CN113285718B - 一种传感器模拟前端电路 - Google Patents

一种传感器模拟前端电路 Download PDF

Info

Publication number
CN113285718B
CN113285718B CN202110383612.3A CN202110383612A CN113285718B CN 113285718 B CN113285718 B CN 113285718B CN 202110383612 A CN202110383612 A CN 202110383612A CN 113285718 B CN113285718 B CN 113285718B
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit
signal
switch
gain
chopping
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110383612.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113285718A (zh
Inventor
朱樟明
曹文飞
刘术彬
文奎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN202110383612.3A priority Critical patent/CN113285718B/zh
Publication of CN113285718A publication Critical patent/CN113285718A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113285718B publication Critical patent/CN113285718B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/34—Analogue value compared with reference values
    • H03M1/38—Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type
    • H03M1/46—Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type with digital/analogue converter for supplying reference values to converter
    • H03M1/462—Details of the control circuitry, e.g. of the successive approximation register
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种传感器模拟前端电路，包括增益自适应调节电路和缓冲电路，其中，所述增益自适应调节电路，连接信号输入端，用于对差分输入信号进行自适应增益调节；所述缓冲电路，连接所述增益自适应调节电路，用于对调节后的输入信号进行缓冲处理。本发明提供的传感器模拟前端电路，可以实现对输入信号的高精度获取与自适应增益调节，是一种高精度低功耗的传感器模拟前端电路。

Description

一种传感器模拟前端电路
技术领域
本发明属于模拟与数字混合集成电路技术领域，具体涉及一种传感器模拟前端电路。
背景技术
当今社会，人们对健康身体的需求日益提高，如何快捷且低成本的监测身体健康成为当下人们关注的焦点，其中不可或缺的一环便是便携式可穿戴生物医疗设备，包括对心电、肌电、脑电等各种生物电信号的测量。
基于便携式生物医疗设备使用环境和要求，高精度和低功耗始终是其核心部件-传感器模拟前端电路设计的重要内容。目前，大多模拟前端电路采用全集成的模拟电路实现反馈，使用全集成的模拟集成电路可以将元器件集中在一个集成电路板上，制作过程更加简单，方便快捷，且单块板子上功能完善，使用方便，适于使用者直接使用，且相对于非全集成的，可以相对应的降低功耗；或者是采用多比较器与峰值检测逻辑电路实现反馈，这种方法相对于全集成的模拟电路，采用了数字与模拟电路结合的设计方法，更稳定，功耗也会进一步降低。
但是，上述模拟电路实现方式，自身噪声大、控制精度差，而多比较器与峰值检测逻辑电路使用比较器数目多，会大幅牺牲功耗。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种传感器模拟前端电路。
本发明的一个实施例提供了一种传感器模拟前端电路，包括增益自适应调节电路和缓冲电路，其中，
增益自适应调节电路和缓冲电路，其中，
所述增益自适应调节电路，连接信号输入端，用于对差分输入信号进行自适应增益调节；
所述缓冲电路，连接所述增益自适应调节电路，用于对调节后的差分输入信号进行缓冲处理。
在本发明的一个实施例中，所述增益自适应调节电路包括斩波调制可变增益放大电路、逐次逼近型模数转换器、二进制码转温度计码数字逻辑转换器、反相器，其中，
所述斩波调制可变增益放大电路，连接所述信号输入端、所述缓冲电路，用于对所述差分输入信号进行自适应增益调节得到第一处理信号，并将所述第一处理信号输出至所述缓冲电路；
所述逐次逼近型模数转换器，连接所述斩波调制可变增益放大电路，用于将所述第一处理信号量化为二进制码；
所述二进制码转温度计码数字逻辑转换器，连接所述逐次逼近型模数转换器，用于将所述二进制码转化为温度计码；
所述反相器，连接所述二进制码转温度计码数字逻辑转换器、所述斩波调制可变增益放大电路，用于将所述温度计码的高低电平进行翻转得到开关控制信号，并将所述开关控制信号输出至所述斩波调制可变增益放大电路。
在本发明的一个实施例中，所述逐次逼近型模数转换器输出N位二进制码，并由所述二进制码转温度计码数字逻辑转换器将所述N位二进制码转为2N位温度计码，N为大于0的整数。
在本发明的一个实施例中，所述斩波调制可变增益放大电路包括第一斩波调制器CH1、第一偏置电路、第二偏置电路、第一开关电容阵列、第二开关电容阵列、第二斩波调制器CH2、全差分斩波调制放大电路OPA1、第一全差分放大器OPA2、第二全差分放大器OPA3、第一反馈电路、第二反馈电路，其中，
所述信号输入端与所述第一斩波调制器CH1连接，所述第一斩波调制器CH1的第一输出端、所述第一开关电容阵列、所述第一偏置电路、所述全差分斩波调制放大电路OPA1的正相输入端、所述第一全差分放大器OPA2的正相输入端、所述第二全差分放大器OPA3的正相输入端依次连接，所述第一斩波调制器CH1的第二输出端、所述第二开关电容阵列、所述第二偏置电路、所述全差分斩波调制放大电路OPA1的反相输入端、所述第一全差分放大器OPA2的反相输入端、所述第二全差分放大器OPA3的反相输入端依次连接，所述第一反馈电路跨接在所述全差分斩波调制放大器OPA1的正相输入端、所述第二全差分放大器OPA3的反相输出端之间，所述第二反馈电路跨接在所述全差分斩波调制放大电路OPA1的反相输入端、所述第二全差分放大器OPA3的正相输出端之间，所述第二全差分放大器OPA3的反相输出端与所述第一反馈电路之间、所述第二全差分放大器OPA3的正相输出端与所述第二反馈电路之间连接有所述第二斩波调制器CH2。
在本发明的一个实施例中，所述第一开关电容阵列包括2N组并联的第一电容开关电路，每组第一电容开关电路包括依次连接的一电容C、一开关Si，0≤i≤2N-1，每组第一电容开关电路中电容的另一端与所述第一斩波调制器CH1的第一输出端连接，每组第一电容开关电路中开关的另一端与所述第一偏置电路连接。
在本发明的一个实施例中，所述第二开关电容阵列包括2N组并联的第二电容开关电路，每组第二电容开关电路包括依次连接的一电容C、一开关Si，每组第二电容开关电路中电容的另一端与所述第一斩波调制器CH1的第二输出端连接，每组第二电容开关电路中开关的另一端与所述第二偏置电路连接。
在本发明的一个实施例中，所述逐次逼近型模数转换器包括自举开关、第三电容阵列、动态比较器和SAR控制逻辑器，其中，
所述自举开关，连接所述斩波调制可变增益放大电路，用于对所述第一处理信号进行采样得到采样信号；
所述第三电容阵列，连接所述自举开关，用于根据开关控制信号对所述采样信号进行更新；
所述动态比较器，连接所述第三电容阵列，用于比较参考信号、更新的采样信号得到比较结果；
所述SAR控制逻辑器，连接所述动态比较器、所述第三电容阵列、所述二进制码转温度计码数字逻辑转换器，用于根据所述比较结果量化输出二进制码，将所述二进制码输入至所述二进制码转温度计码数字逻辑转换器，并更新开关控制信号，将更新的开关控制信号输入至所述第三电容阵列。
在本发明的一个实施例中，所述第三电容阵列为差分等比例电容阵列。
在本发明的一个实施例中，所述增益自适应调节电路还包括单位增益放大电路，其中，
所述斩波调制可变增益放大电路，用于对所述差分输入信号进行自适应增益调节得到第一处理信号；
所述单位增益放大电路，连接所述斩波调制可变增益放大电路、所述缓冲电路，用于对所述第一处理信号进行单位增益放大得到第二处理信号，并将所述第二处理信号输出至所述缓冲电路；
所述逐次逼近型模数转换器，连接所述单位增益放大电路，用于将所述第二处理信号量化为二进制码。
在本发明的一个实施例中，所述逐次逼近型模数转换器中所述自举开关，连接所述单位增益放大电路，还用于对所述第二处理信号进行采样得到采样信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的传感器模拟前端电路，可以实现对输入信号的高精度获取与自适应增益调节，是一种高精度低功耗的传感器模拟前端电路。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种传感器模拟前端电路的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的传感器模拟前端电路中增益自适应调节电路的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的传感器模拟前端电路中另一种增益自适应调节电路的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的增益自适应调节电路中斩波调制可变增益放大电路的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的斩波调制可变增益放大电路中全差分斩波调制放大电路的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的增益自适应调节电路中另一种斩波调制可变增益放大电路的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的增益自适应调节电路中逐次逼近型模数转换器的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的传感器模拟前端电路中再一种增益自适应调节电路的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的传感器模拟前端电路中又一种增益自适应调节电路的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的增益自适应调节电路中单位增益放大电路的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的增益自适应调节电路中另一种逐次逼近型模数转换器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种传感器模拟前端电路的流程示意图。本实施例提出了一种传感器模拟前端电路，该传感器模拟前端电路包括：增益自适应调节电路和缓冲电路，其中，增益自适应调节电路，连接信号输入端，用于对差分输入信号进行自适应增益调节，差分输入信号包括第一差分输入信号VIN、第二差分输入信号VIP；缓冲电路，连接增益自适应调节电路，用于对调节后的差分输入信号进行缓冲处理。本实施例通过增益自适应调节电路自动进行增益调节，使输出信号幅度稳定，然后缓冲电路输入阻抗高、输出阻抗低，可以完整传递增益自适应调节电路输出信号同时对输出信号进行隔离保护，完整输运信号，增强带负载的能力，增加延时，防止后级噪声对输出信号产生影响。
本实施例提出的传感器模拟前端电路，可以实现对输入信号的高精度获取与自适应增益调节，是一种高精度低功耗的传感器模拟前端电路。
进一步地，本实施例增益自适应调节电路包括斩波调制可变增益放大电路、逐次逼近型模数转换器、二进制码转温度计码数字逻辑转换器、反相器。
具体而言，请参见图2，图2是本发明实施例提供的传感器模拟前端电路中增益自适应调节电路的结构示意图，本实施例增益自适应调节中：斩波调制可变增益放大电路，连接信号输入端、缓冲电路，用于对差分输入信号进行自适应增益调节得到第一处理信号，第一处理信号包括第一差分输出信号VON、第二差分输出信号VOP，并将第一处理信号输出至缓冲电路，本实施例斩波调制可变增益放大电路在逐次逼近型模数转换器、二进制码转温度计码数字逻辑转换器和反相器控制环路的调控下，自动调节模拟前端电路差分输入信号，使输出的第一处理信号幅度稳定；逐次逼近型模数转换器，连接斩波调制可变增益放大电路，用于将第一处理信号量化为二进制码；二进制码转温度计码数字逻辑转换器，连接逐次逼近型模数转换器，用于将二进制码转化为温度计码；反相器，连接二进制码转温度计码数字逻辑转换器、斩波调制可变增益放大电路，用于将温度计码的高低电平进行翻转得到开关控制信号，并将开关控制信号输出至斩波调制可变增益放大电路，自动控制斩波调制可变增益放大电路的增益调节开关，进而完成对增益的自适应调节。其中，逐次逼近型模数转换器输出N位二进制码，并由二进制码转温度计码数字逻辑转换器将N位二进制码转为2N位温度计码，N为大于0的整数，比如二进制码000对应温度计码00000000，二进制码001对应温度计码00000001，二进制码010对应温度计码00000011，以此类推，二进制码111对应温度计码01111111。以N＝6为例，请参见图3，图3是本发明实施例提供的传感器模拟前端电路中另一种增益自适应调节电路的结构示意图。
进一步地，本实施例斩波调制可变增益放大电路包括第一斩波调制器CH1、第一偏置电路、第二偏置电路、第一开关电容阵列、第二开关电容阵列、第二斩波调制器CH2、全差分斩波调制放大电路OPA1、第一全差分放大器OPA2、第二全差分放大器OPA3、第一反馈电路、第二反馈电路。
具体而言，请参见图4，图4是本发明实施例提供的增益自适应调节电路中斩波调制可变增益放大电路的结构示意图，本实施例斩波调制可变增益放大电路中：信号输入端与第一斩波调制器CH1连接，第一斩波调制器CH1的第一输出端、第一开关电容阵列、第一偏置电路、全差分斩波调制放大电路OPA1的正相输入端、第一全差分放大器OPA2的正相输入端、第二全差分放大器OPA3的正相输入端依次连接，第一斩波调制器CH1的第二输出端、第二开关电容阵列、第二偏置电路、全差分斩波调制放大电路OPA1的反相输入端、第一全差分放大器OPA2的反相输入端、第二全差分放大器OPA3的反相输入端依次连接，第一反馈电路跨接在全差分斩波调制放大器OPA1的正相输入端、第二全差分放大器OPA3的反相输出端之间，第二反馈电路跨接在全差分斩波调制放大电路OPA1的反相输入端、第二全差分放大器OPA3的正相输出端之间，第二全差分放大器OPA3的反相输出端与第一反馈电路之间、第二全差分放大器OPA3的正相输出端与第二反馈电路之间连接有第二斩波调制器CH2。其中，第一偏置电路包括一电阻RG1，电阻RG1的一端与全差分斩波调制放大电路OPA1的正相输入端连接，电阻RG1的另一端接VCM，第二偏置电路包括一电阻RG2，电阻RG2的一端与全差分斩波调制放大电路OPA1的反相输入端连接，电阻RG2的另一端接VCM；第一反馈电路包括一电容CS1，电容CS1的一端与全差分斩波调制放大电路OPA1的正相输入端连接，电容CS1的另一端与第二斩波调制器CH2的第一输出端连接，第二反馈电路包括一电容CS2，电容CS2的一端与全差分斩波调制放大电路OPA1的反相输入端连接，电容CS2的另一端与第二斩波调制器CH2的第二输出端连接。
本实施例斩波调制可变增益放大电路采用三级闭环全差分运放结构，包括全差分斩波调制放大器OPA1、第一全差分放大器OPA2、第二全差分放大器OPA3，全差分斩波调制放大电路OPA1为一全差分斩波调制折叠共源共栅放大器，第一全差分放大器OPA2、第二全差分放大器OPA3分别为一单级放大器，请参见图5，图5是本发明实施例提供的斩波调制可变增益放大电路中全差分斩波调制放大电路的结构示意图，图5为该全差分斩波调制折叠共源共栅放大器的具体电路结构，单级放大器电路结构具体不限。
进一步地，请参见图6，图6是本发明实施例提供的增益自适应调节电路中另一种斩波调制可变增益放大电路的结构示意图，本实施例在上述图4的基础上，图4中第一开关电容阵列具体包括第一开关电容阵列包括2N组并联的第一电容开关电路，每组第一电容开关电路包括依次连接的一电容C、一开关Si，0≤i≤2N-1，每组第一电容开关电路中电容的另一端与第一斩波调制器CH1的第一输出端连接，每组第一电容开关电路中开关的另一端与第一偏置电路连接；图4中第二开关电容阵列具体包括第二开关电容阵列包括2N组并联的第二电容开关电路，每组第二电容开关电路包括依次连接的一电容C、一开关Si，每组第二电容开关电路中电容的另一端与第一斩波调制器CH1的第二输出端连接，每组第二电容开关电路中开关的另一端与第二偏置电路连接。本实施例以N＝6为例，斩波调制可变增益放大电路在逐次逼近型模数转换器、二进制码转温度计码数字逻辑转换器和反相器的调节下，可以实现64级，单步长增益为1，总增益1～64的可调范围，自动调节斩波调制可变增益放大电路的输入信号，将输出信号固定在目标可处理信号范围内。
进一步地，本实施例逐次逼近型模数转换器包括自举开关、第三电容阵列、动态比较器和SAR控制逻辑器。
具体而言，请参见图7，图7是本发明实施例提供的增益自适应调节电路中逐次逼近型模数转换器的结构示意图，本实施例逐次逼近型模数转换器中：自举开关，连接斩波调制可变增益放大电路，用于对第一处理信号进行采样得到采样信号，实现高质量采样；第三电容阵列，连接自举开关，用于根据开关控制信号对采样信号进行更新，优选地，第三电容阵列为差分等比例电容阵列；动态比较器，连接第三电容阵列，用于比较参考信号Vref、更新的采样信号得到比较结果；SAR控制逻辑器，连接动态比较器、第三电容阵列、二进制码转温度计码数字逻辑转换器，用于根据比较结果量化输出二进制码，将二进制码输入至二进制码转温度计码数字逻辑转换器，并更新开关控制信号，将更新的开关控制信号输入至第三电容阵列，SAR控制逻辑器在锁存本周期比较结果的同时控制下一周期第三电容阵列的打开/关闭操作。
进一步地，本实施例增益自适应调节电路还包括单位增益放大电路。
具体而言，请参见图8，图8是本发明实施例提供的传感器模拟前端电路中再一种增益自适应调节电路的结构示意图，本实施例在图2基础上，增益自适应调节电路还包括单位增益放大电路，整个电路结构中：斩波调制可变增益放大电路，用于对差分输入信号进行自适应增益调节得到第一处理信号；单位增益放大电路，连接斩波调制可变增益放大电路、缓冲电路，用于对第一处理信号进行单位增益放大得到第二处理信号，第二处理信号包括第三差分输出信号VON1、第四差分输出信号VOP1，并将第二处理信号输出至缓冲电路；逐次逼近型模数转换器，连接单位增益放大电路，用于将第二处理信号量化为二进制码；二进制码转温度计码数字逻辑转换器，连接逐次逼近型模数转换器，用于将二进制码转化为温度计码；反相器，连接二进制码转温度计码数字逻辑转换器、斩波调制可变增益放大电路，用于将温度计码的高低电平进行翻转得到开关控制信号，并将开关控制信号输出至斩波调制可变增益放大电路。具体图8所示的增益自适应调节电路实现原理类似图2所示的增益自适应调节电路，唯一不同的是增加了单位增益放大电路，对斩波调制可变增益放大电路输出信号进行1倍增益放大，将斩波调制可变增益放大电路输出信号进行完整输运，提供低输出阻抗，将斩波调制可变增益放大电路输出信号进行单位增益放大后输出至缓冲电路、逐次逼近型模数转换器。对应地，以N＝6为例，请参见图9，图9是本发明实施例提供的传感器模拟前端电路中又一种增益自适应调节电路的结构示意。
请参见图10，图10是本发明实施例提供的增益自适应调节电路中单位增益放大电路的结构示意图，本实施例单位增益放大电路包括电容C1、电容C2、第一偏置电路、第二偏置电路、第三全差分放大器OPA4、第四全差分放大器OPA5、第一反馈电路、第二反馈电路，电容C1、第一偏置电路、第三全差分放大器OPA4的正相输入端、第四全差分放大器OPA5的正相输入端连接，电容C2、第二偏置电路、第三全差分放大器OPA4的反相输入端、第四全差分放大器OPA5的反相输入端连接，第三全差分放大器OPA4的正相输入端与第四全差分放大器OPA5的正相输出端之间跨接第一反馈电路，第三全差分放大器OPA4的反相输入端与第四全差分放大器OPA5的反相输出端之间跨接第二反馈电路。其中，第一偏置电路、第二偏置电路、第一反馈电路、第二反馈电路采用与图6所示斩波调制可变增益放大电路中第一偏置电路、第二偏置电路、第一反馈电路、第二反馈电路相同的电路结构，在此不再赘述。
本实施例单位增益放大电路采用两级闭环全差分运放结构，包括第三全差分放大器OPA4、第四全差分放大器OPA5，第三全差分放大器OPA4、第四全差分放大器OPA5均为一单级放大器，可以采用与第一全差分放大器OPA2、第二全差分放大器OPA3相同的单级放大器电路结构，单级放大器电路结构具体不限。
进一步地，请参见图11，图11是本发明实施例提供的增益自适应调节电路中另一种逐次逼近型模数转换器的结构示意图，本实施例增加了单位增益放大电路的增益自适应调节电路中，逐次逼近型模数转换器不再连接斩波调制可变增益放大电路，而是连接单位增益放大电路，单位增益放大电路输出的第二处理信号输入至逐次逼近型模数转换器，具体：自举开关，连接单位增益放大电路，用于对第二处理信号进行采样得到采样信号；第三电容阵列，连接自举开关，用于根据开关控制信号对采样信号进行更新；动态比较器，连接第三电容阵列，用于比较参考信号、更新的采样信号得到比较结果；SAR控制逻辑器，连接动态比较器、第三电容阵列、二进制码转温度计码数字逻辑转换器，用于根据比较结果量化输出二进制码，将二进制码输入至二进制码转温度计码数字逻辑转换器，并更新开关控制信号，将更新的开关控制信号输入至第三电容阵列。
本实施例提供的传感器模拟前端电路中，斩波调制可变增益放大电路首先对差分输入信号进行斩波调制，将差分输入信号输入至斩波调制可变增益放大电路的差分输入端，以初始默认增益对差分输入信号放大并有斩波开关模块解调；单位增益放大电路将斩波调制可变增益放大电路的输出信号放大单位增益；6位逐次逼近型模数转换器将单位增益放大电路的输出信号量化为6位二进制码A5～A0；二进制码转温度计码数字逻辑转换器将6位二进制码A5～A0转换为64位温度计码T63～T0，64位温度计码输出接反相器后，反馈接回至斩波调制可变增益放大电路，并控制斩波调制可变增益放大电路增益的开关，每一位温度计码输出经反相器进行高低电平翻转后对应斩波调制可变增益放大电路中一个开关，T0温度计码输出接反相器后输出TN0，反馈至开关S0，T1温度计码输出接反相器后输出TN1，反馈至开关S1，T2温度计码输出接反相器后输出TN2，反馈至开关S2，以此类推，T62温度计码输出接反相器后输出TN62，反馈至开关S62，T63温度计码输出接反相器后输出TN63，反馈至开关S63，具体调节机理举例如下：
(1)、当差分输入信号较大时，经斩波调制可变增益放大电路和单位增益放大电路增益放大后，输入逐次逼近型模数转换器，量化输出二进制码，此时假设输出二进制码A5～A0＝1，二进制码转温度计码数字逻辑转换器将二进制码A5～A0＝1转化为温度计码：T63＝0，T62～T0＝1，反相器将温度计码输出对应转换为TN63＝1，TN62～TN0＝0，反馈至斩波调制可变增益放大电路增益控制开关，TN63对应开关S63，TN62对应开关S62，以此类推，TN61～TN0分别对应开关S61～S0，此时第一开关电容阵列、第二开关电容阵列中电容C只有1路导通，增益为C/C＝1，降低增益，完成一次对信号增益放大的自动调节，下一周期继续重复上述操作，直至模拟前端电路输出的模拟信号满足固定信号幅度范围，缓冲电路将自动调节后的模拟输出信号进行单位增益放大，输出至模数转换电路处理。
(2)、当差分输入信号较小时，经由斩波调制可变增益放大电路和单位增益放大电路增益放大后，输入至逐次逼近型模数转换器，量化输出二进制码，此时假设输出二进制码A5～A1＝0、A0＝1，二进制码转温度计码数字逻辑转换器将二进制码A5～A1＝0、A0＝1转化为温度计码：T63～T1＝0，T0＝1，反相器将温度计码输出对应转换为TN63～TN1＝1，TN0＝0，反馈至斩波调制可变增益放大电路增益控制开关，TN63对应开关S63，TN62对应开关S62，以此类推，TN61～TN0分别对应开关S61～S0，此时第一开关电容阵列、第二开关电容阵列中电容C有63路导通，增益为63C/C＝63，提升了增益，完成一次对信号增益放大的自动调节，下一周期继续重复上述操作，直至模拟前端输出的模拟信号满足固定信号幅度范围。缓冲电路将自动调节后的模拟输出信号进行单位增益放大，输出至模数转换电路处理。
本实施例缓冲电路可以采用与单位增益放大电路类似的两级闭环全差分运放结构，闭环增益设定为1。
综上所述，本实施例提出的传感器模拟前端电路，采用斩波调制技术和自适应增益调节技术，将斩波调制可变增益放大电路、低功耗逐次逼近型模数转换器、二进制码转温度计码数字逻辑转换器、缓冲电路单芯片全集成的方式，并由斩波调制可变增益放大电路、低功耗逐次逼近型模数转换器、二进制码转温度计码数字逻辑转换器、反相器完成闭环增益自适应调节，具有精度高、可配置性强的优势，同时辅助电路采用逐次逼近型模数转换器，实现了超低功耗反馈调节，降低了整体电路功耗，适用于便携式可穿戴医疗设备中。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种传感器模拟前端电路，其特征在于，包括增益自适应调节电路和缓冲电路，其中，
所述增益自适应调节电路，连接信号输入端，用于对差分输入信号进行自适应增益调节；
所述缓冲电路，连接所述增益自适应调节电路，用于对调节后的差分输入信号进行缓冲处理；
所述增益自适应调节电路包括斩波调制可变增益放大电路、逐次逼近型模数转换器、二进制码转温度计码数字逻辑转换器、反相器，其中，
所述斩波调制可变增益放大电路，连接所述信号输入端、所述缓冲电路，用于对所述差分输入信号进行自适应增益调节得到第一处理信号，并将所述第一处理信号输出至所述缓冲电路；
所述逐次逼近型模数转换器，连接所述斩波调制可变增益放大电路，用于将所述第一处理信号量化为二进制码；
所述二进制码转温度计码数字逻辑转换器，连接所述逐次逼近型模数转换器，用于将所述二进制码转化为温度计码；
所述反相器，连接所述二进制码转温度计码数字逻辑转换器、所述斩波调制可变增益放大电路，用于将所述温度计码的高低电平进行翻转得到开关控制信号，并将所述开关控制信号输出至所述斩波调制可变增益放大电路；
所述逐次逼近型模数转换器输出N位二进制码，并由所述二进制码转温度计码数字逻辑转换器将所述N位二进制码转为2N位温度计码，N为大于0的整数；
所述斩波调制可变增益放大电路包括第一斩波调制器CH1、第一偏置电路、第二偏置电路、第一开关电容阵列、第二开关电容阵列、第二斩波调制器CH2、全差分斩波调制放大电路OPA1、第一全差分放大器OPA2、第二全差分放大器OPA3、第一反馈电路、第二反馈电路，其中，
所述信号输入端与所述第一斩波调制器CH1连接，所述第一斩波调制器CH1的第一输出端、所述第一开关电容阵列、所述第一偏置电路、所述全差分斩波调制放大电路OPA1的正相输入端、所述第一全差分放大器OPA2的正相输入端、所述第二全差分放大器OPA3的正相输入端依次连接，所述第一斩波调制器CH1的第二输出端、所述第二开关电容阵列、所述第二偏置电路、所述全差分斩波调制放大电路OPA1的反相输入端、所述第一全差分放大器OPA2的反相输入端、所述第二全差分放大器OPA3的反相输入端依次连接，所述第一反馈电路跨接在所述全差分斩波调制放大器OPA1的正相输入端、所述第二全差分放大器OPA3的反相输出端之间，所述第二反馈电路跨接在所述全差分斩波调制放大电路OPA1的反相输入端、所述第二全差分放大器OPA3的正相输出端之间，所述第二全差分放大器OPA3的反相输出端与所述第一反馈电路之间、所述第二全差分放大器OPA3的正相输出端与所述第二反馈电路之间连接有所述第二斩波调制器CH2；
所述第一开关电容阵列包括2N组并联的第一电容开关电路，每组第一电容开关电路包括依次连接的一电容C、一开关Si，0≤i≤2N-1，每组第一电容开关电路中电容的另一端与所述第一斩波调制器CH1的第一输出端连接，每组第一电容开关电路中开关的另一端与所述第一偏置电路连接；
所述第二开关电容阵列包括2N组并联的第二电容开关电路，每组第二电容开关电路包括依次连接的一电容C、一开关Si，每组第二电容开关电路中电容的另一端与所述第一斩波调制器CH1的第二输出端连接，每组第二电容开关电路中开关的另一端与所述第二偏置电路连接；
所述逐次逼近型模数转换器包括自举开关、第三电容阵列、动态比较器和SAR控制逻辑器，其中，
所述自举开关，连接所述斩波调制可变增益放大电路，用于对所述第一处理信号进行采样得到采样信号；
所述第三电容阵列，连接所述自举开关，用于根据开关控制信号对所述采样信号进行更新；
所述动态比较器，连接所述第三电容阵列，用于比较参考信号、更新的采样信号得到比较结果；
所述SAR控制逻辑器，连接所述动态比较器、所述第三电容阵列、所述二进制码转温度计码数字逻辑转换器，用于根据所述比较结果量化输出二进制码，将所述二进制码输入至所述二进制码转温度计码数字逻辑转换器，并更新开关控制信号，将更新的开关控制信号输入至所述第三电容阵列；
所述第三电容阵列为差分等比例电容阵列；
所述增益自适应调节电路还包括单位增益放大电路，其中，
所述斩波调制可变增益放大电路，用于对所述差分输入信号进行自适应增益调节得到第一处理信号；
所述单位增益放大电路，连接所述斩波调制可变增益放大电路、所述缓冲电路，用于对所述第一处理信号进行单位增益放大得到第二处理信号，并将所述第二处理信号输出至所述缓冲电路；
所述逐次逼近型模数转换器，连接所述单位增益放大电路，用于将所述第二处理信号量化为二进制码；
所述逐次逼近型模数转换器中所述自举开关，连接所述单位增益放大电路，还用于对所述第二处理信号进行采样得到采样信号。
CN202110383612.3A 2021-04-09 2021-04-09 一种传感器模拟前端电路 Active CN113285718B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110383612.3A CN113285718B (zh) 2021-04-09 2021-04-09 一种传感器模拟前端电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110383612.3A CN113285718B (zh) 2021-04-09 2021-04-09 一种传感器模拟前端电路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113285718A CN113285718A (zh) 2021-08-20
CN113285718B true CN113285718B (zh) 2023-04-07

Family

ID=77276350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110383612.3A Active CN113285718B (zh) 2021-04-09 2021-04-09 一种传感器模拟前端电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113285718B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6823028B1 (en) * 2000-05-12 2004-11-23 National Semiconductor Corporation Digitally controlled automatic gain control system for use in an analog front-end of a receiver
CN201672968U (zh) * 2010-05-14 2010-12-15 成都赛腾自动化工程有限公司 用于振动传感器的自适应信号调整器
WO2015154671A1 (zh) * 2014-04-09 2015-10-15 华为技术有限公司 流水线逐次比较模数转换器的自校准方法和装置
KR101923829B1 (ko) * 2017-10-26 2018-11-29 서울대학교산학협력단 센서의 신호를 읽어 출력하는 반도체 장치
CN111803069A (zh) * 2020-08-11 2020-10-23 江苏德长医疗科技有限公司 自适应动态增益调节压力分布测量系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW481390U (en) * 2000-12-15 2002-03-21 Ind Tech Res Inst Automatic gain adjusting circuit for analog signal
TWI692112B (zh) * 2019-03-11 2020-04-21 茂達電子股份有限公司 適應性控制增益的光感測器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6823028B1 (en) * 2000-05-12 2004-11-23 National Semiconductor Corporation Digitally controlled automatic gain control system for use in an analog front-end of a receiver
CN201672968U (zh) * 2010-05-14 2010-12-15 成都赛腾自动化工程有限公司 用于振动传感器的自适应信号调整器
WO2015154671A1 (zh) * 2014-04-09 2015-10-15 华为技术有限公司 流水线逐次比较模数转换器的自校准方法和装置
KR101923829B1 (ko) * 2017-10-26 2018-11-29 서울대학교산학협력단 센서의 신호를 읽어 출력하는 반도체 장치
CN111803069A (zh) * 2020-08-11 2020-10-23 江苏德长医疗科技有限公司 自适应动态增益调节压力分布测量系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Design of AGC amplifier for CMOS Image Sensor";Guoyi Yu等;《2012 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology (RFIT)》;20130107;第34-36页 *
"低压低功耗智能传感器模拟前端设计进展";陈铖颖等;《微电子学》;20150228;第45卷(第1期);第88-93页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113285718A (zh) 2021-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. An ECG recording front-end with continuous-time level-crossing sampling
US7804432B2 (en) Integrated circuit device and electronic instrument
US8659463B2 (en) Successive approximation register analog-to-digital converter and operation method thereof
US8344930B2 (en) Successive approximation register analog-to-digital converter
CN110401449B (zh) 一种高精度sar adc结构及校准方法
CN111294051B (zh) 一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路
WO2016138806A1 (zh) 一种采用电流dac消除可变增益放大电路直流失调的方法
CN111224667B (zh) 一种用于两步单斜式模数转换器的细量化斜坡发生器
CN110113052B (zh) 模数转换器的前级驱动模块及模数转换装置
CN113271102B (zh) 流水线模数转换器
GB2401497A (en) A wideband switched-capacitor CMOS voltage comparator for a sub-ranging ADC
RU2006134464A (ru) Быстродействующий аналого-цифровой преобразователь и способ его калибровки
KR101960180B1 (ko) 연산 증폭기 이득 보상 기능을 가지는 이산-시간 적분기 회로
CN113285718B (zh) 一种传感器模拟前端电路
JP2010278952A (ja) 逐次比較型ａｄ変換回路及び半導体集積回路
CN110224701B (zh) 一种流水线结构adc
RU2009128211A (ru) Устройство для преобразования с низкими искажениями, в частности, усиления сигналов
US7817071B2 (en) Low power consumption analog-to-digital converter
US8427354B2 (en) Analog to digital converter and signal processing system
US6985030B2 (en) Differential amplifier, two-stage amplifier including the differential amplifier, and analog-to-digital converter including the differential amplifier
WO2003103141A1 (ja) 差動増幅器及び同差動増幅器を具備する２段増幅器並びに同２段増幅器を具備するアナログ／ディジタル変換器
Adimulam et al. A low power, low noise Programmable Analog Front End (PAFE) for biopotential measurements
KR20110108563A (ko) 가변 이득 증폭기를 갖는 ａｄｃ
US7405690B2 (en) Analog-to-digital converter
TWI782692B (zh) 具有預採樣的乘法數位類比轉換器以及相關的流水線類比數位轉換器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant