CN103338028B - 三重振荡反馈微弱信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三重振荡反馈微弱信号处理电路，包括：失调电压自校准前端电流模放大电路、电流模相减积分器、电流模振荡器、数字微分电路、自校准反馈回路、滤波反馈回路和振荡反馈回路。失调电压自校准前端电流模放大电路决定此信号处理电路对信号的低通滤波，和传感器失调电压自校准功能；电流模相减积分器决定此信号处理电路对信号误差进行积分，和对信号的高通滤波功能；振荡反馈回路提高微弱信号处理精度。本发明用于小信号传感器后续信号处理芯片电路，实现了传感器芯片集成化的低功耗高精度的信号处理功能。

Description

三重振荡反馈微弱信号处理电路

技术领域

本发明涉及微弱信号处理电路设计技术领域，特别是一种集成化的低功耗高精度三重振荡反馈微弱信号处理电路。

背景技术

随着传感器芯片系统对微弱信号处理电路芯片的精度，功耗和集成指标要求越来越高，微弱信号处理芯片成为工业界研究的热点。

分辨率、谐波失真、功耗和集成度是微弱信号处理芯片系统的最主要性能指标。分辨率表征芯片系统所能分辨的输入信号最小值，即芯片系统对信号的分辨能力，其主要受限于芯片系统电路的闪烁噪声和热噪声，而高端的传感器应用需要芯片系统具有10μV以下的分辨率；谐波失真表征芯片系统在声音输入范围内输出信号的失真程度，其直接影响信号放大输出的失真程度；而小信号处理芯片特别是医疗方面要求低电源电压和低功耗，其限制了芯片系统谐波失真的进一步减小；同时系统体积要求逐渐微型化，即系统芯片外部元件尽可能少，而目前的小信号处理系统存在传感器与芯片系统的接口电容过大不能集成的问题。所以这给小信号处理芯片系统的设计提出了挑战。

根据信号处理方式的不同，目前小信号处理系统可以分为模拟系统和数字系统两大类。为了简化芯片系统结构同时节省功耗提高系统的输出功耗的效率，通常系统会采用模拟采集滤波作为前端信号处理的方式且在后端采用脉宽调制方法对D类放大器进行驱动。而脉宽调制的驱动方式又分为开环脉宽调制和闭环脉宽调制驱动两种。模拟开环脉宽调制驱动系统为一个包括模拟信号采集-滤波-脉宽调制-D类放大器模块的系统。芯片系统利用三角波调制信号与被调制信号进行比较实现脉宽调制驱动。模拟信号采集模块和滤波模块可由自身的反馈实现谐波分量的大幅度减小，而由于三角波调制信号本身的非线性，所以被调制信号在与其比较时会不可避免的产生谐波分量，从而影响系统输出信号的精度。在闭环反馈驱动中，如果闭环驱动环路的开环增益足够大（一般在输入范围合理的情况下能够满足），此时来自脉宽调制模块的谐波失真对系统精度的影响的能够减到很小的量级。由于脉宽调制信号的频率为一个具有较高固定频率的调制信号，而附带简单无源滤波功能器件只能滤除其能量的一部分，这样输出信号将会在电路系统中产生电磁干扰的现象，使得整个系统电路的功耗增加同时影响精度。为了消除电磁干扰对电路的影响，可以在后续电路中设计具有较高滤波性能的有源滤波器对其进行抑制，但会受到系统的低功耗的限制而不能采用。为了解决传统模拟信号处理方式对输出信号精度影响较大的问题，目前主要采用Delta-Sigma模数/数模转换方式来消除脉宽调制驱动对系统电路精度和功耗性能的影响。但欲减小低频段的量化噪声，则需要增加Delta-Sigma模数/数模转换器的量化噪声调制的阶数，即需要增加积分器模块，而增加积分器模块必然导致系统功耗的增加。所以，以上因素给集成化的低功耗高精度系统电路的设计提出了挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三重振荡反馈微弱信号处理电路，该电路集成度高，功耗低。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种三重振荡反馈微弱信号处理电路，包括：

失调电压自校准前端电流模放大电路，所述失调电压自校准前端电流模放大电路的输入端与传感器的输出端和自校准反馈回路的输出端相连，输出端与电流模相减积分器的输入端相连，用于对采集的微弱信号进行低通滤波，以及对传感器失调电压进行自校准；

电流模相减积分器，所述电流模相减积分器的输入端与失调电压自校准前端电流模放大电路的输出端、滤波反馈回路的输出端和振荡反馈回路的输出端相连，输出端与电流模振荡器的输入端相连，用于对信号误差进行积分，以及对信号的高通滤波功能；

电流模振荡器，所述电流模振荡器的输入端与电流模相减积分器的输出端相连，输出端与数字微分电路的输入端相连，用于对输入信号进行相位积分；

数字微分电路，所述数字微分电路的输入端与电流模振荡器的输出端相连，用于输出量化噪声整形信号；

自校准反馈回路，所述自校准反馈回路的输入端与数字微分电路的输出端相连，输出端与失调电压自校准前端电流模放大电路的输入端相连，用于校准传感器失调电压；

滤波反馈回路，所述滤波反馈回路的输入端与数字微分电路的输出端相连，输出端与电流模相减积分器的输入端相连，用于对微弱信号进行高通滤波；

振荡反馈回路，所述振荡反馈回路的输入端与数字微分电路的输出端相连，输出端与电流模相减积分器的输入端相连，用于提高微弱信号处理精度。

进一步的，所述失调电压自校准前端电流模放大电路，通过运放非对称管对失调电压进行补偿，同时利用MOS管、电容和运放所组成的电流模反馈回路实现低通滤波。

进一步的，所述电流模相减积分器，采用两级电流模相减电路与积分电路级联形式：由电流源单元阵列和MOS开关组成前两级电流模相减电路，后级级联积分电路，以利用积分电路特性输出误差放大信号，提升微弱信号处理精度。

本发明的有益效果是提供了一种集成化的低功耗高精度三重振荡反馈微弱信号处理电路，用于传感器后续的微弱信号处理芯片电路，其在保持系统电路高精度的基础上，利用自校准反馈回路和滤波反馈回路对失调电压、极低频信号的滤波功能和振荡器对振荡信号的相位积分功能，有效地解决了其在高精度的指标需求下积分器过多且在主前向通路需要专门滤波电路的问题，从而实现电路的高精度、低功耗和高集成化，具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的三重振荡反馈微弱信号处理电路的示意图。

图中，1-失调电压自校准前端电流模放大电路，2-电流模相减积分器，3-电流模振荡器，4-数字微分电路，5-自校准反馈回路，6-滤波反馈回路，7-振荡反馈回路。

图2是本发明实施例的三重振荡反馈微弱信号处理电路中的失调电压自校准前端电流模放大电路的示意图。

图3是本发明实施例的三重振荡反馈微弱信号处理电路中的电流模相减积分器的示意图。

具体实施方式

本发明三重振荡反馈微弱信号处理电路，用于传感器后续微弱信号处理芯片电路，如图1所示，包括：

失调电压自校准前端电流模放大电路1，所述失调电压自校准前端电流模放大电路的输入端与传感器的输出端和自校准反馈回路的输出端相连，输出端与电流模相减积分器的输入端相连，用于对采集的微弱信号进行低通滤波，以及对传感器失调电压进行自校准；

电流模相减积分器2，所述电流模相减积分器的输入端与失调电压自校准前端电流模放大电路的输出端、滤波反馈回路的输出端和振荡反馈回路的输出端相连，输出端与电流模振荡器的输入端相连，用于对信号误差进行积分，以及对信号的高通滤波功能；

电流模振荡器3，所述电流模振荡器的输入端与电流模相减积分器的输出端相连，输出端与数字微分电路的输入端相连，用于对输入信号进行相位积分；

数字微分电路4，所述数字微分电路的输入端与电流模振荡器的输出端相连，用于输出量化噪声整形信号；

自校准反馈回路5，所述自校准反馈回路的输入端与数字微分电路的输出端相连，输出端与失调电压自校准前端电流模放大电路的输入端相连，用于校准传感器失调电压；

滤波反馈回路6，所述滤波反馈回路的输入端与数字微分电路的输出端相连，输出端与电流模相减积分器的输入端相连，用于对微弱信号进行高通滤波；

振荡反馈回路7，所述振荡反馈回路的输入端与数字微分电路的输出端相连，输出端与电流模相减积分器的输入端相连，用于提高微弱信号处理精度。

上述失调电压自校准前端电流模放大电路，通过运放amp1非对称管对失调电压进行补偿，同时利用MOS1，电容C和运放amp1所组成的电流模反馈回路实现低通滤波。

上述电流模相减积分器，采用两级电流模相减电路与积分电路级联形式：由电流源单元阵列和MOS开关组成前两级电流模相减电路，后级级联积分电路，以利用积分电路特性输出误差放大信号，提升微弱信号处理精度。

本发明集成化的低功耗高精度三重振荡反馈微弱信号处理电路，其在保持系统电路高精度的基础上，利用自校准反馈回路和滤波反馈回路对失调电压，极低频信号的滤波功能和振荡器对振荡信号的相位积分功能，有效的解决了其在高精度的指标需求下积分器过多且需要专门滤波电路的问题，从而实现电路的低功耗和高集成化。

本发明是由失调电压自校准前端电流模放大电路1对传感器输出的微弱信号进行采集放大和信号的低通滤波，同时对自校准反馈回路5所反馈的失调电压进行相减，实现失调电压的自校准；电流模相减积分器2用于对失调电压自校准前端电流模放大电路1的输出信号和滤波反馈回路6以及振荡反馈回路7的反馈信号相减的信号误差进行积分，以实现高通滤波和提高系统处理信号的精度；电流模振荡器3构成对电流模相减积分器2的输出信号进行相位积分；数字微分电路4用于对电流模振荡器3进行微分，以输出量化噪声整形信号。该电路自校准反馈回路5和滤波反馈回路6时刻监控是否需要自校准和信号滤波。当无需自校准和信号滤波时，自校准反馈回路5和滤波反馈回路6不起作用，以实现无专门滤波电路的微弱信号处理电路系统。

图1示出了根据本发明实施的三重振荡反馈微弱信号处理电路。集成化的低功耗高精度三重振荡反馈微弱信号处理电路分成以下几个部分，包括：输入端和输出端分别同传感器的输出端，自校准反馈回路5输出端和电流模相减积分器2输入端相连的失调电压自校准前端电流模放大电路1；输入端和输出端分别同失调电压自校准前端电流模放大电路1输出端，滤波反馈回路6振荡反馈回路7的输出端和电流模振荡器3输入端相连的电流模相减积分器2；输入端和输出端分别同电流模相减积分器2的输出端和数字微分电路4的输入端相连的电流模振荡器3；输入端同电流模振荡器3的输出端相连的数字微分电路4；输入端和输出端分别同数字微分电路4输出端和失调电压自校准前端电流模放大电路1的输入端相连的自校准反馈回路5；输入端和输出端分别同数字微分电路4输出端和电流模相减积分器2的输入端相连的滤波反馈回路6；输入端和输出端分别同数字微分电路4输出端和电流模相减积分器2另一输入端相连的振荡反馈回路7。参考附图1，在自校准方式中，工作的反馈回路为自校准回路和振荡反馈回路；在滤波方式中，工作的反馈回路为滤波回路和振荡反馈回路。整个系统电路的在自校准和滤波方式的传输函数分别为：

自校准方式：

滤波方式：

其中，H₁(s)为失调电压自校准前端电流模放大电路传输函数，H₂(s)为振荡回路闭环传输函数，H₃(s)为自校准反馈回路，H₄(s)为滤波反馈回路。

在实际应用中，考虑传感器与系统电路存在失调电压下，失调电压由失调电压自校准前端电流模放大电路对其进行监控（参考附图2）。考虑此系统电路需要低通滤波，此自校准电流模放大电路采用内部电压-电流反馈结构：由MOS1，电容C和运放amp1所组成。自校准电流模放大电路所输出的电流模信号由于负反馈结构，其传输函数为：

其中，I_out(s)为输出信号，I_in(s)为输入信号，Gm为运放amp1的跨导，V_con为增益控制电压。由以上函数可知，此放大电路可以实现低通滤波功能。由于需要对失调电压进行自校准，运放amp1的输入对管采用阵列方式，阵列MOS0~A和B~63需要同时采用逻辑电路控制，以消除失调电压对运放amp1动态范围的影响（参考附图2）。此逻辑电路由自校准反馈回路（参考附图1）输出的逻辑信号控制。当失调电压为正时，逻辑电路控制输入对管中的MOS0~A的尺寸，使其减小；当失调电压为负时，逻辑电路控制输入对管中的MOSB~63的尺寸，使其减小。输入对管MOS0~A和B~63的尺寸大小与失调电压之间的关系为：

其中，（W/L）_0~63,A,B为输入对管阵列的宽长比，V_LSB为最小分辨电压。所以，此放大电路可以实现失调电压自校准功能。

由于电路系统需要提高信号处理的精度和进行高通滤波，由失调电压自校准前端电流模放大电路输出的信号需要电流模相减积分器进行处理（参考附图3）。此电流模相减积分电路由第一级，第二级电流模相减模块1,2级联结构，相减的信号通过积分电路3进行积分。输入信号可由I_in表示，另外二个输入信号I_feedback1和I_feedback2分为滤波反馈回路和振荡反馈回路（参考附图1）的输出信号，I_out为电流模相减积分电路的输出信号。

当电路系统需要进行高通滤波时，电流模相减积分器可以通过第一级电流模相减模块对在频带之外的信号进行相减，其第一级相减模块1由开关阵列4和电流源阵列5组成（参考附图3），其中，I_ref为第一级相减模块1中无高通滤波状态下的偏置电流；开关阵列4由滤波反馈回路通过逻辑电路控制，其输入信号和输出信号之间的关系为：

即由上式可知，第一级相减模块实现了高通滤波的功能。输出信号经过由第二级相减模块2（主要由电流源I_ref和开关s1和s2组成，开关s1和s2由系统输出逻辑信号直接控制）和积分电路3的处理，最后输出信号为：

其中，C为积分电路中的积分电容。即由上式可知，第二级相减模块实现了信号相减后的放大，提高了电路系统处理信号的精度。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种三重振荡反馈微弱信号处理电路，其特征在于，包括：

失调电压自校准前端电流模放大电路，所述失调电压自校准前端电流模放大电路的输入端与传感器的输出端和自校准反馈回路的输出端相连，输出端与电流模相减积分器的输入端相连，用于对采集的微弱信号进行低通滤波，以及对传感器失调电压进行自校准；所述失调电压自校准前端电流模放大电路通过运放非对称管对失调电压进行补偿，同时利用MOS管、电容和运放所组成的电流模反馈回路实现低通滤波；

电流模相减积分器，所述电流模相减积分器的输入端与失调电压自校准前端电流模放大电路的输出端、滤波反馈回路的输出端和振荡反馈回路的输出端相连，输出端与电流模振荡器的输入端相连，用于对信号误差进行积分，以及对信号的高通滤波；所述电流模相减积分器采用两级电流模相减电路与积分电路级联形式：由电流源单元阵列和MOS开关组成前两级电流模相减电路，后级级联积分电路；

电流模振荡器，所述电流模振荡器的输入端与电流模相减积分器的输出端相连，输出端与数字微分电路的输入端相连，用于对输入信号进行相位积分；

数字微分电路，所述数字微分电路的输入端与电流模振荡器的输出端相连，用于输出量化噪声整形信号；

自校准反馈回路，所述自校准反馈回路的输入端与数字微分电路的输出端相连，输出端与失调电压自校准前端电流模放大电路的输入端相连，用于校准传感器失调电压；

滤波反馈回路，所述滤波反馈回路的输入端与数字微分电路的输出端相连，输出端与电流模相减积分器的输入端相连，用于对微弱信号进行高通滤波；

振荡反馈回路，所述振荡反馈回路的输入端与数字微分电路的输出端相连，输出端与电流模相减积分器的输入端相连，用于提高微弱信号处理精度。