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块(130)，其中：
可变增益放大器(100)，用于在峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块(130)的调控下，将麦克风输出的信号放大或减小至固定的信号幅度范围内；
固定增益放大器(101)，用于将麦克风输出噪声信号放大固定增益，满足静音模式下后级比较器的比较精度范围；
第一和第二缓冲器(110，111)，用于对可变增益放大器(100)或固定增益放大器(101)输出信号进行隔离保护，减小比较器回馈噪声对信号的影响；
第一、第二和第三比较器(120，121，122)，用于将放大后的麦克风信号与各阈值电压进行比较，输出数字码比较结果；
峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块(130)，用于对第一、第二和第三比较器(120，121，122)输出信号进行统计、判决，输出控制信号至可变增益放大器(100)，完成环路增益控制。
3.根据权利要求2所述的用于医用设备的低功耗模拟前端电路，其特征在于，所述可变增益放大器(100)采用两级全差分运放闭环结构，在峰值统计判决逻辑及增益控制逻辑模块(130)的调控下，实现21级，单步长3dB，总增益-6dB至54dB的可调范围，将麦克风输出信号放大或减小至固定信号激活阈值电压(Vact)和峰值阈值电压(Vpeak)的幅度范围之内。
4.根据权利要求2所述的用于医用设备的低功耗模拟前端电路，其特征在于，所述固定增益放大器(101)采用两级单端输出运放闭环结构，对麦克风输出噪声信号进行40dB固定增益放大，使得在静音模式下，微弱噪声信号被放大后满足后级比较器的比较精度范围。
5.根据权利要求2所述的用于医用设备的低功耗模拟前端电路，其特征在于，所述第一、第二和第三比较器(120，121，122)采用带预放大器的高速动态比较器结构，将放大后的麦克风信号与各阈值电压进行比较，输出相应数字比较结果。
6.根据权利要求5所述的用于医用设备的低功耗模拟前端电路，其特征在于，所述将放大后的麦克风信号与各阈值电压进行比较，输出相应数字比较结果，是将放大后的麦克风信号分别与峰值阈值电压(Vpeak)、激活阈值电压(Vact)和噪声阈值电压(Vnoise)进行比较，输出三位数字码比较结果；其中峰值阈值电压、激活阈值电压和噪声阈值电压三种电压在电路中设置了多个值，由DSP对其进行配置，实现最优的信号输出范围。
7.根据权利要求1所述的用于医用设备的低功耗模拟前端电路，其特征在于，所述2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器(20)采用低阶数多bit量化的结构，在节约功耗的同时，实现了高的输出信噪比。
8.根据权利要求7所述的用于医用设备的低功耗模拟前端电路，其特征在于，所述2阶3bit量化Sigma-Delta模数转换器(20)包括一个2阶调制器和3bit量化器。
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