CN106955419A - 一种电子耳蜗体外机低功耗解码电路 - Google Patents

一种电子耳蜗体外机低功耗解码电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电子耳蜗体外机低功耗解码电路，包括：检波电路、放大电路、模数转换电路和发射预处理电路，其中，检波电路，用于将接收到的输入信号整流；放大电路，用于将检波输出的信号进行滤波和放大；模数转换电路，用于将滤波放大后的信号转换成数字信号，输出相位相反的数字信号；发射预处理电路，用于对放大电路初始状态进行设置。本发明用于提供高灵敏度、高可靠性、高稳定性、高集成性的电子耳蜗体外机低功耗解码电路及系统，可以使整个电子耳蜗系统更可靠、更省电、体积更小。

Description

一种电子耳蜗体外机低功耗解码电路
技术领域
本发明属于电子耳蜗领域，特别涉及电子耳蜗体外机低功耗解码电路。
背景技术
电子耳蜗主要由体外机部件以及通过手术植入大脑的植入体部分组成。其工作原理是，体外机部件中的麦克风和言语处理器协同工作，将外界声音信号转换成编码信号，该信号通过射频发射驱动后输送到体外机发射线圈，透过皮肤发射到植入体接收线圈，植入体将解码信息传送到电子耳蜗的电极阵列，刺激对应的听觉神经，让使用者恢复听觉。
在电子耳蜗的工作过程中，需要每隔一定时间检测整个系统工作是否正常，检测机制如下：言语处理器向B1端发送连续的16MHz方波信号swave，命令植入体线圈透过皮肤给体外机中的复合线圈发射反向信号，体外机部件中的反向解码芯片通过解码这个反馈回来的信息，得到的解码输出VOUTP，结合言语处理器的运算，判断整个电子耳蜗工作是否正常。
现有体外机反向解码芯片100结构示意如图1和图2所示，由半波检波电路10、增益为60的放大单元20、模数转换电路30；连续方波检测电路40、偏置电路50组成。原理简析，放大单元20中R1＝1kΩ，R2＝59kΩ，C1＝0.33μF，D1和D2为两个嵌位二极管，避免输出电压过冲，放大电路公式推导如下：
由于VIP_OPA＝VIM_OPA，因此可以得到：
由于C1电容值较大(0.33μF)，节点VIM_SCH的电压相对较为固定可视为一个共模电平，因此通过上述公式可以看到：放大单元20的功能可以看做是把植入体反馈回来的信号值VIN放大60倍。放大后的信号仍然只是一个模拟信号，经过模数转换电路30中的施密特触发器以及反相器实现了模数转换，从而就将模拟信号转换成数字信号。
连续方波检测电路40，当B1持续输入16MHz的方波超过64μs时它的输出RST置0，切断偏置电路50对节点VIP_OPA电压的控制，通过节点电容的作用维持之前的电压(0.85V)，在这个偏置电压作用下，放大单元20处于正常工作状态，此时当半波检波电路10输出一个信号时，该信号就被放大，进行解码；否则RST置1，节点VIP_OPA的电压完全由偏置电路50控制，固定在0.85V，此时芯片并不需要反向解码，但是放大单元20以及模数转换电路30还处于工作模式，并没有一个关断机制来避免电路持续耗电，目前我们正常使用中的电子耳蜗工作1s仅有一次时长500μs的反向解码，可见绝大部分时间解码电路的开启是没有必要的，这将造成极大的功耗浪费。
要将现有电路进入低功耗模式，首先要实现放大单元20的闭环关闭，输出VIN_SCH节点的置0，也就是相应的电容C1节点也置0。我们可以看到，电容C1＝0.33μF，电阻R1＝1kΩ；R2＝59kΩ，在电源电压VDD＝3.3V情况下，放大单元20的环路对电容C1的一端节点VIP_SCH充电电流最多只能有Imax＝3.3V/60k＝55μA。通过公式Q＝It＝CV可知，将C1由0V充电至0.85V使放大单元处于正常工作模式至少需要5ms，这已经远远超过了解码总时间长度500μs，可见，电容C1节点一旦置0，放大单元20将无法正常开启解码，因此需要将该节点一直置于0.85V，但在该结构中这就即意味着整个放大单元20一直处于工作模式，将会不间断的浪费功耗，要实现低功耗，必须对现有放大单元20的结构进行修改。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供电子耳蜗体外机低功耗解码电路，在B1输入16MHz的连续方波信号swave时间超过64μs后，能够顺利、快速开启电路，实现解码功能；只要B1端口的连续swave时间不超过64μs的时候，系统不需要解码功能，关闭主要电路实现低功耗。
为达到上述目的，本发明提供了电子耳蜗体外机低功耗解码电路，至少包括：半波检波电路、放大电路、模数转换电路、多偏置电路、连续方波检测电路和时序电路，其中，
所述半波检波电路，用于将接收到的输入信号整流，包括：整流电路、低通滤波电路，所述整流电路将整流后的输出经过所述低通滤波电路后输出给所述放大电路；
所述放大电路，用于将检波输出的信号进行滤波和放大，包括：放大器、第一电阻、第二电阻、第一二极管、第二二极管和第一电容，所述放大器的反相输入端连接第一电阻、第二电阻、第一二极管和第二二极管，所述第二电阻、第一二极管和第二二极管并联后，与第一电阻和第一电容串联，第一电容接地；
所述模数转换电路与放大电路连接，包括：施密特触发器、两个反相器，所述施密特触发器用于将滤波放大后的信号转换成数字信号，两个输入端与VIP_SCH、VIM_SCH相应连接，输出端设置为差分输出；所述两个反相器用于将施密特触发器的差分输出的数字信号相位反转180度，两个反相器的输出端VOUN、VOUTP，输出相位相反的数字信号；
所述多偏置电路与所述放大电路和时序电路连接；所述连续方波检测电路，默认输出高电平，输入端B1，输出端RST，用于对放大电路初始状态进行设置，输入端B1连续发送16MHz的方波信号swave超过64μs后，输出端RST复位置零，RST与所述时序电路的输入端相连。
优选地，所述半波检波电路中的整流电路为全波或半波整流。
优选地，所述放大电路的增益为60。
优选地，所述多偏置电路包括第一偏置电路和第二偏置电路，所述第一偏置电路输出给所述放大电路的同相输入端，所述第二偏置电路输出连接所述放大电路的第一电阻。
优选地，所述时序电路包括第一时序延时电路和第二时序延时电路，所述第一时序延时电路的输入与所述连续方波检测电路的输出连接、输出与所述第二时序延时电路的输入连接；所述第二时序延时电路的输入还与所述多偏置电路的输出连接、输出与所述模数转换电路的控制端连接。
优选地，还包括反相器，输入与多偏置电路连接，输出与放大电路连接。
本发明的有益效果在于：改变了放大电路结构，增加为两个时序延时，其输出RST_VCM，RST_SCH分别用于控制放大电路以及模数转换电路的开启与关断；设置多偏置电路，得到两个相同的输出一个提供给放大电路的同相输入端，另外一个输出给放大电路，多偏置电路的控制时序相比现有技术进行了延时模块的控制时序由原来的RST变为其一级延时RST_VCM。通过上述设置使得整个解码电路在系统不需要解码的时候关闭以节省功耗，同时在需要解码的第一时间及时开启不至于影响正常解码功能。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为现有技术体外机反向解码芯片结构示意图；
图2为现有技术体外机反向解码芯片具体示意图；
图3本发明实施例的电子耳蜗体外机低功耗解码电路的结构框图；
图4本发明实施例的电子耳蜗体外机低功耗解码电路的原理图；
图5为本发明实施例的电子耳蜗体外机低功耗解码电路的时序示意图；
图6为本发明实施例的电子耳蜗体外机低功耗解码电路与现有反向解码芯片的功耗对比图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明公开了电子耳蜗体外机低功耗解码电路，参见图3-4，所示为本发明实施例的电子耳蜗体外机低功耗解码电路200的结构框图和电路原理图，至少包括：半波检波电路10、放大电路60、模数转换电路30、多偏置电路80、连续方波检测电路40和时序电路，其中，
所述半波检波电路10，用于将接收到的输入信号整流，包括：整流电路、低通滤波电路，所述整流电路将整流后的输出经过所述低通滤波电路后输出给所述放大电路60；
放大电路60，用于将检波输出的信号进行滤波和放大，包括：放大器610、第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1、第二二极管D2和第一电容C1，放大器610的反相输入端连接第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1和第二二极管D2，第二电阻R2、第一二极管D1和第二二极管D2并联后，与第一电阻R1和第一电容C1串联，第一电容C1接地；
模数转换电路30与放大电路60连接，包括：施密特触发器、两个反相器，所述施密特触发器用于将滤波放大后的信号转换成数字信号，两个输入端与VIP_SCH、VIM_SCH相应连接，输出端设置为差分输出；所述两个反相器用于将施密特触发器的差分输出的数字信号相位反转180度，两个反相器的输出端VOUN、VOUTP，输出相位相反的数字信号；
所述多偏置电路80与所述放大电路60和时序电路连接；所述连续方波检测电路40，默认输出高电平，输入端B1，输出端RST，用于对放大电路60初始状态进行设置，输入端B1连续发送16MHz的方波信号swave超过64μs后，输出端RST复位置零，RST与所述时序电路的输入端相连。
具体实施例中，半波检波电路10中的整流电路为全波或半波整流，放大电路60的增益为60，多偏置电路80包括第一偏置电路810和第二偏置电路820，第一偏置电路810输出给放大电路60的同相输入端，第二偏置电路820输出连接放大电路60的第一电阻。时序电路包括第一时序延时电路70和第二时序延时电路90，所述第一时序延时电路70的输入与连续方波检测电路40的输出连接、输出与第二时序延时电路90的输入连接；第二时序延时电路90的输入还与多偏置电路80的输出连接、输出与模数转换电路30的控制端连接。还包括一个反相器81，输入与多偏置电路80连接，输出与放大电路60连接。
为更明确地说明本发明的工作原理、功能实现和有益效果，提供图5-6。图5为本发明实施例的电子耳蜗体外机低功耗解码电路的时序示意图，共四个时序，作为控制开关，RST、RST_VCM、-(RST_VCM)、RST_SCH，RST一旦下降，RST_VCM会在一定延时后下降，-(RST_VCM)则正好与RST_VCM相反，而RST_SCH会在RST_VCM之后一定延时后再下降，延时的时间单位均为μs级，并不影响电路功能。当B1发送的信号不是连续的16MHz方波信号swave或者连续swave持续时间不到64us时，RST＝RST_VCM＝RST_SCH＝1，-RST_VCM＝0，此时芯片并不需要解码功能，因此可以看到放大电路60中的放大器610内部通过RST关闭，整个环路也通过-RST_VCM关闭，环路上也没有功耗；模数转换电路30通过RST_SCH彻底关断电流杜绝能量耗散，第一电容C1上的电压通过第二偏置电路820、第一电阻R1通路维持而不是让其关断至0；当B1发送16MHz方波信号swave持续时间超过64us后证明系统需要进入反向解码模式了，此时RST置0，放大电路60中的放大器610开启为闭环工作做准备，此时放大电路60还处于开环状态，当经过一定时间延时后RST_VCM也置0，第一偏置电路810和第二偏置电路820不再控制VIP_OPA，VIM_OPA两个节点的电压，利用其节点电容维持两端点的共模电压，与此同时-RST_VCM电压控制的开关闭合，放大电路60开始正常工作，对输入信号放大60倍，再经过一定延时后RST_SCH也下跳至0，将开启模数转换电路30的功能，将前一级放大60倍的信号数字化，这里RST_SCH相对于RST_VCM延时打开的目的在于RST_VCM的置0瞬间会导致节点VIP_SCH的电压跳变，这个是放大器610由开环至闭环瞬间变化结果，并不反映真实输入信号的信息，因此等该瞬态跳变平缓后再对其进行模数转换，这样最终的输出才真实反映输入信号的变化。综上所述，本发明可以实现从低功耗模式到正常解码模式的迅速切换，而其中第一偏置电路810、第二偏置电路820、第一时序延时电路70和第二时序延时电路90等消耗的功耗代价极低可以忽略不计。
图6为本发明实施例的电子耳蜗体外机低功耗解码电路与现有反向解码芯片的功耗对比图，其中波形1为RST信号，在其为1时代表不需要对信号进行解码，也就是要将其关闭，在其为0时需要正常解码；波形2为VIN节点电压，这里为便于对照，该节点作为现有技术体外机反向解码芯片100和本发明低功耗解码电路200的共同输入；波形3为本发明低功耗解码电路200解码输出；波形4为现有技术体外机反向解码芯片100的解码输出；波形5为本发明低功耗解码电路200实时功耗；波形6为现有技术体外机反向解码芯片100实时功耗。通过对比可以发现：当RST＝0时，需要解码电路正常工作时，现有技术体外机反向解码芯片100与本发明低功耗解码电路200均输出与输入高低电平相吻合的“1”“0”码，即均能完成正常解码功能，其中现有技术体外机反向解码芯片100平均功耗为250μA左右，而本发明低功耗解码电路200平均功耗250μA，二者在这期间平均功耗相差并不大，在RST＝1时，我们不需要解码输出时，可以看到现有技术体外机反向解码芯片100仍然有输出，但这些数据实际上是无用的，而本发明低功耗解码电路200则已经将输出拉至高电平，从功耗上看，这一阶段现有技术体外机反向解码芯片100功耗最低也高达200μA，而本发明低功耗解码电路200稳定在10μA左右，之前已经说明，系统中RST＝1所占的时间比例远远大于RST＝0的所占时间比例，因此可以说，改进后的本发明低功耗解码电路200的功耗仅占现有技术体外机反向解码芯片100功耗的1/20。
本发明可以在人工耳蜗体外系统不需要解码的时候关闭解码电路以节省功耗，同时在需要解码的第一时间及时开启解码电路不致影响正常解码功能。事实上对于电子耳蜗反向解码系统来说，1s中仅有500μs的时间段需要解码功能，因此在绝大多数时间内成功关闭解码电路对系统的省电有重大意义。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种电子耳蜗体外机低功耗解码电路，其特征在于，至少包括：半波检波电路、放大电路、模数转换电路、多偏置电路、连续方波检测电路和时序电路，其中，
所述半波检波电路，用于将接收到的输入信号整流，包括：整流电路、低通滤波电路，所述整流电路将整流后的输出经过所述低通滤波电路后输出给所述放大电路；
所述放大电路，用于将检波输出的信号进行滤波和放大，包括：放大器、第一电阻、第二电阻、第一二极管、第二二极管和第一电容，所述放大器的反相输入端连接第一电阻、第二电阻、第一二极管和第二二极管，所述第二电阻、第一二极管和第二二极管并联后，与第一电阻和第一电容串联，第一电容接地；
所述模数转换电路与放大电路连接，包括：施密特触发器、两个反相器，所述施密特触发器用于将滤波放大后的信号转换成数字信号，两个输入端与VIP_SCH、VIM_SCH相应连接，输出端设置为差分输出；所述两个反相器用于将施密特触发器的差分输出的数字信号相位反转180度，两个反相器的输出端VOUN、VOUTP，输出相位相反的数字信号；
所述多偏置电路与所述放大电路和时序电路连接；所述连续方波检测电路，默认输出高电平，输入端B1，输出端RST，用于对放大电路初始状态进行设置，输入端B1连续发送16MHz的方波信号swave超过64μs后，输出端RST复位置零，RST与所述时序电路的输入端相连。
2.如权利要求1所述的电子耳蜗体外机低功耗解码电路，其特征在于，所述半波检波电路中的整流电路为全波或半波整流。
3.如权利要求1所述的电子耳蜗体外机低功耗解码电路，其特征在于，所述放大电路的增益为60。
4.如权利要求1所述的电子耳蜗体外机低功耗解码电路，其特征在于，所述多偏置电路包括第一偏置电路和第二偏置电路，所述第一偏置电路输出给所述放大电路的同相输入端，所述第二偏置电路输出连接所述放大电路的第一电阻。
5.如权利要求1所述的电子耳蜗体外机低功耗解码电路，其特征在于，所述时序电路包括第一时序延时电路和第二时序延时电路，所述第一时序延时电路的输入与所述连续方波检测电路的输出连接、输出与所述第二时序延时电路的输入连接；所述第二时序延时电路的输入还与所述多偏置电路的输出连接、输出与所述模数转换电路的控制端连接。
6.如权利要求1所述的电子耳蜗体外机低功耗解码电路，其特征在于，还包括反相器，输入与多偏置电路连接，输出与放大电路连接。
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