CN111277236A - 一种基于增益自适应调整的前端电路及动态范围提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于增益自适应调整的前端电路及动态范围提升方法，低噪声放大器将输入前端电路的生物电信号转换为差分信号并放大幅值后进入可编程增益放大器中，信号经过初始增益为0dB的可编程增益放大器后被输出至ADC；ADC对输出进行量化并转换为数字值输出至增益自调整逻辑电路；增益自调整逻辑控制改变可编程增益放大器的增益，并控制ADC再次对可编程增益放大器的输出进行量化，随后将第二次量化结果及调整后的可编程增益放大器的增益以数字码值的形式输出到后级电路中。本发明采用一个工作周期连续两次采样转换并实时调整前端增益的工作模式，在提升前端电路动态范围的同时大幅降低电路的面积，节约电路功耗，适用于植入式及可穿戴应用场景要求。

Description

一种基于增益自适应调整的前端电路及动态范围提升方法

技术领域

本发明属于低功耗集成电路技术领域，具体涉及一种基于增益自适应调整的前端电路及动态范围提升方法，涉及用于生物医疗的可穿戴及植入式系统和用于健康保健的消费类生理信号检测产品领域。

背景技术

低功耗集成电路设计技术的进步是当下医疗电子蓬勃发展的技术保证，各类可穿戴或植入式医疗电子产品以及消费类电子保健产品的种类日益增多。随着可穿戴及植入式医疗电子系统的不断发展和功能的复杂化，对于模拟前端系统也提出了高动态范围，小面积，低电压，低功耗的要求。

在应用于植入式以及可穿戴式医学生物信号检测系统的模拟前端中，随着对检测信号精度要求的提高，需要系统的动态范围不断提升。仅通过提高前端电路中模数转换器(ADC)位数来提升系统动态范围的方法受系统功耗、面积以及集成电路制造工艺的限制，不利于穿戴化及植入式的需求。通过改进ADC采样及转换模式以提升前端精度，降低功耗及面积的需求，正成为模拟前端系统中模数转换单元的主流的发展方向。

传统前端电路的ADC通常采用电容电荷再分布式的逐次逼近寄存器型(SAR)ADC结构实现模数转换。一般由采样保持电路，比较器，数模转换器以及逐次逼近逻辑电路等部分组成，通过改变数模转换器输出不断逼近输入以获得输入信号的量化值，因此ADC位数主要取决于其中数模转换器的规模。SAR-ADC在生物医疗领域内工作频率一般较低，但模数转换精度通常要求在8～10位，部分高精度应用场合会要求10～12位的转换精度。

因此传统的高精度SAR-ADC需要有规模较大的数模转换器，但数模转换器中电容阵列规模随着位数提高指数扩大，功耗及面积随之指数增长。所以，更多的文献都致力于实现降低高位数ADC的功耗或面积，并解决低功耗，低面积后存在的问题。

现有Delta-Sigma技术需要ADC工作在过采样模式下，较高的工作频率意味着较大的功耗，同时积分器的引入也会消耗额外的功耗，因此较高的功耗限制了Delta-Sigma结构的ADC在植入式及便携设备上的应用。针对SAR-ADC的功耗随位数升高而快速增加的问题，通过改进ADC的采样方式与电压逼近切换策略来降低功耗。其采用增量采样的方式加上从最低位开始的逼近策略，但这种方法在信号快速变化时无法追踪输入信号幅值，并不能有效减少电容阵列的切换功耗。在分割切换电容策略的基础上还有一种具有分辨率可调整的SAR-ADC。同时引入了非线性影响，降低了模数转换精度。在电容切换策略上进行改进以降低ADC的功耗中，在输入信号变化相对平稳时能够节省电容阵的切换功耗，但无法预测下一次输入幅值的变化，因此，当输入变化幅度较大时，会产生错误的转换结果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于增益自适应调整的前端电路及动态范围提升方法，应用于生物医疗电子产品，以提高生物医疗电子器件的性能。

本发明采用以下技术方案：

一种基于增益自适应调整的前端电路，包括低噪声放大器，低噪声放大器将输入前端电路的生物电信号转换为差分信号并放大幅值；放大后的生物信号进入可编程增益放大器中，信号经过初始增益为0dB的可编程增益放大器后被输出至ADC；ADC对输出进行量化并转换为数字值输出至增益自调整逻辑电路；增益自调整逻辑控制改变可编程增益放大器的增益，并控制ADC再次对可编程增益放大器的输出进行量化，随后将第二次量化结果及调整后的可编程增益放大器的增益以数字码值的形式输出到后级电路中。

具体的，增益自调整逻辑电路包括时钟产生逻辑，时钟控制逻辑和增益选择组合逻辑，

时钟产生逻辑包括环形振荡器与分频器，当模拟前端收到一个工作信号START时，时钟控制逻辑产生不断振荡的内部时钟CLK信号；

时钟控制逻辑包括触发器与逻辑门，选择CLK信号的前两个周期作为ADC的两次转换信号ADC_CK，并在第一次转换后选通增益选择组合逻辑；

增益选择组合逻辑通过输出信号G调整可编程增益放大器的增益。

进一步的，当使能端EN为0时，G为使可编程增益放大器的增益为1所对应的码值；

当CLK第一个周期结束后EN为1，G根据ADC第一次转换输出的码值D1调整；

当START信号为0时，时钟产生逻辑停止振荡，所有触发器Q端被复位至0，EN端复位至0并关闭使能。

具体的，低噪声放大器包括跨导放大器OTA，输入电容Cs，反馈电容Cf以及偏置伪电阻Rp；低噪声放大器的闭环增益由输入电容Cs与反馈电容Cf的比值决定，通过伪电阻Rp实现自偏置以建立直流工作点；伪电阻Rp由两个二极管接法的MOS管反向连接组成；

通过增大跨导放大器OTA的输入MOS管M1与M2的尺寸降低OTA自身所引入的噪声，通过增大闭环增益降低后级电路等效输入噪声的影响，共同实现低噪声要求。

进一步的，跨导放大器OTA为两级差分结构，MOS管级的M0为电流偏置管，M1-M4为第一级放大，M5-M8为输出级，两级之间有补偿电容与电阻；Vo1、Vo2为差分输出端，VB为偏置端，CMFB为共模反馈端提供电路的；跨导放大器OTA第一级提供有限增益的同时抑制MOS器件引入噪声影响输入信号精度，同时通过共模反馈稳定OTA，输出级反相器式连接方法实现高增益与大输出摆幅。

具体的，可编程增益放大器包括：输入电容Cs，反馈电容Cf，三个调整电容Cx1～Cx3，6个切换开关G1～G3、Gn1～Gn3、偏置电阻Rb以及跨导放大器OTA；可编程增益放大器的闭环增益大小等于与输入电容Cs并联的电容总容值除以与反馈电容Cf一侧并联的电容总容值；通过数字信号控制调整开关，可改变三个调整电容Cx1～Cx3在环路中的连接方式实现增益的调整。

进一步的，3组切换开关G1与Gn1、G2与Gn2、G3与Gn3的控制信号分别为互补信号，确保每组开关中每次仅有一个开关开启，另一个关闭；调整电容Cx1～Cx3的一侧极板分别与相应的一组开关相连，通过控制开关的开启，使每个调整电容各自与输入电容Cs或反馈电容Cf相并联。

本发明的另一个技术方案是，一种基于增益自适应调整的前端电路的动态范围提升方法，采用基于增益自适应调整的前端电路，具体为：

在ADC第一个工作周期内可编程增益放大器初始增益设置为0dB，信号经可编程增益放大器输出后进入ADC进行量化，增益自调整逻辑电路随后根据量化结果调整可编程增益放大器的增益；

在ADC第二个工作周期内，ADC对调整后的可编程增益放大器的输出再次量化，前端电路输出第二次量化结果以及调整后的可编程增益放大器的增益码值。

具体的，第一次转换具体为：

在第一次转换期间，可编程增益放大器的增益被增益自调整逻辑设置在0dB，信号被低噪声放大器放大A倍，随后进入ADC进行量化；将第一次转换结果D1输入增益自调整逻辑并调整可编程增益放大器的增益G；G为使可编程增益放大器输出摆幅不超过ADC量化范围内的增益最大值。

具体的，第二次转换具体为：

在第二次转换过程中，前端电路增益调整为A*G倍，输入经过ADC转换并最终输出D2，同时增益自调整逻输出此次转换时的增益G。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于增益自适应调整的前端电路，低噪声放大器将输入前端电路的生物电信号转换为差分信号并放大幅值；放大后的生物信号进入可编程增益放大器中，信号经过初始增益为0dB的可编程增益放大器后被输出至ADC；ADC对输出进行量化并转换为数字值输出至增益自调整逻辑电路；增益自调整逻辑控制改变可编程增益放大器的增益，并控制ADC再次对可编程增益放大器的输出进行量化，随后将第二次量化结果以及调整后的可编程增益放大器的增益以数字码值的形式输出到后级电路中，前端电路通过改变放大器增益的方式，使传统设计中低位数ADC无法量化的微弱生物信号得到量化，降低了前端电路对ADC精度的需求，进而节约了前端电路整体的面积与功耗。

进一步的，增益自调整逻辑电路由逻辑电路组成，可在前端电路的一次时钟周期内控制ADC进行两次模数转换，并在两次转换期间调整可编程增益放大器的增益；可使得前端增益根据输入信号幅值大小自适应调整。

进一步的，低噪声放大器包括两级结构的跨导放大器，反馈电容以及偏置电组，采用电容负反馈结构实现固定增益，可将百微伏级别的生物电信号放大至十毫伏至百毫伏级别。

进一步的，可编程增益放大器包括两级结构的跨导放大器，用于改变增益的逻辑互补切换开关，反馈电容阵以及偏置电组；其中反馈电容的上极板分别与不同的切换开关连接，下极板与跨导放大器的输入端连接；多组逻辑互补的切换开关一端连接反馈电容上极板，另一端分别连接可编程增益放大器的输入端或输出端；可编程增益放大器直接调整前端电路的增益。

一种基于增益自适应调整的前端电路的动态范围提升方法，在前端电路的一个工作周期中，增益自调整逻辑产生连续两个ADC工作时钟信号，使ADC对输入信号VIN进行两次采样与模数转换；在ADC第一个工作周期内可编程增益放大器初始增益设置为0dB，信号经可编程增益放大器输出后进入ADC进行量化，增益自调整逻辑电路随后根据量化结果调整可编程增益放大器的增益；在ADC第二个工作周期内，ADC对调整后的可编程增益放大器的输出再次量化，前端电路输出第二次量化结果以及调整后的可编程增益放大器的增益码值，所提出的动态范围提升方法适用于所有应用可变增益放大器驱动ADC进行量化的前端拓扑结构，可使得前端电路的动态范围突破ADC动态范围的限制，进一步提升前端电路的性能。

进一步的，第一次转换期间，可编程增益放大器的增益被增益自调整逻辑设置在0dB，信号VIN被低噪声放大器放大A倍，随后进入ADC进行量化；第一次转换结果D1输入增益自调整逻辑并调整可编程增益放大器的增益G；G选择为使可编程增益放大器输出摆幅不超过ADC量化范围内的增益最大值，通过数字逻辑调整可编程增益放大器的增益，而非模拟调整，可提升电路最终输出码值的准确性。

进一步的，在第二次转换过程中，前端电路增益调整为A*G倍，输入VIN经过ADC转换并最终输出D2，同时增益自调整逻输出此次转换时的增益G的数字码值；后级电路可根据D2、G与A的码值大小计算出生物信号幅值大小。

综上所述，本发明方法采用一个工作周期连续两次采样转换并实时调整前端增益的工作模式，与现有技术相比，在提升前端电路动态范围的同时大幅降低了电路的面积，并节约了电路的功耗，适用于植入式及可穿戴应用场景的要求。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明模拟前端电路整体结构示意图；

图2为模拟前端电路工作流程示意图；

图3为增益自调整逻辑电路结构示意图；

图4为增益自调整逻辑部分信号时序图；

图5为低噪声放大器结构示意图；

图6为跨导放大器结构示意图；

图7为可编程增益放大器的单侧结构示意图；

图8为模数转换器部分性能改进比较；

图9为本发明模拟前端动态范围提升效果图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

无论是应用于可穿戴或植入式的生物医疗电子系统中，还是消费类的健康保健类电子产品中，模拟前端电路用于检测并读出生物信号，其精度始终是前端电路系统最关注的要求。另外，低系统功耗也作为植入式与可穿戴场景下重要参考的一个性能指标。作为生物信号读取处理系统的重要组成部分，较小的系统面积有利于芯片集成多路读取通道与更复杂的数字处理功能。

传统的用于生物医疗领域的模拟前端电路中，通过提升ADC位数可提升模拟前端的动态范围，改进SAR-ADC中电容阵的切换策略可以减小因电容阵规模增大所引入额外的切换功耗。然而各种切换策略仅能在特定情况下节省功耗，同时会引入精度的下降或错误的转换结果。另外，电容阵规模随位数增长过快的问题并未得到解决，由于前端电路中SAR-ADC由前级放大器驱动，当位数提升2-4位时，为保证系统带宽不受影响，前级驱动ADC的运放输出级功耗会增大至少4-16倍，严重影响了模拟前端的整体功耗。

针对现有的模拟前端动态范围提升方法所存在的不足，本发明提出了一种新型结构的模拟前端电路。模拟前端不依赖于提高ADC位数以提升前端读取信号的动态范围，而是通过连续两次模数转换判断输入信号幅值，自适应调整前端放大器增益，通过放大输入信号以增强前端电路分辨微小信号的能力，从而提升前端系统的动态范围。由于传统结构中存在可变增益放大器，因此该前端电路不需要引入额外的放大器以实现增益自适应功能，同时由于不需要提高ADC的位数，因此大幅节约了前端电路整体的功耗与面积。

请参阅图1，本发明一种基于增益自适应调整的前端电路，包括：

低噪声放大器，可编程增益放大器，ADC和增益自调整逻辑电路，增益自调整逻辑电路用于接收时钟信号和增益输出并发送至可编程增益放大器和ADC，输入信号依次经低噪声放大器、可编程增益放大器和ADC后分为增益输出和数字输出。

低噪声放大器是前端电路最先处理生物信号的模块，将百微伏级别的生物电信号放大至十毫伏至百毫伏级别，低噪声放大器包含两级运放结构，采用电容负反馈实现固定增益。

可编程增益放大器采用电容负反馈结构，包含反馈环路上的开关；根据输入的数字逻辑改变增益，并将低噪声放大器的输出进一步放大至适合ADC量化的幅值范围内。

ADC采用8位电荷再分布式SAR-ADC结构；SAR-ADC将经过放大的生物电信号转换为对应的8位数字码值。

增益自调整逻辑电路包括数字逻辑器件；增益自调整逻辑电路在前端电路收到工作时钟信号时控制ADC进行两次模数转换，并在两次转换期间调整可编程增益放大器的控制逻辑，改变放大器增益。

低噪声放大器将输入前端电路的生物电信号转换为差分信号并放大幅值；放大后的生物信号进入可编程增益放大器中，信号经过初始增益为0dB的可编程增益放大器后被输出至ADC；ADC对输出进行量化并转换为数字值输出至增益自调整逻辑电路；增益自调整逻辑控制改变可编程增益放大器的增益，并控制ADC再次对可编程增益放大器的输出进行量化，随后将第二次量化结果及调整后的可编程增益放大器的增益以数字码值的形式输出到后级电路中。

请参阅图2，本发明基于增益自适应调整的前端电路进行动态范围提升的方法具体如下：

在前端系统一个工作周期中，增益自调整逻辑产生两个ADC工作时钟信号C1、C2，使ADC对输入信号VIN进行两次采样与模数转换；

在第一次转换期间，可编程增益放大器的增益被控制逻辑设置在0dB，此时信号仅被低噪声放大器放大A倍，随后进入ADC进行量化；但第一次转换结果D1不作为前端输出结果，而是输入增益自调整逻辑并调整可编程增益放大器的增益为G，G选择为使可编程增益放大器输出摆幅不超过ADC量化范围内的增益最大值。

在第二次转换过程中，前端电路增益调整为A*G倍，输入经过ADC转换并最终输出D2，同时控制逻辑以码值形式输出此次转换时的增益G；后级电路可根据D2、G与A的码值大小计算出生物信号幅值大小。

通过计算D2除以G的值最终恢复出实际信号幅值。因为当VIN幅值较小时会被高增益放大后量化，因此模拟前端可量化幅值更小的输入，实现模拟前端动态范围扩展。

请参阅图3，增益自调整逻辑电路的结构具体为：

增益自调整逻辑电路包括时钟产生逻辑，时钟控制逻辑和增益选择组合逻辑。

时钟产生逻辑由环形振荡器与分频器组成，当模拟前端收到一个工作信号START时，时钟控制逻辑产生不断振荡的内部时钟CLK信号。

时钟控制逻辑由触发器与逻辑门组成，选择CLK信号的前两个周期作为ADC的两次转换信号ADC_CK，并在第一次转换后选通增益选择组合逻辑。

增益选择组合逻辑通过输出信号G调整可编程增益放大器的增益。

当使能端EN为0时，G为使可编程增益放大器的增益为1所对应的码值，

当CLK第一个周期结束后EN为1，G会根据ADC第一次转换输出的码值D1作出调整。

当START信号为0时，时钟产生逻辑停止振荡，所有触发器Q端被复位至0，EN端复位至0并关闭使能。各信号时序图如图4所示。

请参阅图5，低噪声放大器的结构具体为：

放大器采用电容负反馈结构实现固定增益放大，包括跨导放大器(OTA)，输入电容Cs，反馈电容Cf以及偏置伪电阻Rp；

其中，OTA为两级差分结构，MOS管级电路结构如图6所示，M0为电流偏置管，M1-M4为第一级放大，M5-M8为输出级，两级之间有补偿电容与电阻。图6中OTA的A、B两端为输入端，Vo1、Vo2为差分输出端，VB为偏置端，CMFB为共模反馈端提供电路的。

OTA第一级主要在提供有限增益的同时抑制MOS器件引入噪声影响输入信号精度，同时通过共模反馈稳定OTA，输出级反相器式连接方法实现高增益与大输出摆幅。

低噪声放大器的闭环增益由Cs与Cf的比值决定，通过伪电阻Rp实现自偏置以建立直流工作点。Rp由两个二极管接法的MOS管反向连接组成。

通过增大OTA的输入MOS管M1与M2的尺寸降低OTA自身所引入的噪声，通过增大闭环增益降低后级电路等效输入噪声的影响，共同实现低噪声要求。

请参阅图7，可编程增益放大器的单侧示意结构包括：输入电容Cs，反馈电容Cf，三个调整电容Cx1-Cx3，6个切换开关G1-G3、Gn1-Gn3、偏置电阻Rb以及跨导放大器OTA。

放大器整体采用电容负反馈结构实现闭环放大；OTA采用图6所示的结构，Rb与图5中伪电阻Rp结构相同，提供直流工作点。

3组切换开关G1与Gn1、G2与Gn2、G3与Gn3的控制信号分别为互补信号，确保每组开关中每次仅有一个开关开启，另一个关闭。

调整电容Cx1-Cx3的一侧极板分别与相应的一组开关相连，通过控制开关的开启，可使每个调整电容各自与Cs或Cf相并联。

可编程增益放大器的闭环增益大小等于与Cs并联的电容总容值除以与Cf一侧并联的电容总容值。

通过数字信号控制调整开关，可改变Cx1-Cx3在环路中的连接方式实现增益的调整。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提及的生物前端电路通常作为医疗电子片上系统(SOC)中所集成的一部分，应用的实例包括植入式及可穿戴的人体生物信号检测芯片中；因为面积较小，可实现多组前端电路集成，提升检测精度，并可在植入人体时降低对人体的影响；由于功耗较低，可减小植入式应用发热对生物组织的影响，提升可穿戴场景下电池等电源的工作时间；本发明提及的动态范围提升方法可应用于检测生物信号或其他低速微弱幅值信号传感器前端应用环境，包括自供电式物联网传感器应用，减小ADC等器件的复杂度，提升整体系统的鲁棒性及工作寿命。

本发明提出的前端电路通过增益自调整提升动态范围，避免了传统的前端电路因提升动态范围而提高ADC位数所导致的功耗升高，面积增长过快的问题。由于采用自适应放大输入信号幅值，而非提升ADC分辨率的方式，因此不需要高位数ADC进行量化，相较于传统高位数ADC每个工作周期转换一次的模式，本发明采用低位数ADC每个周期转换两次的工作模式。相同条件下，本发明中8位ADC可达到传统结构中12位ADC的动态范围，如图8所示，尽管因工作两次会产生额外的逻辑功耗与比较功耗，但因电容阵规模减小，切换功耗大幅降低，因此整体功耗降低约44％，同时也节省了约76.5％的面积。

传统结构中，当ADC输入信号幅值减小时，转换输出的信噪失真比会随之降低，本发明中输入信号幅值在一定范围内减小时会被自适应放大，等效于ADC所转换的信号幅值在一定范围内不会明显降低，因此实现动态范围扩展，如图9所示。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于增益自适应调整的前端电路，其特征在于，包括低噪声放大器，低噪声放大器将输入前端电路的生物电信号转换为差分信号并放大幅值；放大后的生物信号进入可编程增益放大器中，信号经过初始增益为0dB的可编程增益放大器后被输出至ADC；ADC对输出进行量化并转换为数字值输出至增益自调整逻辑电路；增益自调整逻辑控制改变可编程增益放大器的增益，并控制ADC再次对可编程增益放大器的输出进行量化，随后将第二次量化结果及调整后的可编程增益放大器的增益以数字码值的形式输出到后级电路中。

2.根据权利要求1所述的基于增益自适应调整的前端电路，其特征在于，增益自调整逻辑电路包括时钟产生逻辑，时钟控制逻辑和增益选择组合逻辑，

时钟产生逻辑包括环形振荡器与分频器，当模拟前端收到一个工作信号START时，时钟控制逻辑产生不断振荡的内部时钟CLK信号；

时钟控制逻辑包括触发器与逻辑门，选择CLK信号的前两个周期作为ADC的两次转换信号ADC_CK，并在第一次转换后选通增益选择组合逻辑；

增益选择组合逻辑通过输出信号G调整可编程增益放大器的增益。

3.根据权利要求2所述的基于增益自适应调整的前端电路，其特征在于，当使能端EN为0时，G为使可编程增益放大器的增益为1所对应的码值；

当CLK第一个周期结束后EN为1，G根据ADC第一次转换输出的码值D1调整；

当START信号为0时，时钟产生逻辑停止振荡，所有触发器Q端被复位至0，EN端复位至0并关闭使能。

4.根据权利要求1所述的基于增益自适应调整的前端电路，其特征在于，低噪声放大器包括跨导放大器OTA，输入电容Cs，反馈电容Cf以及偏置伪电阻Rp；低噪声放大器的闭环增益由输入电容Cs与反馈电容Cf的比值决定，通过伪电阻Rp实现自偏置以建立直流工作点；伪电阻Rp由两个二极管接法的MOS管反向连接组成；

通过增大跨导放大器OTA的输入MOS管M1与M2的尺寸降低OTA自身所引入的噪声，通过增大闭环增益降低后级电路等效输入噪声的影响，共同实现低噪声要求。

5.根据权利要求4所述的基于增益自适应调整的前端电路，其特征在于，跨导放大器OTA为两级差分结构，MOS管级的M0为电流偏置管，M1-M4为第一级放大，M5-M8为输出级，两级之间有补偿电容与电阻；Vo1、Vo2为差分输出端，VB为偏置端，CMFB为共模反馈端提供电路的；跨导放大器OTA第一级提供有限增益的同时抑制MOS器件引入噪声影响输入信号精度，同时通过共模反馈稳定OTA，输出级反相器式连接方法实现高增益与大输出摆幅。

6.根据权利要求1所述的基于增益自适应调整的前端电路，其特征在于，可编程增益放大器包括：输入电容Cs，反馈电容Cf，三个调整电容Cx1～Cx3，6个切换开关G1～G3、Gn1～Gn3、偏置电阻Rb以及跨导放大器OTA；可编程增益放大器的闭环增益大小等于与输入电容Cs并联的电容总容值除以与反馈电容Cf一侧并联的电容总容值；通过数字信号控制调整开关，可改变三个调整电容Cx1～Cx3在环路中的连接方式实现增益的调整。

7.根据权利要求6所述的基于增益自适应调整的前端电路，其特征在于，3组切换开关G1与Gn1、G2与Gn2、G3与Gn3的控制信号分别为互补信号，确保每组开关中每次仅有一个开关开启，另一个关闭；调整电容Cx1～Cx3的一侧极板分别与相应的一组开关相连，通过控制开关的开启，使每个调整电容各自与输入电容Cs或反馈电容Cf相并联。

8.一种基于增益自适应调整的前端电路的动态范围提升方法，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项所述的基于增益自适应调整的前端电路，具体为：

在ADC第一个工作周期内可编程增益放大器初始增益设置为0dB，信号经可编程增益放大器输出后进入ADC进行量化，增益自调整逻辑电路随后根据量化结果调整可编程增益放大器的增益；

在ADC第二个工作周期内，ADC对调整后的可编程增益放大器的输出再次量化，前端电路输出第二次量化结果以及调整后的可编程增益放大器的增益码值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，第一次转换具体为：

在第一次转换期间，可编程增益放大器的增益被增益自调整逻辑设置在0dB，信号被低噪声放大器放大A倍，随后进入ADC进行量化；将第一次转换结果D1输入增益自调整逻辑并调整可编程增益放大器的增益G；G为使可编程增益放大器输出摆幅不超过ADC量化范围内的增益最大值。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，第二次转换具体为：

在第二次转换过程中，前端电路增益调整为A*G倍，输入经过ADC转换并最终输出D2，同时增益自调整逻输出此次转换时的增益G。

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