CN201820313U - 兼具无线信号放大和振动信号放大的集成电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示一种兼具无线信号放大和振动信号放大的集成电路，包括集成设置的无线信号放大模块以及振动信号放大模块，该无线信号放大模块及振动信号放大模块分别包括运算放大电路模块，比较电路模块，电压参考电路，电流偏置电路以及整形驱动模块，所述运算放大电路模块将待放大的信号放大输出至比较电路模块，电压参考电路提供基准电压作为比较电路模块的另一个输入，比较电路模块的输出信号经整型驱动模块缓冲整型后输出。本实用新型集成电路具有良好的抗高频噪声和抗信号互扰特性，增大了无线遥控的接受收距离，且IC面积极小，芯片成本低。

Description

兼具无线信号放大和振动信号放大的集成电路 

技术领域

本实用新型涉及集成电路领域，尤其涉及兼具有无线信号放大和振动信号放大的集成电路。 

背景技术

如今，电动车作为一种大众交通工具风靡全国，它与自行车相比速度快，与摩托车相比它属于轻污染的环保型交通工具，所以成为全国大小城市无车上班族的首选代步工具。由于每辆电瓶车的价格也不菲，所以大都需要配备防盗报警器。此外，摩托车大部分也都具有防盗报警装置。作为摩托车、电动车和小中型物品的防盗报警装置，如图1所示，其系统主要由振动装置、无线射频接收装置、信号放大电路、单片机(MCU)和报警喇叭构成。其中，振动信号和无线射频信号前级放大处理都是由通用运算放大器324加外围电阻电容构成放大电路来实现的，如图中虚框内所示。此放大处理系统采用大量的分立器件，系统繁琐，稳定性差，生产周期长，成本较高。同时，由于分立器件特性的离散性导致系统性能一致性不好。 

由于防盗报警装置的广泛应用，市场迫切要求一种全新的集成的微信号处理IC的出现，要求其具备高集成度、高稳定性、应用系统高度简洁、成本相对低廉等特性。 

然而，由于集成两种不同频率信号的放大处理电路，有其实现难点所在，比如两个有效信号频率的相互干扰、高频干扰、信号太微弱和外部噪声的干扰等等，所以目前市场上还没有看到如此类似功能的集成电路(IC)。 

实用新型内容

本实用新型的目的就是全新定义设计一颗IC完成振动信号放大和无线射频信号放大，替代通用运放324加分立电阻电容器件构成的放大电路。以减少大量外围分立器件，简化应用电路，显著提高系统稳定性，减小系统功耗，降低产品成本。

为实现上述目的，本实用新型提出如下技术方案：一种兼具无线信号放大和振动信号放大的集成电路，其特征在于：该集成电路包括集成设置的无线信号放大模块以及振动信号放大模块，该无线信号放大模块及振动信号放大模块分别包括运算放大电路模块，比较电路模块，电压参考电路，电流偏置电路以及整形驱动模块，所述运算放大电路模块将待放大的信号放大输出至比较电路模块，电压参考电路提供基准电压作为比较电路模块的另一个输入，比较电路模块的输出信号经整型驱动模块缓冲整型后输出。 

其中，所述无线信号放大模块和振动信号放大模块分别具有相互独立的电压参考电路和电流偏置电路。 

所述无线信号放大模块包括第一运算放大器(OP1)电路，第一比较器(COMP1)，第一参考电压(Vref1)电路，反相器(INV1，INV2)，电流偏置电路(Ibias1)和电阻(R1，R2)。 

所述第一比较器(COMP1)是一个迟滞比较器，其上升沿和下降沿翻转点电压不同，中间存在一个电压窗口，提高系统抗噪声的能力。 

所述振动信号放大模块包括第二运算放大器(OP2)电路，第二比较器(COMP2)，第二参考电压(Vref2，Vref3)电路，反相器(INV3，INV4)，二极管(D1)，电阻(R3)和电流源(I1)。 

所述集成电路芯片的管脚包括：无线信号放大模块的输出端(OUT1)，无线信号放大模块的第一比较器的同相输入端(CP1_I+)，第一运算放大器的同相输入端(OP1_I+)及输出端(OP1_O)，工作负端电源(VSS)，振动信号放大模块的反相输入端(OP2_I-)，振动信号放大模块的输出端(OUT2)以及工作正端电源(VDD)。 

同时，本实用新型在版图(layout)布局上针对信号相互干扰方面做了相关优化设计，把无线RF放大电路和振动信号放大电路尽量分开，从距离空间上给予最大的保证；衬底(Substrate)多打接GND的接触孔(Contact)，N阱(N-WELL)尽量多打接电源VDD的接触孔(Contact)；每个模块都用单独的保护环(Gard-Ring)围起来，隔离模块间的相互干扰；最终，减小电源噪声和衬底噪声对放大电路的影响，以及屏蔽模块间的互扰。 

与现有技术相比较，本实用新型定义的具备放大两路微弱信号的信号处理芯片具有下列优点： 

1、所需外围器件极少，仅外接一个耦合电容； 

2、比分立器件系统具有更优良的抗高频噪声和抗信号互扰特性； 

3、降低了环境温度变化对系统的影响； 

4、使振动防盗报警系统稳定性得到显著提高，可以增大无线遥控的接受收距离，能正确反映有效振动报警信号； 

5、IC面积极小，芯片成本低，具有很大的市场竞争力； 

6、系统简洁稳定，易于应用推广。 

附图说明

图1为现有的防盗报警装置的电路示意图； 

图2为本实用新型兼具无线信号放大和振动信号放大的集成电路芯片的管脚示意图； 

图3为本实用新型兼具无线信号放大和振动信号放大的集成电路内部的模块示意图； 

图4为本实用新型兼具无线信号放大和振动信号放大的集成电路的版面布局示意图； 

图5为应用本实用新型的振动防盗报警系统的示意图。 

具体实施方式

本实用新型所揭示的兼具无线信号和振动信号放大的集成电路，其为全新定义一款高性能的微弱信号处理IC，能同时完成无线信号放大和振动信号放大两个功能，即放大经过超再生解调后的无线RF信号，得到标准数字信号，以便后级的专用解码芯片或MCU完成正确解码；同时又能放大振动时磁珠切割线圈产生的微弱电信号，使得后级的MCU可以检测处理。 

无线信号和振动信号的信号波形不同，无线信号经过解调后是微小幅值的方波信号，振动产生的信号是阻尼的正弦波信号。两种信号的放大处理方法有所区别。而且，两信号的频率不同，存在互相干扰的情况发生。针对于无线RF信号，其本来就具有固定的码型，即一帧码中每个周期的高低电平的宽度是固定的，这就要求无失真放大，要求放大后的高低电平宽度和接收到的信号是大致相同的，这样后级的MCU才能正确解码。

本实用新型的IC管脚定义如图2所示，芯片系统共8个管脚，可采用DIP8或SOP8封装。本实用新型IC管脚说明如下： 

图3所示是本实用新型的芯片系统框图，其包括第一运算放大器OP1， 第二运算放大器OP2，迟滞比较器COMP1，比较器COMP2，参考电压Vref1、Vref2、Vref3，电流偏置电路Ibias1、Ibias2，四个反相器INV1、INV2、INV3和INV4，二极管D1，三个电阻R1、R2、R3及电流源I1。 

无线RF信号放大模块包括第一运算放大器OP1、迟滞比较器COMP1、参考电压Vref1、电流偏置电路Ibias1、反相器INV1、INV2和两电阻R1、R2。无线信号被天线接收后送往超再生解调模块中解调，把载波频率去掉留下有效信号。信号经过耦合电容和高频滤波网络，然后送给第一运算放大器OP1进行放大处理。为了使放大电路的等效输入阻抗不影响前级低通滤波网络的相频特性，所以解调后的RF信号是送到第一运算放大器OP1的同相端OP1_I+。因为从OP1_I+端往运放里面看到的等效阻抗是无穷大，可以认为是开路，所以不影响前面的高频滤波网络。这样就更好地阻止了外部高频噪声对有效信号的影响。 

电阻R1和R2是放大比例电阻，它们的温度和电压特性要求一致，即制作它们的电阻材料要相同，这样其比值就相对恒定，系统的放大倍数就不随电压或温度变化而变化了。电阻R1、R2和第一运算放大器OP1构成闭环放大电路，放大RF信号。闭环放大的精度与第一运算放大器OP1本身的精度没有太大关系，只要符合OP1的开环增益足够大。在第一运算放大器OP1的同相输入端OP1_O和迟滞比较器COMP1的同相输入端CP1_I+端外接一个0.56uF的隔直耦合电容，此电容主要是隔离前级运算放大器与后级比较器的直流电压的相互影响，使得OP1和COMP1都能工作在良好的直流偏置点上。 

参考电压Vref1模块为迟滞比较器COMP1提供比较的基准电压，使得放大过后的信号可以进一步被放大整形成数字的高低电平。该参考电压Vref1是本实用新型关键点之一，其值的大小影响到是否是完成无失真整形，同时也决定着进一步滤除噪声的能力。在无有效信号的情况下，参考电压Vref1节点的电压比迟滞比较器COMP1的同相输入端CP1_I+端的电压要高，使得振动信号放大模块的第二运算放大器的输出端OUT2输出低电平，为了后级解码芯片更容易处理。 

反相器INV1和INV2主要是为了进一步整形信号，同时作为一个缓冲器Buffer提供大驱动。此处，INV2宽长比是INV1的三倍，即INV2等效 成三个INV1并联而成。偏置电流模块Ibias1就是给第一运算放大器OP1和迟滞比较器COMP1提供合适且精确的偏置电流，使运放和比较器能正常工作，Ibias1产生10u的镜像电流。 

振动检测放大模块是由第二运算放大器OP2、比较器COMP2、参考电压Vref2、Vref3、电流偏置电路Ibias2、反相器INV3、INV4、二极管D1、电阻R3和电流源I1构成。当系统在报警状态下被触发，即由于弹簧伸缩引起磁珠切割线圈产生微弱电信号，使得振动装置发生动作。此微弱电信号经10uF的耦合电容送给运放OP2的反相端进行放大。 

参考电压Vref2模块是为了给第二运算放大器OP2提供一个合适的直流偏置电压，使第二运算放大器OP2工作在放大区。二极管D1和电流源I1是作为限幅作用的，当信号放大后幅值大于二极管D1的导通电压时才能传到后级比较器中进行处理，这样就可以有效抑制意外微弱振动产生的信号，避免在报警状态误报。比较器COMP2同样是进行信号比较放大得到数字电平信号。参考电压Vref3的作用是提供比较器COMP2正常直流偏置，同时提供比较的参考电压。参考电压Vref3同时也决定着整个系统的灵敏度，Vref3越大灵敏度越低，反之亦然。 

偏置电流模块Ibias2就是给第二运算放大器OP2和比较器COMP2提供合适的偏置电流，使运放和比较器正常工作。反相器INV3和INV4主要是为了进一步信号整形，同时作为一个Buffer提供大的输出驱动能力。此处，INV2宽长比是INV1的三倍，这样才能提高输出驱动能力。 

本实用新型就降低无线信号与振动信号的相互干扰提出关键的解决方案。发明中设计了两套独立的电流偏置电路和三套独立电压参考电路，分别给两个放大模块提供电流和电压偏置。这样就最大限度地减少了无线信号放大与振动信号放大的相互干扰，提高芯片整体性能。 

同时，本实用新型在版图(layout)布局上针对信号相互干扰方面做了相关优化设计。如图4所示，在版图上，把无线RF放大电路和振动信号放大电路尽量分开，从距离空间上给予最大的保证。它们中间就安排放置两个相对稳定的电流源/电流偏置电路作为隔离。核心电路采用了三层保护环(Gard-Ring)隔离保护，两层地环和一层电源环，减小电源噪声和衬底噪声对放大电路的影响。 

如图5所示是应用本实用新型的振动防盗报警系统的示意图。无线RF信号收发可遥控整个系统的工作状态，处于报警与非报警状态。本实用新型作为系统中一个不可或缺的模块，主要功能为：一是放大经过超再生解调后的无线RF信号，二是放大振动时磁珠切割线圈产生的微弱电信号。RF信号和振动信号经过本实用新型IC的处理，得到标准的数字信号，给MCU处理。当系统处于报警状态时，MCU会根据OUT1和OUT2的有效报警信号给予喇叭准确工作信号，使喇叭响起报警声音。当系统处于非报警状态时，即使OUT2有有效的报警信号输出时，MCU也不会向喇叭发出工作信号。 

此外，发明可以用于其他微弱信号放大领域。比如放大红外热释电传感器的信号，放大汽车振动传感器的信号等等。 

本实用新型的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本实用新型的教示及揭示而作种种不背离本实用新型精神的替换及修饰，因此，本实用新型保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本实用新型的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。 

Claims (5)

1.一种兼具无线信号放大和振动信号放大的集成电路，其特征在于：该集成电路包括集成设置的无线信号放大模块以及振动信号放大模块，该无线信号放大模块及振动信号放大模块分别包括运算放大电路模块，比较电路模块，电压参考电路，电流偏置电路以及整形驱动模块，所述运算放大电路模块将待放大的信号放大输出至比较电路模块，电压参考电路提供基准电压作为比较电路模块的另一个输入，比较电路模块的输出信号经整型驱动模块缓冲整型后输出。

2.如权利要求1所述的兼具无线信号放大和振动信号放大的集成电路，其特征在于：所述无线信号放大模块和振动信号放大模块分别具有相互独立的电压参考电路和电流偏置电路。

3.如权利要求1所述的兼具无线信号放大和振动信号放大的集成电路，其特征在于：所述无线信号放大模块包括第一运算放大器OP1电路，第一比较器COMP1，第一参考电压Vref1电路，反相器INV1，反相器INV2，电流偏置电路Ibias1，电阻R1和电阻R2。

4.如权利要求3所述的兼具无线信号放大和振动信号放大的集成电路，其特征在于：所述第一比较器是一个上升沿和下降沿翻转点电压不同，中间存在一个电压窗口的迟滞比较器。

5.如权利要求1所述的兼具无线信号放大和振动信号放大的集成电路，其特征在于：所述振动信号放大模块包括第二运算放大器OP2电路，第二比较器COMP2，第二参考电压电路，反相器INV3，反相器INV4，二极管D1，电阻R3和电流源I1。 

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