CN102647164A - 一种超低功耗医用设备的自动增益控制环路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超低功耗医用设备的自动增益控制环路。其中，可变增益放大器在逻辑判决及增益控制逻辑模块的调控下，将麦克风输出的信号调整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；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；计数寄存器对比较器输出结果进行计数、保存；峰值统计判决逻辑对计数寄存器输出结果进行统计、判决，输出统计后新的三位数字码；逻辑判决及增益控制逻辑模块对峰值统计判决逻辑输出的三位数字码进行判决，输出控制信号至可变增益放大器，完成环路增益控制。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS模拟集成电路设计技术领域，具体涉及一种超低功耗医用设备的自动增益控制环路。
背景技术
近年来，随着人们保健意识的提高，生物医疗电子行业得到了快速的发展。由于越来越多的人们正遭受着听力障碍的困扰，低功耗、高性能、低成本助听器系统的研究与设计得到了学术界和产业界的更大关注，许多新架构和设计方法应运而生。目前在医用设备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。
本发明在此背景下提出了一种全新架构的助听器模拟前端自动增益控制环路，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超低功耗医用设备的自动增益控制环路，以解决现有医用设备自动增益控制环路噪声较大、精度不高的问题，达到高精度、低功耗、精确可配置的目的。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种超低功耗医用设备的自动增益控制环路，该自动增益控制环路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(200，201)，第一、第二和第三比较器(300，301，302)，第一、第二和第三计数寄存器(400，401，402)，第一、第二和第三峰值统计判决逻辑(500，501，502)，以及逻辑判决及增益控制逻辑模块600，其中：
可变增益放大器100，用于在逻辑判决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(200，201)，用于对可变增益放大器100和固定增益放大器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(300，301，302)，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；
第一、第二和第三计数寄存器(400，401，402)，用于对第一、第二和第三比较器(300，301，302)输出结果进行计数、保存；
第一、第二和第三峰值统计判决逻辑(500，501，502)，用于对第一、第二和第三计数寄存器(400，401，402)输出结果进行统计、判决，输出统计后新的三位数字码；
逻辑判决及增益控制逻辑模块600，用于对第一、第二和第三峰值统计判决逻辑(500，501，502)输出的三位数字码进行判决，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，在逻辑判决及增益控制逻辑模块600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(300，301，302)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。
(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、数模混合单芯片全集成的方式，实现了一种超低功耗医用设备的自动增益控制环路。该自动增益控制环路首先由逻辑判决及增益控制逻辑模块控制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；峰值统计判决逻辑在一定的周期数内，对计数寄存器计数、保存的三位数字码进行统计、判决，重新输出统计后新的三位数字码；最终由逻辑判决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。具有检测精度高，可配置性强，整体电路功耗低的优点，适用于助听器SOC系统中。
附图说明
图1是依照本发明实施例的超低功耗医用设备的自动增益控制环路的结构示意图；
图2是依照本发明实施例的超低功耗医用设备的自动增益控制环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超低功耗医用设备的自动增益控制环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超低功耗医用设备的自动增益控制环路中比较器的电路示意图；
图5是依照本发明实施例的超低功耗医用设备的自动增益控制环路中输入信号幅度为5mV，频率为10KHZ时自动增益控制环路的输出结果。
图6是依照本发明实施例的超低功耗医用设备的自动增益控制环路中输入信号幅度为300mV，频率为10KHZ时自动增益控制环路的输出结果。
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超低功耗医用设备的自动增益控制环路的结构示意图，该自动增益控制环路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(200、201)，第一、第二和第三比较器(300、301、302)，第一、第二和第三计数寄存器(400、401、402)，第一、第二和第三峰值统计判决逻辑(500、501、502)，以及逻辑判决及增益控制逻辑模块600。
其中，可变增益放大器100在逻辑判决及增益控制逻辑模块600的21位数字码的调控下，以3dB增益步长，将麦克风输出的信号放大或减小，直至调整至固定的信号幅度范围内；固定增益放大器101将麦克风输出噪声信号放大40dB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(200、201)对可变增益放大器100和固定增益放大器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(300、301、302)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；第一、第二和第三计数寄存器(400、401、402)对比较器输出的三位数字码进行计数、保存；第一、第二和第三峰值统计判决逻辑(500、501、502)在一定的周期数内，对第一、第二和第三计数寄存器(400、401、402)输出结果进行统计、判决，输出统计后新的三位数字码；逻辑判决及增益控制逻辑模块600对第一、第二和第三峰值统计判决逻辑(500、501、502)输出的三位数字码进行判决，输出21位数字码控制信号至可变增益放大器100，完成环路增益控制。
参见图2，可变增益放大器100采用两级全差分运放闭环结构，增益由反馈电阻与输入电阻的比值决定；在逻辑判决及增益控制逻辑模块600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101采用两级单端输出运放闭环结构，对麦克风输出信号进行40dB固定增益放大。
参见图4，为了减小比较器回馈噪声对信号的影响，在比较器之前加入一级单位增益缓冲器对可变增益放大器100和固定增益放大器101输出信号进行隔离保护。第一、第二和第三比较器(300、301、302)采用带预放大器的高速动态比较器结构，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。
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，逻辑判决及增益控制逻辑模块600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，第一、第二和第三计数寄存器(400、401、402)对第一、第二和第三比较器(300、301、302)输出三位数字码比较结果进行一次计数、保存。第一、第二和第三峰值统计判决逻辑(500、501、502)再根据这600个值进行统计判断，输出包含声音信号统计信息的三位数字码。逻辑判决及增益控制逻辑模块600对第一、第二和第三峰值统计判决逻辑(500、501、502)输出的三位数字码进行判决，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100，增大或减小增益，完成环路增益控制。
分别设定峰值阈值电压(Vpeak＝250mV)、激活阈值电压(Vact＝90mV)和噪声阈值电压(Vnoise＝6mV)。图5是本发明实施例中输入信号幅度为5mV，频率为10KHZ时自动增益控制环路的输出结果，经过9个步长调节，最终锁定在111mV。图6是本发明实施例中输入信号幅度为300mV，频率为10KHZ时自动增益控制环路的输出结果，经过2个步长调节，最终锁定在150mV。整体自动增益控制环路功耗在100uW以内，技术效果良好。
综上所述，本发明提供的超低功耗医用设备的自动增益控制环路，具有以下有益效果：1)本发明通过采用三电平比较、数模混合单芯片全集成的方式，检测精度高，可配置性强，整体电路功耗低，适用于助听器SOC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，转换并输出三位数字码；5)峰值统计判决逻辑在一定的周期数内，对计数寄存器计数、保存的三位数字码进行统计、判决，重新输出统计后的三位数字码；6)由逻辑判决及增益控制逻辑模块对三位输出数字码进行判决，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。
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 (5)
1.一种超低功耗医用设备的自动增益控制环路，其特征在于，该自动增益控制环路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(200，201)，第一、第二和第三比较器(300，301，302)，第一、第二和第三计数寄存器(400，401，402)，第一、第二和第三峰值统计判决逻辑(500，501，502)，以及逻辑判决及增益控制逻辑模块(600)，其中：
可变增益放大器(100)，用于在逻辑判决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(200，201)，用于对可变增益放大器(100)和固定增益放大器(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(300，301，302)，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；
第一、第二和第三计数寄存器(400，401，402)，用于对第一、第二和第三比较器(300，301，302)输出结果进行计数、保存；
第一、第二和第三峰值统计判决逻辑(500，501，502)，用于对第一、第二和第三计数寄存器(400，401，402)输出结果进行统计、判决，输出统计后新的三位数字码；
逻辑判决及增益控制逻辑模块(600)，用于对第一、第二和第三峰值统计判决逻辑(500，501，502)输出的三位数字码进行判决，输出控制信号至可变增益放大器(100)，完成环路增益控制。
2.根据权利要求1所述的超低功耗医用设备的自动增益控制环路，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，在逻辑判决及增益控制逻辑模块(600)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。
3.根据权利要求1所述的超低功耗医用设备的自动增益控制环路，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。
4.根据权利要求1所述的超低功耗医用设备的自动增益控制环路，其特征在于，所述第一、第二和第三比较器(300，301，302)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。
5.根据权利要求4所述的超低功耗医用设备的自动增益控制环路，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。
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