CN108650000B - 一种自动提高无线传输中e类放大器效率的电路及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动提高无线传输中E类放大器效率的电路及系统，其中自动提高无线传输中E类放大器效率的电路包括E类放大器、对地补偿电容矩阵和等效阻抗侦测电路，其中，E类放大器，用于无线传输中信号放大和功率输出；对地补偿电容矩阵与E类放大器相连，用于根据不同的等效电阻补偿E类放大器中的对地电容，提高放大器输出效率；等效阻抗侦测电路用于侦测由于电感耦合线圈距离变化导致的等效阻抗变化。本发明使E类放大器更接近输出的理想状态，提高E类放大器的传输效率，降低E类放大器的自身损耗，有低功耗、高效率、自动化、适应性强，易于集成等优点。

Description

一种自动提高无线传输中E类放大器效率的电路及系统
技术领域
本发明属于植入式医疗器械领域，特别涉及一种自动提高无线传输中E类放大器效率的电路及系统。
背景技术
在植入式医疗器械中电感耦合技术有广泛的使用，特别是对于传输距离不是太深的应用，比如人工耳蜗，使用该技术，能够将外部设备的信号和能量同时传输给植入体，从而使植入体内没有电池，能够极大延长植入体的使用寿命，方便患者长时间使用该类产品。
在实际应用过程中，在植入式医疗器械使用电感耦合技术的一个问题是对于发射端的功率放大器，由于病人刺激电量和皮瓣厚度不同，从接收端等效到发射端的等效阻抗是变化的，这样会严重影响发射端功率放大器的发射效率，增加功率放大器不必要的损耗。特别的，对于E类放大器，理论上只能在一种负载的情况下，将各参数调节到理想情况，实现在电流流过三极管或者MOS管时，电压尽可能接近于零，从而，减少E类放大器本身的损耗。这意味着，对于大多数情况，E类放大器并没有工作在效率比较高的情况下。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供自动提高无线传输中E类放大器效率的电路及系统，使用该电路可以在不影响体外设备和植入体正常工作的情况下，通过调节E类放大器对地电容的方式，自动调节E类放大器在不同等效阻抗下的效率，整个电路有适应性强，易于集成等优点。
为达到上述目的，本发明提供了一种自动提高无线传输中E类放大器效率的电路，至少包括：E类放大器、对地补偿电容矩阵和等效阻抗侦测电路，其中，
所述E类放大器包括开关三极管、阻流电感、发射线圈、谐振电容和对地电容，其中，
所述开关三极管与阻流电感、谐振电容和对地电容相连，输入信号通过开关方式打开关闭三极管，使放大器获得激励，从而将能量输出；
所述阻流电感与供电电压相连，用于提供相对稳定的电流，为E类放大器供能；
所述发射线圈用于通过无线发射的方式向植入体传送能量；
所述谐振电容与发射线圈组成串联谐振回路，谐振频率与输入信号相同；
所述对地电容用于调整E类放大器波形，使E类放大器工作在近似理想状态；
所述对地补偿电容矩阵，与对地电容相连，由若干个电容和开关组成，用于调整和补偿E类放大器中的电容值；
所述等效阻抗侦测电路包括幅值感应电路、检波电路、滤波电路、模数转换电路、寄存器和矩阵控制电路，其中，
所述幅值感应电路与发射线圈对心放置，用于感应发射线圈的幅值变化；
所述检波电路与幅值感应电路相连，将感应到的交流信号转化为直流信号；
所述滤波电路与检波电路相连，将检波电路输出的直流信号中的高频分量进行滤波；
所述模数转换电路与滤波电路相连，将滤波电路输出的直流信号进行模数转换；
所述寄存器与模数转换电路相连，用于保存测量后的数字信号；
所述矩阵控制电路分别与寄存器和对地补偿电容矩阵相连，根据测量的数据控制对地补偿电容矩阵中的开关，调节整个无线发射电路中的对地电容。
优选地，所述对地补偿电容矩阵中开关与电容串联后与E类放大器中的对地电容并联。
优选地，所述对地补偿电容矩阵中电容的数量为1～16个。
优选地，所述矩阵控制电路可以根据寄存器中的测量数据变化自动改变对对地补偿电容矩阵的控制信号。
优选地，所述模数转换电路的测量精度为2～18比特。
基于上述目的，本发明还提供了自动提高无线传输中E类放大器效率的电路的系统，还包括无线接收电路和信号输入模块，其中，
所述无线接收电路包括接收线圈、接收谐振电容和接收电路电阻，其中，
所述接收线圈与发射线圈对心放置，用于接收发射线圈所发出的无线信号；
所述接收谐振电容与接收线圈形成并联谐振电路，谐振频率为系统输入频率；
所述接收电路电阻与接收谐振电容并联连接，代表植入体工作时的等效阻抗；
所述信号输入模块与开关三极管相连，为系统提供输入信号。
优选地，所述接收线圈与发射线圈对心放置，两线圈之间的距离在实际工作中在1毫米到20毫米之间变化。。
优选地，所述接收电路电阻阻值为100～10K欧姆。
本发明的有益效果在于：用于提高采用电感耦合方式进行信号能量传输的植入式医疗设备的能量传输效率，使用该电路可以自动调整E类放大器的对地电容值，使E类放大器更接近输出的理想状态，提高E类放大器的传输效率，降低E类放大器的自身损耗，该电路数字化侦测等效阻抗的变化，能够自动调整E类放大器的效率，电路功耗低，易于集成，对发射电路影响小。有低功耗、高效率、自动化、适应性强，易于集成等优点。
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为本发明实施例的自动提高无线传输中E类放大器效率的电路中一具体应用实例的整体框图；
图2为本发明实施例的自动提高无线传输中E类放大器效率的系统中一具体应用实例的具体框图；
图3为本发明实施例的自动提高无线传输中E类放大器效率的系统中一具体应用实例的电路原理图；
图4为本发明实施例的自动提高无线传输中E类放大器效率的电路中一具体应用实例的不同皮瓣厚度对应信号波形比较图。
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。
参见图1-3，所示为本发明实施例的自动提高无线传输中E类放大器效率的电路10的整体框图、系统100具体框图和电路原理图，其中，
一种自动提高无线传输中E类放大器效率的电路10，至少包括：E类放大器110、对地补偿电容矩阵120和等效阻抗侦测电路130，其中，
所述E类放大器110包括开关三极管111、阻流电感112、发射线圈113、谐振电容114和对地电容115，其中，
所述开关三极管111与阻流电感112、谐振电容114和对地电容115相连，输入信号通过开关方式打开关闭三极管，使放大器获得激励，从而将能量输出；
所述阻流电感112与供电电压相连，用于提供相对稳定的电流，为E类放大器110供能；
所述发射线圈113用于通过无线发射的方式向植入体传送能量；
所述谐振电容114与发射线圈113组成串联谐振回路，谐振频率与输入信号相同；
所述对地电容115用于调整E类放大器110中V1的波形，使E类放大器110工作在近似理想状态；
所述对地补偿电容矩阵120，与对地电容115相连，由若干个电容(CG1～CGN)和开关(K1～KN)组成，用于调整和补偿E类放大器110中的电容值；
所述等效阻抗侦测电路130包括幅值感应电路131、检波电路132、滤波电路133、模数转换电路134、寄存器135和矩阵控制电路136，其中，
所述幅值感应电路131与发射线圈113对心放置，通过互感的方式感应发射线圈113的幅值变化；
所述检波电路132由二极管D1、电容C1、电容C2和电阻R1组成，与幅值感应电路131相连，将感应到的交流信号转化为直流信号；
所述滤波电路133与检波电路132相连，将检波电路132输出的直流信号中的高频分量进行滤波；
所述模数转换电路134与滤波电路133相连，将滤波电路133输出的直流信号进行模数转换；
所述寄存器135与模数转换电路134相连，用于保存测量后的数字信号；
所述矩阵控制电路136分别与寄存器135和对地补偿电容矩阵120相连，根据测量的数据控制对地补偿电容矩阵120中的开关，调节整个无线发射电路中的对地电容。
基于上述目的，参见图3，所示为自动提高无线传输中E类放大器效率的电路的系统100，还包括无线接收电路20和信号输入模块30，其中，
所述无线接收电路20包括接收线圈210、接收谐振电容220和接收电路电阻230，其中，
所述接收线圈210与发射线圈113对心放置，用于接收发射线圈113所发出的无线信号；
所述接收谐振电容220与接收线圈210形成并联谐振电路，谐振频率为系统输入频率；
所述接收电路电阻230与接收谐振电容220并联连接，代表植入体工作时的等效阻抗；
所述信号输入模块30与开关三极管111相连，为系统提供输入信号。
进一步地，所述的自动提高无线传输中E类放大器效率的电路，所述对地补偿电容矩阵120中开关与电容串联后与E类放大器110中的对地电容115并联。
进一步地，所述的自动提高无线传输中E类放大器效率的电路，所述对地补偿电容矩阵120中电容的数量为1～16个。
进一步地，所述的自动提高无线传输中E类放大器效率的电路，所述矩阵控制电路136可以根据寄存器135中的测量数据变化自动改变对对地补偿电容矩阵120的控制信号。
进一步地，所述的自动提高无线传输中E类放大器效率的电路，所述模数转换电路134的测量精度为2～18比特。
进一步地，所述的自动提高无线传输中E类放大器效率的系统，所述接收线圈210与发射线圈113对心放置，两线圈之间的距离在实际工作中在1毫米到20毫米之间变化。
进一步地，所述的自动提高无线传输中E类放大器效率的系统，所述接收电路210电阻阻值230为100～10K欧姆。
图4为本发明实施例的自动提高无线传输中E类放大器效率的电路中一具体应用实例的不同皮瓣厚度对应信号波形比较图。a代表较理想状态，b代表不理想状态，曲线1是皮瓣厚度为5毫米时E类放大器110中信号V1(标度2伏/格)，此时打开自动提高无线传输中E类放大器效率的电路。曲线2是皮瓣厚度为8毫米时E类放大器110中信号V1(标度2伏/格)，此时未打开自动提高无线传输中E类放大器效率的电路，对地电容值设置与5毫米时一致。曲线3是皮瓣厚度为8毫米时E类放大器110中信号V1(标度2伏/格)，此时打开自动提高无线传输中E类放大器效率的电路。从波形图的对比可以看到，曲线1和曲线3更接近于E类放大器工作的理想情况，即开关管打开时，V1的值非常接近0伏，而曲线2则由于皮瓣厚度改变，未工作在理想情况，从而证明本发明可以成功自动提高无线传输中E类放大器的效率。
本发明电路能够自动侦测无线耦合电路等效阻抗的变化，从而可以在不影响体外设备和植入体正常工作的情况下，通过调节E类放大器对地电容的方式，自动调节无线传输中E类放大器在不同等效阻抗下的效率，整个电路有低功耗、高效率、自动化、适应性强，易于集成等优点。
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)

1.一种自动提高无线传输中E类放大器效率的电路，其特征在于，至少包括：E类放大器、对地补偿电容矩阵和等效阻抗侦测电路，其中，
所述E类放大器包括开关三极管、阻流电感、发射线圈、谐振电容和对地电容，其中，
所述开关三极管与阻流电感、谐振电容和对地电容相连，输入信号通过开关方式打开关闭三极管，使放大器获得激励，从而将能量输出；
所述阻流电感与供电电压相连，用于提供相对稳定的电流，为E类放大器供能；
所述发射线圈用于通过无线发射的方式向植入体传送能量；
所述谐振电容与发射线圈组成串联谐振回路，谐振频率与输入信号相同；
所述对地电容用于调整E类放大器波形，使E类放大器工作在近似理想状态；
所述对地补偿电容矩阵，与对地电容相连，由若干个电容和开关组成，用于调整和补偿E类放大器中的电容值；所述对地补偿电容矩阵中开关与电容串联后与E类放大器中的对地电容并联；
所述等效阻抗侦测电路包括幅值感应电路、检波电路、滤波电路、模数转换电路、寄存器和矩阵控制电路，其中，
所述幅值感应电路与发射线圈对心放置，用于感应发射线圈的幅值变化；
所述检波电路与幅值感应电路相连，将感应到的交流信号转化为直流信号；
所述滤波电路与检波电路相连，将检波电路输出的直流信号中的高频分量进行滤波；
所述模数转换电路与滤波电路相连，将滤波电路输出的直流信号进行模数转换；
所述寄存器与模数转换电路相连，用于保存测量后的数字信号；
所述矩阵控制电路分别与寄存器和对地补偿电容矩阵相连，根据测量的数据控制对地补偿电容矩阵中的开关，调节整个无线发射电路中的对地电容；
所述矩阵控制电路可以根据寄存器中的测量数据变化自动改变对对地补偿电容矩阵的控制信号。
2.如权利要求1所述的自动提高无线传输中E类放大器效率的电路，其特征在于，所述对地补偿电容矩阵中电容的数量为1~16个。
3.如权利要求1所述的自动提高无线传输中E类放大器效率的电路，其特征在于，所述模数转换电路的测量精度为2~18比特。
4.一种采用权利要求1-3之一所述的自动提高无线传输中E类放大器效率的电路的系统，其特征在于，还包括无线接收电路和信号输入模块，其中，
所述无线接收电路包括接收线圈、接收谐振电容和接收电路电阻，其中，
所述接收线圈与发射线圈对心放置，用于接收发射线圈所发出的无线信号；
所述接收谐振电容与接收线圈形成并联谐振电路，谐振频率为系统输入频率；
所述接收电路电阻与接收谐振电容并联连接，代表植入体工作时的等效阻抗；
所述信号输入模块与开关三极管相连，为系统提供输入信号。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述接收线圈与发射线圈对心放置，两线圈之间的距离为1~20毫米。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述接收电路电阻值为100~10K欧姆。
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Application publication date: 20181012

Assignee: HANGZHOU CHENGNUO MEDICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: ZHEJIANG NUROTRON BIOTECHNOLOGY Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980007812

Denomination of invention: A Circuit and System for Automatically Improving the Efficiency of Class E Amplifiers in Wireless Transmission

Granted publication date: 20231229

License type: Common License

Record date: 20240624

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract