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Die
Erfindung betrifft einen integrierten Signalverarbeitungsschaltkreis.
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In
der medizinischen Diagnostik wird häufig auf die Auswertung von
abgeleiteten oder aufgezeichneten Biosignalen zurückgegriffen.
Häufig
werden hierbei eine Mehrzahl von Biosignalen von Lebewesen abgetastet
und/oder aufgezeichnet. Diese Biosignale werden teilweise vor der
Aufzeichnung in elektrische Signale umgewandelt oder können direkt als
elektrische Signale abgegriffen werden.
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Hierzu
ist ein vom Messgerätewerk
Zwönitz hergestellter
integrierter Signalverarbeitungsschaltkreis bekannt, mittels welchem
abgeleitete Elektrokardiogramm-Sensorsignale (EKG-Sensorsignale) digitalisiert
und über
eine bidirektionale serielle Schnittstelle ausgebbar sind. Der Schaltkreis
weist einen Eingangssignalvorverstärker als erstes Verstärkungselement
mit einem bei dem Design des Signalverarbeitungsschaltkreises fest
voreingestelltem Verstärkungsfaktor,
sowie einen Hauptverstärkerblock
als zweites Verstärkungselement
mit fest voreingestelltem Verstärkungsfaktor
auf. Der integrierte Schaltkreis weist neun EKG-Signaleingänge auf,
an welchen jeweils ein mit dem festen Verstärkungsfaktor verstärktes Eingangssignal
anlegbar ist. Mittels eines Multiplexers werden die neun EKG-Signale sukzessive
an den Hauptverstärker
angelegt und mit dem fest voreingestellten Verstärkungsfaktor verstärkt. Die
von dem Hauptverstärker
verstärkten
Signale werden an einen Analog-Digital-Wandler
zur Umwandlung in ein Digitalsignal angelegt. Die mit diesem integrierten
Signalverarbeitungsschaltkreis realisierbaren Abtastraten betragen
250 Hz, 500 Hz bzw. 1000 Hz. Der Analog-Digital-Wandler weist eine Auflösung von
nur 12 Bit auf. Sämtliche
EKG-Sensorsignale werden mit einer fest voreingestellten Gesamtverstärkung mit
Verstärkungsfaktor
500 verstärkt.
Der Signalverarbeitungsschaltkreis verfügt über unterschiedliche Spannungsversorgungen
für den
analogen und den digitalen Teil. Für den analogen Teil werden ±5 V Versorgungsspannung
benötigt.
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Ferner
ist der integrierte Signalverarbeitungsschaltkreis AD7716 der Firma
Analog Devices bekannt, welcher vier Eingangskanäle aufweist. Die maximale Bandbreite
der Eingangssignale beträgt 300
Hz. Jeder der vier Eingangskanäle
dieses Signalverarbeitungsschaltkreises ist mit einem eigenen Sigma-Delta-Analog/Digital-Wandler
versehen. Die vier mittels der vier Analog-Digital-Wandler bereitgestellten
Digitalsignale werden mittels eines digitalen Tiefpassfilters gefiltert
und über
ein Ausgangs-Schieberegister ausgegeben. Der Signalverarbeitungsschaltkreis
AD7716 der Firma Analog Devices weist jedoch einen sehr hohen Rauschpegel
sowie eine für das
Erfassen von Biosignalen ungeeignete Kanalzahl auf. Auch dieser
Schaltkreis benötigt
eine Spannungsversorgung von ±5
V, was für
Batterie bzw. Akkubetriebene Anwendung ungünstig ist.
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Aus
einer Veröffentlichung
von Gerard Mc Glinchey, Poul, Schmidt-Andersen, Steve Pietkiewicz,
Richard Frank in Elektronik Heft 13, 1990, S. 90–92 mit dem Titel „Datenerfassungs-Chip
ersetzt 30 Standard-Ics" ist
weiterhin ist ein Datenerfassungs-Chip für medizinische Applikationen
bekannt. Dieser Chip umfasst einen rauscharmen Präzisionsverstärker, ein
programmierbares Switched-Capacitor-Filter, einen AD-Wandler mit
11 Bit Auflösung,
einen 7-Bit DAC sowie eine asynchrone serielle Schnittstelle. Der
Chip ist zur Erfassung von EKG-Signalen geeignet.
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Aus
der
WO 94/07212 ist
ein Schaltkreis bekannt, auf dem sich eine Mehrzahl von Kanälen aus analogen
bzw. digitalen Filtern befindet, die auf einem Halbleitersubstrat
angeordnet sind. Zur Verarbeitung bioelektrischer Signale ist die
Schaltung jedoch nicht geeignet.
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Die
herkömmlichen
Signalverarbeitungsschaltkreise lassen sich aufgrund ihrer ungünstigen Rauscheigenschaften
und ihrer Funktionalität
nicht zur Verarbeitung einer Vielzahl von unterschiedlichen Biosignalen,
die im weiteren auch als bioelektrische Signale bezeichnet werden,
verwenden.
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Insbesondere
ist die Kanalvielfalt der bekannten Schaltkreise ungeeignet. Ein
synchroner Betrieb mehrerer dieser Schaltkreise um eine höhere Kanalvielfalt
zu erreichen, ist ebenfalls nicht vorgesehen.
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Mit
den bekannten Signalverarbeitungsschaltkreisen sind die unterschiedlichen
Biosignale insbesondere aufgrund des hohen Rauschpegels nicht ausreichend
genau erfassbar um eine exakte Diagnose zu ermöglichen. Darüber hinaus
erlauben die bekannten Signalverarbeitungsschaltkreise für Biosignale
nur sehr geringe Abtastraten, welche zum Erfassen beispielsweise
von Elektromyogrammen (EMG) nicht ausreichend sind. Zudem benötigen die bekannten
Signalverarbeitungsschaltkreise die ungeeignete Spannungsversorgung
von ±5
V.
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Weiterhin
ist für
die Verarbeitung von Audiosignalen im Bereich der Telekommunikation
ein Signalverarbeitungsschaltkreis TLC32047C mit zwei Eingangskanälen und
genau einem Signalverarbeitungsblock aus (Texas InstrumentsTM, Data Acquisition Circuits – Data Conversion
and DSP Analog Interface, Data Book, S. 4-135 bis 4-137 und 4-169,
1998) bekannt. Der Signalverarbeitungsblock weist einen Eingangsverstärker, einen
Tiefpass und einen A/D-Wandler auf. Dieser Signalverarbeitungsschaltkreis
kann jedoch nur Eingangssignale von ±3 V erfassen und verarbeiten
und ist schon aus diesem Grund für
das Erfassen bioelektrischer Signale ungeeignet.
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Um
ein Erfassen sämtlicher
vom menschlichen oder tierischen Körper ableitbarer Signale zu
ermöglichen,
besteht daher der Bedarf an einem Signalverarbeitungsschaltkreis,
welcher sowohl eine sehr hohe Auflösung zum Erfassen kleiner Signalpegel
im Nanovolt-Bereich als auch sehr geringe Eigenrauscheigenschaften
aufweist und gleichzeitig die Verarbeitung von Signalen mit relativ
großem
Signalpegel im Bereich einiger 100 mV ermöglicht sowie darüber hinaus
höhere
Abtastraten ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird ein
Signalverarbeitungsschaltkreis geschaffen, welcher eine Mehrzahl, insbesondere
eine Vielzahl, von Signalverarbeitungsblöcken mit jeweils einem Signaleingang
zum Aufnehmen jeweils eines Analogsignals und einem Signalausgang
aufweist. Jeder Signalverarbeitungsblock weist eine mit dem Signaleingang
gekoppelte Verstärkereinheit
zum Verstärken
eines ihm zugeführten
Analogsignals auf. Die Verstärkereinheit
ist derart eingerichtet, dass ein bioelektrisches Signal als Analogsignal
erfassbar und verstärkbar
ist. Dies bedeutet anschaulich, dass zumindest ein Teil der ersten
Verstärkerelemente
derart eingerichtet ist, dass bioelektrische Signal mit einem Signalpegel
von einigen Nanovolt bis einigen 100 mV erfasst werden können und
auch mit einem akzeptablen Signal-/Rausch-Verhältnis verstärkt werden können. Die Verstärkereinheit
weist ferner eine variabel einstellbare Verstärkung des an dessen Eingang
jeweils anlegbaren Signals auf, wobei der Ausgang der Verstärkereinheit
mit dem Signalausgang des Signalverarbeitungsblocks gekoppelt ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass
die Verstärkereinheit
ein erstes Verstärkerelement
und ein zweites Verstärkerelement,
allgemein beliebig viele Verstärkerelemente
aufweist. Gemäß dieser
Ausgestaltung ist das erste Verstärkerelement zum Verstärken eines
ihm zugeführten
Analogsignals ausgestaltet und das mit dem ersten Verstärkerelement
gekoppelte zweite Verstärkerelement
zum Verstärken
des ihm zugeführten
Signals.
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Das
erste Verstärkerelement
ist derart eingerichtet, dass ein bioelektrisches Signal als Analogsignal
erfassbar und verstärkbar
ist.
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Das
zweite Verstärkerelement
weist eine variabel einstellbare Verstärkung des an dessen Eingang
jeweils anlegbaren Signals auf, wobei der Ausgang des zweiten Verstärkerelements
mit dem Signalausgang des Signalverarbeitungsblocks gekoppelt ist.
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Durch
die Erfindung wird den Anforderungen an die Elektronik im Bereich
der Signalverarbeitung bioelektrischer Signale, die von Anwendung
zu Anwendung sehr stark variieren, Rechnung getragen.
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Anschaulich
wurde erfindungsgemäß für die verschiedenen
Anwendungen mit den entsprechend variierenden Anforderungen an die
Signalverarbeitung erkannt, welche Anforderungen an einen Signalverarbeitungsschaltkreis
selbst in unterschiedlichen Anwendungsbereichen ähnlich sind.
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Ausgehend
von dieser Erkenntnis ist erfindungsgemäß ein in den unterschiedlichen
biomedizinischen Anwendungen einsetzbarer, kompakter Signalverarbeitungsschaltkreis
angegeben, mit dem die unterschiedlichen bioelektrischen Signale
ohne weiteres erfassbar sind und verarbeitet werden können.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass aufgrund
dieser Erfindung nur noch ein Signalverarbeitungsschaltkreis entwickelt
und getestet werden muss, der jedoch in einer Vielzahl von Anwendungen
eingesetzt werden kann.
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Somit
ist durch die Erfindung ein Signalverarbeitungsschaltkreis angegeben,
der eine erhebliche Kostenreduktion sowohl bei der Entwicklung als
auch beim Testen von komplexeren Signalverarbeitungsschaltkreisen
im Bereich der medizinischen Elektronik oder medizinischen Geräten, beispielsweise
von EEGs, EKGs, EMGs, EPs, etc. ermöglicht.
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Weiterhin
ist es durch die kompakte Ausgestaltung des Signalverarbeitungsschaltkreises
möglich,
diesen in telemedizinischen Anwendungen mit portablen medizinischen
Signalverarbeitungskomponenten, beispielsweise einem portablen EKG
oder EEG, einzusetzen.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist in der variablen Konfigurierbarkeit
des Signalverarbeitungsschaltkreises insbesondere hinsichtlich der
Verstärkung
des Signals in dem zweiten Verstärkungselement
zu sehen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung weist der Signalverarbeitungsschaltkreis
einen Multiplexer mit einer der Mehrzahl von Signalverarbeitungsblöcken entsprechenden
Anzahl von Multiplexereingängen
auf. Der Signalausgang eines jeden Signalverarbeitungsblocks ist
dabei mit jeweils einem der Multiplexereingänge gekoppelt.
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Auf
diese Weise kann eine grundsätzlich
beliebige Anzahl von Kanälen
auf einfache Weise unter Verwendung eines Multiplexers mit dem Signalverarbeitungsschaltkreis
verarbeitet werden.
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Ebenso
kann der erfindungsgemäße Schaltkreis über einen
Signalerzeugungsblock verfügen, dessen
Eingang mit einem oder mehreren Ausgängen des Signalverarbeitungsblocks
gekoppelt ist und dessen Ausgang mit mindestens einem der Eingänge des
Signalverarbeitungsblocks über
ein Schaltmittel verbunden ist.
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Weiter
verfügt
der Schaltkreis über
eine einfache Spannungsversorgung von maximal 5 V, welche den Batteriebetrieb
innerhalb mobiler Anwendungen erleichtert. Insbesondere für portable
telemedizinische Anwendungen schafft diese Weiterbildung erhebliche
Vorteile gegenüber
Geräten,
die eine Spannungsversorgung von ±5 V benötigen.
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Mit
dem Signalverarbeitungsschaltkreis nach bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung ist es möglich,
während
des Betriebs die variabel einstellbare Verstärkung des Hauptverstärkers als
zweiten Verstärkerelements,
die Abtastraten, die Anzahl der arbeitenden Kanäle und die Art der Referenzsignalerzeugung,
und deren Einfluss auf die Signalgewinnung einzustellen.
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Für kardiologische
Anwendungen sind von dem erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltkreis
zur Bestimmung von Elektrokardiogrammen sowie Langzeitelektrokardiogrammen
verwendete Signale erfassbar und verarbeitbar.
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Ferner
sind im Bereich der Neurologie und Somnologie Signale erfassbar
und weiterverarbeitbar, mittels derer die Bestimmung von
- • Elektroenzephalogrammen
(EEG),
- • evozierten
Potentialen, wie beispielsweise akustisch evozierten Potentialen
(AEP und BAEP),
- • visuell
evozierten Potentialen (VEP),
- • somatosensibel
evozierten Potentialen (SEP),
- • laserevozierten
Potentialen (LEP),
- • magnetisch
evozierten Potentialen (MEP),
- • ereigniskorrelierten
und kognitiven Potentialen (ERP, CNV, MMN), sowie
- • Elektromyogramme
(EMG),
- • Elektroneurogramme
(ENG) zur Bestimmung von Nervenleitgeschwindigkeiten, F-Wellen,
Reflexen,
- • Elektrookulogramme
(EOG),
- • Elektroretinogramme
(ERG), sowie
- • Polysomnogramme
(PSG) beispielsweise der Atmung, der Körperposition, des Blutdrucks,
der Körpertemperatur,
der Sauerstoffsättigung
des pH-Werts und der Capnographie
möglich ist.
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Ferner
sind auch Potentiale des autonomen Nervensystems erfassbar, wie
beispielsweise
- • periphere autonome Potentiale
(PAP),
- • sympathische
Hautreflexe,
- • sudomotorische
Hautreflexe, sowie
- • vasomotorische
Hautreflexe.
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Die
für ein
Ermitteln der in den einzelnen Anwendungsgebieten abgetasteten bzw.
weiterverarbeiteten Eingangssignale erforderlichen Eingangsempfindlichkeiten
des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltkreises
sind stark unterschiedlich und abhängig von dem jeweils durchzuführenden
Diagnoseverfahren. Aus diesem Grund sind erfindungsgemäß die Eingangsverstärker, d.
h. die ersten Verstärkerelemente
der Signalverarbeitungsblöcke derart
eingerichtet, dass sie die zu erfassenden bioelektrischen Signale
mit einem Signalpegel von wenigen Nanovolt bis über einige 100 mV erfassen
und verarbeiten können.
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Beispielsweise
sind zur Erfassung eines Elektrokardiogramms (EKG) Signale einer
Spannung bis zu 300 mV und einer Frequenz zwischen Gleichspannung
und 150 Hz mittels des Signalverarbeitungsblocks verarbeitbar.
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Demgegenüber lässt sich
die elektrische Aktivität
des neuronalen Netzwerks des Gehirns mittels eines Elektroenzephalogramms
(EEG) bestimmen. Hierbei wird unterschieden nach Alpha-Rhythmus, Beta-Rhythmus,
Delta- Rhythmus sowie
Theta-Rhythmus. Da beim EEG, anders als beim EKG, bei welchem Muskelaktivität erfasst
wird, Nervenaktivitäten überwacht
werden, liegen die zu erfassenden elektrischen Spannungen in einem
Bereich kleiner als 50 μV
für den
Alpha-Rhythmus und den Beta-Rhythmus sowie kleiner als 200 μV bzw. 100 μV für den Delta-Rhythmus
und den Theta-Rhythmus. Die zu erfassenden Frequenzen liegen in
einem Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 32 Hz.
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Die
mechanische Tätigkeit
der Körpermuskulatur
lässt sich,
vergleichbar dem EKG, an der Körperoberfläche mittels
Elektroden erfassen. Bei einem derartigen Elektromyogramm (EMG)
sind Signalamplituden bis zu einigen 100 μV bei einer Frequenz zwischen
5 Hz und 1000 Hz messbar.
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Mittels
eines Elektroretinogramms (ERG) lassen sich Potentialmessungen am
menschlichen und tierischen Auge durchführen. Die Potentialdifferenz
beträgt
ca. 6 mV und ist von dem erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltkreis
aufgrund der Einrichtung des jeweiligen ersten Verstärkerelements erfassbar.
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Ferner
besteht auch die Möglichkeit,
die Bewegung des Auges mittels eines Elektrookulogramms (EOG) mit
dem erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltkreis
zu erfassen. Hierbei ist eine Auflösung im Bereich von einigen
Mikrovolt mittels des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltkreises
möglich.
Die erfassten Frequenzen der Zitterbewegungen des Auges liegen im
Bereich zwischen 30 Hz und 100 Hz.
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Bei
evozierten Potentialen (EP) liegen die zu erfassenden bioelektrischen
Signale sogar bei einem Spannungspegel in einem Bereich einiger
Nanovolt. Das Frequenzspektrum der zu erfassenden Signale reicht
bei den evozierten Signalen in den oberen Kilohertz-Bereich hinein.
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Jeder
Signalverarbeitungsblock weist, wie oben beschrieben, einen zwischen
den Signaleingang und den Hauptverstärker geschalteten Eingangsverstärker auf,
mittels welchem das an den Eingang des Hauptverstärkers anlegbare
Analogsignal verstärkbar
ist, dessen Eingang mit dem Signaleingang gekoppelt ist und dessen
Ausgang mit dem Eingang des Hauptverstärkers gekoppelt ist.
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Durch
den Eingangsverstärker
ist es möglich,
den Rauschpegel des entsprechenden Signalverarbeitungsblocks zu
verringern und somit ein verbessertes Signal-/Rausch-Verhältnis zu
erreichen, wodurch es insbesondere möglich wird, selbst bioelektrische
Signale zu erfassen.
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Ferner
kann zumindest einer der Signalverarbeitungsblöcke zusätzlich einen mit dem Ausgang des
Eingangsverstärkers
gekoppelten Signalausgang und einen mit dem Eingang des Hauptverstärkers gekoppelten
Signaleingang aufweisen, mittels welchen ein von dem Signalverarbeitungsschaltkreis zu
verarbeitendes Analogsignal aus dem Signalverarbeitungsschaltkreis
herausführbar
bzw. diesem zuführbar
ist.
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Außerdem kann
zumindest einer der Signalverarbeitungsblöcke ein Schaltmittel aufweisen,
mittels welchem der mit dem Ausgang des Eingangsverstärkers gekoppelte
Signalausgang mit dem mit dem Eingang des Hauptverstärkers gekoppelten
Signaleingang koppelbar ist und optional mindestens ein weiteres
analoges Signal zur Subtraktion eingespeist werden kann.
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Der
Signalverarbeitungsschaltkreis kann ferner einen Signalverarbeitungsblock
mit fest einstellbarem Verstärkungsfaktor
aufweisen, dessen Eingang mit einem Gleichspannungseingang gekoppelt ist
und dessen Ausgang mit einem zusätzlichen
Eingang des Multiplexers gekoppelt ist.
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Ferner
kann zumindest einer der Signalverarbeitungsblöcke mindestens einen Referenzeingang
zum Aufnehmen eines dem jeweiligen Analogsignal zugeordneten Referenzsignals
aufweisen und der Eingangsverstärker
kann einen Referenzeingang aufweisen, an welchen das jeweilige Referenzsignal anlegbar
ist. Mittels der Referenzeingänge
ist es möglich,
das oder die Referenzsignale bereits vor der Verstärkung durch
die Verstärker
von dem Analogsignal zu subtrahieren und so eine verbesserte Auflösung, eine
geringere Leistungsaufnahme und einen geringeren Rauschpegel bereitzustellen,
da lediglich das nach der Subtraktion verbleibende Residuum weiterverarbeitet
werden muss. Dadurch können
höhere
Verstärkungen
und damit ein besseres Signal-/Rausch-Verhältnis erreicht werden.
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Das
Referenzsignal kann beispielsweise ein aus dem jeweiligen Eingangssignal
oder mehreren unterschiedlichen Eingangssignalen ermitteltes Prädiktionssignal
sein, mit dem das zukünftige
Eingangssignal abgeschätzt,
d. h. prognostiziert wird.
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Ferner
kann das Referenzsignal dem Gleichanteil des Eingangssignals entsprechen,
wodurch es möglich
wird, diesen zu subtrahieren und damit zu unterdrücken.
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Weiterhin
kann das Referenzsignal aus unterschiedlichen Signalen, vorzugsweise
miteinander verknüpften
Eingangssignalen gebildet werden, vorzugsweise durch Mittelwertbildung
der verschiedenen Signale.
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Das
Referenzsignal kann selbstverständlich auch
ein Signal sein, welches aus einer beliebigen Kombination der drei
oben genannten Verfahren gebildet wird.
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Eine
zum Erzeugen des Referenzsignals vorgesehene Einheit zum Erzeugen
des Referenzsignals kann als analoge Schaltung oder als digitale Schaltung
ausgestaltet sein.
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Ist
die Einheit zum Erzeugen des Referenzsignals als digitale Schaltung
ausgestaltet, so ist die digitale Schaltung derart eingerichtet,
dass das Referenzsignal mittels eines frei vorgebbaren digitalen Verfahrens
aus einem oder mehreren digitalisierten Signalen berechnet werden
kann.
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Das
Referenzsignal wird gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung über mindestens einen Digital-/Analog-Wandler
bereitgestellt.
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Daneben
kann zumindest einer der Signalverarbeitungsblöcke einen Bezugseingang aufweisen,
an welchen ein dem jeweiligen Analogsignal zugeordnetes Bezugspotential
anlegbar ist, wobei der Hauptverstärker einen Bezugseingang aufweist,
an welchen das jeweilige Bezugspotential anlegbar ist. Da jeder
Signalverarbeitungsblock einen eigenen Eingang für das Bezugspotential aufweist,
können die
Einflüsse
der Kanäle
untereinander gemindert werden, und die Eigenschaften des Bezugspotentials für jeden
Kanal auch einzeln optimiert werden. Insbesondere können durch
die einzelne Heranführung des
Bezugspotentials die nachteiligen Einflüsse der Leiterbahnwiderstände minimiert
werden. Dies ermöglicht
ebenfalls eine Verbesserung der Rauscheigenschaften und der Auflösung des
erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltkreises.
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Daneben
kann zumindest einer der Signalverarbeitungsblöcke einen zwischen den Ausgang des
Hauptverstärkers
und den Signalausgang geschalteten Analog-Digital-Wandler zum Umwandeln des
von dem Hauptverstärker
ausgegebenen Analogsignals in ein Digitalsignal aufweisen.
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Dieser
Analog-Digital-Umsetzer ist bevorzugt ein nach überabtastenden Verfahren arbeitender
Wandler (z. B. ein Sigma-Delta-Wandler),
wobei mindestens ein dem Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltetes digitales
Filter zur Reduktion der Abtastrate und Unterdrückung der höherfrequenten Signalanteile
(Dezimator) in einem der Signalblöcke vorgesehen ist, und von
einem oder mehreren Blöcken genutzt
werden kann.
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Durch
den Einsatz eines nach einem überabtastenden
Verfahren arbeitenden A/D-Wandlers wird es möglich, einen relativ einfachen
Tiefpass niedriger Ordnung und hoher Grenzfrequenz in jedem Signalverarbeitungsblock
einzusetzen.
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Der
Einsatz dieses Antialiasing-Tiefpasses wird insbesondere dadurch
erleichtert, dass aufgrund der hohen Überabtastung keine großen Zeitkonstanten
benötigt
werden und das Filter mit relativ niedriger Ordnung bereits eine
ausreichende Störungsunterdrückung bei
der halben Abtastrate bietet. Ferner kann dadurch eine größere herstellungsbedingte Streuung
der Zeitkonstante toleriert werden.
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Bevorzugt
ist zumindest einer der Signalverarbeitungsblöcke außerdem mit einem zwischen den Ausgang
des Analog-Digital-Wandlers
und den Signalausgang geschalteten Latch versehen, von welchem ein
von dem Analog-Digital-Wandler ausgegebenes Digitalsignal pufferbar
ist.
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Der
Signalverarbeitungsschaltkreis ist nach bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung in einem Halbleiter-Substrat integriert. Die in den
Signalverarbeitungsblöcken
zur Einstellung des Verstärkungsverhältnisses
der Verstärkerelemente
verwendete Spannungsteiler, welche Einheitswiderstände enthaltende,
vorzugsweise aus Einheitswiderständen
bestehende, Teilwiderstände
aufweisen, sind derart ausgebildet, dass die von den Teilwiderständen auf
dem Halbleiter-Substrat belegten Flächen im wesentlichen gleich
groß sind.
Auch und gerade dann wenn die Teilverhältnisse zur Einstellung unterschiedlicher
Verstärkungsfaktoren
umgeschaltet werden. Dadurch werden durch den Herstellungsprozess
bedingte Unterschiede der physikalischen Eigenschaften des Halbleiter-Substrats möglichst
gering gehalten.
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Die
in den Signalverarbeitungsblöcken
verwendete Transistoren des Signalverarbeitungsschaltkreises, der
nach bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung in einem Halbleiter-Substrat integriert ausgebildet
ist, sind bevorzugt jeweils in flächengleiche Teiltransistoren
derart unterteilt angeordnet, dass die jeweiligen verteilt angeordneten
Teiltransistoren aller Transistoren denselben Flächenschwerpunkt ausweisen.
Hierdurch werden ebenfalls Unterschiede der physikalischen Eigenschaften
des Halbleitersubstrats ausgeglichen. Diese Methode der sogenannten
Common-Centroid Anordnung von Transistoren wurde derart verfeinert,
dass für
eine gerade Vielzahl von Transistoren neben der Bedingung des gemeinsamen
Flächenschwerpunktes auch
die Bedingung der gleichen Randbedingungen eingehalten wird und
damit Dummy-Strukturen überflüssig werden.
Dadurch wird ein geringerer Offsetfehler erreicht, was sich wiederum
positiv auf die erreichbare Eingangsverstärkung und das erreichbare Signal
zu Rauschverhältnis
auswirkt.
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Ferner
kann der Signalverarbeitungsschaltkreis einen Takt- und Steuerschaltkreis
aufweisen, von welchem die Signalverarbeitungsblöcke und der Multiplexer taktbar
sind.
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Bevorzugt
ist von dem Takt- und Steuerschaltkreis ein Synchronisationssignal
ausgebbar, mittels welchem ein Takt- und Steuerschaltkreis eines
anderen Signalverarbeitungsschaltkreises synchronisierbar ist.
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Der
Takt- und Steuerschaltkreis kann ferner einen Synchronisationseingang
aufweisen, an welchen ein Synchronisationssignal eines Takt- und Steuerschaltkreises
vorzugsweise eines anderen Signalverarbeitungsschaltkreises anlegbar
ist, und wobei der Takt- und Steuerschaltkreis mittels des Synchronisationssignals
steuerbar ist. Das Synchronisationssignal kann jedoch auch von einer
anderen, beispielsweise zentralen Synchronisationseinheit erzeugt
und bereitgestellt werden.
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Die
Synchronisierbarkeit mehrerer Signalverarbeitungsschaltkreise spielt
insbesondere bei Vielkanal-Anwendungen wie dem EEG eine besondere
Rolle.
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Bei
einigen Anwendungen werden weit über 200
Kanäle
parallel geschaltet (typischerweise 32 Kanäle bis 64 Kanäle). Durch
die Synchronität
der einzelnen Signalverarbeitungsschaltkreise liefern alle Kanäle ihren
Abtastwert zum gleichen Zeitpunkt. Weiter können aufgrund der Synchronität alle Signalverarbeitungsschaltkreise
in einem einfachen Verfahren hintereinander ausgelesen werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einheit zur Datenreduktion
vorgesehen.
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand bevorzugter
Ausführungsformen
näher erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltkreises,
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2 eine
schematische Ansicht eines der Signalverarbeitungsblöcke des
Signalverarbeitungsschaltkreises nach 1,
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3 ein
schematisches Blockschaltbild einer anderen bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltkreises,
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4a eine
schematische Ansicht eines mehrere Teilwiderstände aufweisenden herkömmlichen
Spannungsteilers,
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4b ein
schematisches Schaltbild eines mehrere Teilwiderstände aufweisenden
Spannungsteilers, wie er mit dem erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltkreis
verwendet wird, in einem ersten Spannungsteilungszustand,
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4c ein
schematisches Schaltbild des mehrere Einzelwiderstände aufweisenden
Spannungsteilers aus 4b, in einem zweiten Spannungsteilungszustand,
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5a eine
schematische Ansicht zweier herkömmlich
ausgebildeter Transistoren,
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5b eine
schematische Ansicht zweier rauschoptimiert ausgebildeter Transistoren,
wie sie in dem Signalverarbeitungsschaltkreis gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet werden, und
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5c eine
schematische Ansicht eines rauschoptimierten Aufbaus von vier Einzeltransistoren,
wie sie in dem Signalverarbeitungsschaltkreis nach einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet werden.
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Wie
aus 1 ersichtlich weist ein Signalverarbeitungsschaltkreis 10 nach
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung eine Mehrzahl von Signaleingängen 11 und einen
Ausgangsanschluss 12 auf. Eine Mehrzahl von Signalverarbeitungsblöcken 13 ist
jeweils mit einem der Signaleingänge 11 gekoppelt.
Jeder der Signalverarbeitungsblöcke 13 weist
einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss auf. Der Eingangsanschluss
des Signalverarbeitungsblock 13 ist mit jeweils einem der Signaleingänge 11 des
Signalverarbeitungsschaltkreises 10 gekoppelt. Der Ausgangsanschluss
des Signalverarbeitungsblocks 13 ist mit einem einer Mehrzahl
von Eingängen
eines Multiplexers 15 gekoppelt. Eine Steuerleitung 14 ist
mit jedem der Signalverarbeitungsblöcke 13 gekoppelt. Über die
Steuerleitung 14 ist der Verstärkungsfaktor eines Hauptverstärkers 17 eines
jeden der Signalverarbeitungsblöcke 13 variabel
einstellbar.
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Aus 2 ist
der Aufbau eines der Signalverarbeitungsblöcke 13 ersichtlich,
von welchen der Signalverarbeitungsschaltkreis 10 gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung eine Mehrzahl aufweist. Jeder Signalverarbeitungsblock 13 weist
neben dem Signaleingang 11 einen Referenzeingang 11a sowie
einen Bezugseingang 11b auf, an welchen ein Bezugspotential
anschließbar
ist oder welcher wahlweise mit Masse koppelbar ist. Der Signaleingang 11 und
der Referenzeingang 11a sind mit einem Eingangsverstärker 16 gekoppelt,
welcher einen fest voreingestellten Verstärkungsfaktor aufweist. Der
Signaleingang 11 ist mit dem nicht invertierenden hochohmigen
Eingangsanschluss des Eingangsverstärkers 16 gekoppelt.
Der Referenzeingang 11a ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss
des Eingangsverstärkers 16 gekoppelt.
Der Ausgang des Eingangsverstärkers 16 ist
mit einem Eingang eines Hauptverstärkers 17 mit variabel
einstellbarer Verstärkung
gekoppelt. Der Hauptverstärker 17 mit
variabel einstellbarer Verstärkung
ist mit der Steuerleitung 14 gekoppelt. Über die
Steuerleitung 14 ist die variable einstellbare Verstärkung des variabel
einstellbaren Hauptverstärkers 17 einstellbar.
Der Ausgang des variabel einstellbaren Hauptverstärkers 17 ist
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung mit einem Analog-Digital-Wandler 18 gekoppelt.
Der Ausgangsanschluss des Analog-Digital-Wandlers 18 ist
mit dem Signalausgang des Signalverarbeitungsblocks 13 gekoppelt.
Der Signalausgang des Signalverarbeitungsblocks 13 ist
an einen der Eingänge
des Multiplexers 15 angeschlossen.
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Aus 3 ist
ein Signalverarbeitungsschaltkreis 20 nach einer weiteren
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ersichtlich. Der Signalverarbeitungsschaltkreis 20 ist
als integrierter Schaltkreis ausgebildet. Eine Mehrzahl von Signalverarbeitungsblöcken 13 ist
in dem Signalverarbeitungsschaltkreis 20 vorgesehen. Jeder
der Signalverarbeitungsblöcke 13 weist
einen Signaleingangsanschluss und einen Signalausgangsanschluss
auf. An dem Eingangsanschluss jedes Signalverarbeitungsblocks 13 ist
ein Signaleingang 11, ein Referenzeingang 11a sowie ein
Bezugseingang 11b ausgebildet. Der Signaleingang 11 und
der Referenzeingang 11a sind mit einem Eingangsverstärker 16 mit
fest eingestellter Verstärkung
angeschlossen. Dabei ist der nicht invertierende Eingang des Eingangsverstärkers 16 mit
dem Signaleingang 11 gekoppelt und der invertierende Eingang
des Eingangsverstärkers 16 ist
mit dem Referenzeingang 11a gekoppelt. Der Ausgang des
Eingangsverstärkers 16 ist
mit dem Eingang eines Hauptverstärkers 17 mit
variabel einstellbarer Verstärkung
gekoppelt. Der Hauptverstärker 17 mit
variabel einstellbarer Verstärkung
ist an eine Steuerleitung 14 angeschlossen. Über die
Steuerleitung 14 ist die variabel einstellbare Verstärkung des
variabel einstellbaren Hauptverstärkers 17 einstellbar.
Der Ausgangsanschluss des variablen einstellbaren Hauptverstärkers 17 ist
mit einem Analog/Digital-Wandler 18 gekoppelt. Neben der
Mehrzahl von Signalverarbeitungsblöcken 13 und dem Multiplexer 15 weist
der Signalverarbeitungsschaltkreis 20 nach der zweiten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ferner einen zusätzlichen
Verstärkerblock
auf, welcher mit einem Gleichspannungseingang 12a und einem
Bezugseingang 12b versehen ist. Der zusätzliche Verstärkerblock 12 ist ähnlich den
Signalverarbeitungsblöcken 13 ausgebildet,
unterscheidet sich jedoch dahingehend, dass die Verstärkung des
Eingangsverstärkers 16 und
des mit diesem gekoppelten Hauptverstärkers 17 nicht variabel
einstellbar ist.
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Außerdem weist
der integrierte Signalverarbeitungsschaltkreis 20 gemäß der zweiten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ferner eine Mehrzahl von Referenzeingängen 21 auf.
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Mittels
einer Mehrzahl von weiteren Operationsverstärkern 22, 24,
welche bevorzugt nach dem gleichen Prinzip, wie die rauscharmen
Eingangsverstärker 16 ausgebildet
sind, ist eine Mehrzahl von Referenzsignalen mittels der Referenzeingänge 21 erfassbar.
Die Mehrzahl von Operationsverstärkern 22, 24 sind
derart miteinander verschaltet, dass die abgetasteten Referenzsignale
summierbar und das summierte Summensignal ausgebbar ist. Dieses summierte
Summensignal kann außerdem
gewichtet werden, z. B. mittels eines Spannungsteilers. Das gewichtete
summierte Summensignal kann bei einigen der Anwendungen, wie beispielsweise
EKG oder EEG, von den erfassten Analogsignalen, welche an den Signaleingängen 11 anliegen,
subtrahiert werden, um einem den Nutzsignalen überlagerten Gleichanteil zu
minimieren.
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Die
Referenzeingänge 21 sind
jeweils mit einem Operationsverstärker 22 und einem
mit diesem gekoppelten Widerstand 23 gekoppelt. Die Ausgänge der
Widerstände 23 sind jeweils
wahlweise an einen Eingangsanschluss eines Verstärkers 24 anschließbar, dessen
Ausgang mit einem Referenzausgang 25 gekoppelt ist. Ein
Widerstand 24a ist mit einem Eingangsanschluss des Verstärkers 24 und
dem Ausgangsanschluss des Verstärkers 24 gekoppelt. Ein
Widerstand 24b ist zwischen den Eingangsanschluss des Verstärkers 24,
mit welchem der Widerstand 24a gekoppelt ist, und einen
Referenzeingang 25b geschaltet. Ein weiterer Referenzeingang 25a ist mit
einem Eingang des Verstärkers 24 gekoppelt.
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Mittels
der Mehrzahl von Referenzeingängen 21 mit
den jeweils zugehörigen
Verstärkern 22 und Widerständen 23 sowie
dem diesen zugeordneten Verstärker 24,
an welchen die Ausgangsanschlüsse der
Widerstände 23 jeweils
wahlweise anschließbar sind
ist es möglich,
aus unterschiedlichen eingegebenen Referenzsignalen ein entsprechendes
Summenreferenzsignal zu bilden und dieses bei der Verarbeitung der
an den Signaleingängen 11 anliegenden
Analogsignale entsprechend zu berücksichtigen. Außerdem können über die
Referenzeingänge 25a und 25b weitere
Signale bei der Bildung des Summenreferenzsignals verarbeitet werden.
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Darüber hinaus
weist der integrierte Signalverarbeitungsschaltkreis 20 gemäß der zweiten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung einen Takt- und Steuerschaltkreis 26 auf.
Die Analog-Digital-Wandler 18, die Dezimatoren 18a sowie
die Latches 18b sind jeweils über entsprechende Steuerleitungen
mit dem Takt- und Steuerschaltkreis 26 gekoppelt. Von dem
Takt- und Steuerschaltkreis 26 werden die für den Betrieb
des integrierten Signalverarbeitungsschaltkreises 20 erforderlichen
Taktsignale erzeugt. Der Mehrzahl von Signalverarbeitungsblöcken 13 wird
jeweils das gleiche Taktsignal zugeführt. Die Ausgabe der verarbeiteten
digitalen Daten erfolgt über
den Datenausgang 12 des Multiplexers 15, welcher
als paralleler Datenbus ausgebildet ist. Bevorzugt weist der parallele
Datenbus eine Breite von 8 Bit auf.
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Ferner
ist der Takt- und Steuerschaltkreis 26 mit einem Synchronisationsmittel
versehen, mittels welchem die Taktsignale für mehrere integrierte Signalverarbeitungsschaltkreise 20 synchronisierbar sind.
Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Anwendungen, welche eine sehr
hohe Anzahl von einzeln erfassten Signalkanälen erfordern. Das Synchronisationsmittel
des Takt- und Steuerschaltkreises 26 kann entweder ein
Synchronisationstaktsignal von einem Takt- und Steuerschaltkreis 26 eines
anderen integrierten Steuerschaltkreises 20 empfangen,
oder ein Synchronisationstaktsignal an einen oder mehrere Takt-
und Steuerschaltkreise 26 anderer integrierter Signalverarbeitungsschaltkreise 20 anlegen.
Mittels des Takt- und
Steuerschaltkreises 26 ist es auch möglich, die Daten über den
Datenbus des integrierten Signalverarbeitungsschaltkreises 20 synchron oder
asynchron auszugeben.
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Die
bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen
verwendeten Signalverarbeitungsblöcke 13 weisen bevorzugt
rauscharme Eingangsverstärker 16 auf.
Diese rauscharmen Eingangsverstärker 16 sind
jeweils mit ihrem nicht invertierenden Eingangsanschluss mit dem
Signaleingang 11 des Signalverarbeitungsblocks gekoppelt.
Der jeweilige invertierende Eingangsanschluss des Eingangsverstärkers 16 ist
mit dem jeweiligen Referenzeingang 11a des Signalverarbeitungsblocks
gekoppelt. Der Verstärkungsfaktor
der rauscharmen Hauptverstärker
beträgt
bevorzugt 6. Um Signale mit unterschiedlichen Signalpegeln von einem
Bereich von einigen Nanovolt bis zu einigen 100 mV exakt erfassen
zu können
ist es erforderlich, die Eingangsverstärker 16 besonders
rauscharm auszubilden.
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Die
bei dem Signalverarbeitungsschaltkreis gemäß bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung verwendeten Schaltungskomponenten sind gemäß den nachfolgend
beschriebenen Verfahren ausgebildet, um eine hohe Auflösung und
einen geringen Rauschpegel zu erreichen.
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Bei
dem integrierten Signalverarbeitungsschaltkreis werden unter Berücksichtigung
der Rauschanforderungen die einzelnen Spannungsteiler aus Einheitswiderständen derart
ausgebildet, dass die von den Teilwiderständen des Spannungsteilers belegten
Flächen
auf dem Substrat in etwa gleich groß sind.
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Dadurch
ist es möglich,
durch den Herstellungsprozess des integrierten Schaltkreises bedingte Prozessschwankungen
auszugleichen. Dies führt
zu einer geringeren Toleranz der Eigenschaften der einzelnen Signalverarbeitungsblöcke und
somit zu einer höheren
Empfindlichkeit aufgrund eines geringeren Offsetfehlers jedes einzelnen
Kanals sowie der Kanäle
zueinander. Weiter wird hierdurch die Genauigkeit bei der Subtraktion
eines Referenzsignals bestimmt. Diese liegt bevorzugt bei mindestens
60 dB. Daher sollte die relative Genauigkeit von mindestens 0.1%
bei der Erstellung der Widerstände
erreicht werden.
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Aus 4a ist
ein herkömmlich
ausgebildeter Spannungsteiler 41 mit einem Teilungsverhältnis von
1:5 ersichtlich. Der herkömmlich
ausgebildete Spannungsteiler 41 ist, wie aus 4a ersichtlich, aus
sechs Einheitswiderständen
R1 ausgebildet, welche in Serie miteinander verschaltet sind. Der
Abgriffpunkt A des herkömmlich
ausgebildeten Spannungsteilers 41 ist zwischen dem Ausgangsanschluss
des ersten Einheitswiderstands der Serienschaltung von sechs Einheitswiderständen und
dem Eingangsanschluss des zweiten Einheitswiderstandes der Serienschaltung
von sechs Einheitswiderständen
ausgebildet, so dass sich ein Teilungsverhältnis von 1:5 ergibt.
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Dabei
ist der erste Teilwiderstand mit dem relativen Widerstandswert 1 von
einem einzigen Einheitswiderstand R1 gebildet. Der andere Teilwiderstand
mit einem relativen Widerstandswert von 5 ist aus fünf Einheitswiderständen R1
gebildet, welche in Serie geschaltet sind.
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Hierbei
unterliegt der einzelne Einheitswiderstand R1 des ersten Teilwiderstands
einem erheblich größeren Einfluss
durch Prozessschwankungen auf den Herstellungsprozess, als der andere Teilwiderstand,
welcher aus fünf
Einheitswiderständen
R1 gebildet ist, da die von den Teilwiderständen auf dem Substrat belegten
Flächen
sich stark unterscheiden und somit der Einfluss von Unterschieden
der technologischen Eigenschaften des Substrats auf die jeweiligen
Teilwiderstände
stark abweicht.
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Erfindungsgemäß werden
daher, wie aus den 4b und 4c ersichtlich,
der erste Teilwiderstand des Spannungsteilers 42 nach bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung beispielsweise aus vier parallel geschalteten Einheitswiderständen R1
gebildet und der zweite Teilwiderstand des Spannungsteilers aus
einer Reihenschaltung aus einem einzigen Einheitswiderstand R1 mit
vier parallel geschalteten Einheitswiderständen R1 gebildet. Es ergibt
sich dasselbe Teilungsverhältnis,
wie bei dem herkömmlich
ausgebildeten Spannungsteiler 41. Allerdings unterscheiden
sich die von den jeweiligen Teilwiderständen des Spannungsteilers 42 nach
bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung belegten Flächen
nur gering und das Flächenverhältnis beträgt 4/5.
Daher sind herstellungsbedingte Störeinflüsse auf die Toleranz des Spannungsteilers 42 minimiert.
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Außerdem ist
es mit dem Spannungsteiler 42, wie aus 4c ersichtlich,
leicht möglich,
mit einer vorgegebenen Anzahl von Einheitswiderständen R1
unterschiedliche Teilungsverhältnisse
durch Umschalten zwischen mehreren Abgriffpunkten A1, A2 in dem
Spannungsteiler 42 zu realisieren. Wie aus 4c ersichtlich
beträgt
das Teilungsverhältnis
des Spannungsteilers 42 mit dem Abgriffpunkt A2, wie aus 4c ersichtlich,
5:1 im Vergleich zu dem Teilungsverhältnis von 1:5 des Spannungsteilers 42 mit dem
Abgriffpunkt A1, wie aus 4b ersichtlich.
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Dies
kann durch Umschalten des Abgriffpunktes A1, A2 leicht erreicht
werden.
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Auch
mit dem aus 4c ersichtlichen Spannungsteiler 42 ist
ein ausgeglichenes Flächenverhältnis von
5:4 realisierbar.
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Daher
sind auch nach Umschalten des Abgriffpunktes A1, A2 des Spannungsteilers 42 die
Störeinflüsse durch
Prozessschwankungen während des
Herstellungsprozesses auf die Toleranz des Teilungsverhältnisses
des Spannungsteilers 42 minimiert, da die Flächenverhältnisse
selbst nach dem Umschalten im wesentlichen gleich geblieben sind. Geringere
Toleranz ermöglicht
höhere
Genauigkeit, geringere Offsetfehler ein höheres Signal zu Rauschverhältnis und
damit eine höhere
Auflösung.
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Ferner
sind die herstellungsbedingten Prozessgradienten, welche zu unterschiedlichen
Eigenschaften des Substrats führen,
auf welchem der integrierte Schaltkreis ausgebildet ist, auch beim
Ausbilden von in dem erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltkreis
verwendeten Transistoren zu beachten.
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Gemäß dieser
Ausgestaltung der Erfindung werden, wie aus 5a ersichtlich,
zwei Transistoren T1, T2 getrennt auf einem Substrat ausgebildet. Jeder
der beiden Transistoren T1, T2 weist dabei einen Flächenschwerpunkt
S1 bzw. S2 auf. Die Flächenschwerpunkte
S1 und S2 sind in einem Abstand zueinander angeordnet.
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Die
herstellungsbedingten Prozessgradienten werden durch Aufteilen von
mit gleichen Eigenschaften auszubildenden Transistoren in jeweils
zwei oder mehrere Teiltransistoren ausgeglichen, welche über die
Fläche
des Substrats verteilt angeordnet und miteinander elektrisch gekoppelt
sind.
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Dabei
werden die Transistoren T1 und T2, wie aus 5b ersichtlich,
beispielsweise jeweils in zwei Teiltransistoren T1 bzw. T2 unterteilt,
so dass alle Teiltransistoren T1 und T2 einen gemeinsamen Flächenschwerpunkt
S besitzen. Durch die Ausgestaltung der gleich auszubildenden Transistoren
T1 und T2 jeweils als eine Mehrzahl von Teiltransistoren T1 bzw.
T2, welche derart angeordnet sind, dass sie mit gleichwirkenden
und gleich auszubildenden Transistoren einen gemeinsamen Flächenschwerpunkt
S bilden, wie aus 5b ersichtlich, werden durch
den Herstellungsprozess bedingte unterschiedliche physikalische
Eigenschaften des Substrats, auf welchem der integrierte Signalverarbeitungsschaltkreis
ausgebildet ist, ausgeglichen.
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Es
werden alle für
einen Operationsverstärker
verwendeten Transistoren vergleichbar dem obigen Prinzip derart
in Einzeltransistoren unterteilt und so angeordnet, dass sie einen
gemeinsamen Flächenschwerpunkt
aufweisen.
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Eine
Besonderheit dieser Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass, wie
aus 5c ersichtlich, eine geradzahlige Anzahl von (gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
vier) Transistoren T1, T2, T3 und T4 eines Operationsverstärkers, welche
alle die gleiche Größe und den
gleichen Typ aufweisen, jeweils in vier Teiltransistoren T1, T2,
T3 bzw. T4, d. h. insgesamt sechzehn Teiltransistoren, unterteilt
und die jeweils einen Transistor bildenden Teiltransistoren miteinander
elektrisch gekoppelt werden.
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Die
Transistoren T1, T2, T3 und T4, welche jeweils in vier Teiltransistoren
unterteilt sind, sind derart zu einer Matrix angeordnet, dass sie
einen gemeinsamen Flächenschwerpunkt
S besitzen.
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Diese
Art der Anordnung funktioniert so für alle geradzahligen Vielfachen
von Transistoren und wird gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
für vier
und sechs Teiltransistoren auf dem Chip verwendet.
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Durch
den Herstellungsprozess bedingte Unterschiede der physikalischen
Eigenschaften des Substrats, auf welchem der integrierte Signalverarbeitungsschaltkreis
nach der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet
ist, werden dadurch ausgeglichen.
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Darüber hinaus
werden durch das Unterteilen von Einzeltransistoren in mehrere Teiltransistoren zusätzliche Strukturen überflüssig (sogenannte
Dummy-Strukturen), welche herkömmlicherweise
verwendet werden, um die unterschiedlichen Eigenschaften der über das
Substrat verteilt ausgebildeten Transistoren, für die die gleichen elektrischen
Eigenschaften angestrebt werden, auszugleichen.
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Insbesondere
bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sollen die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen
auftretenden Prozessschwankungen berücksichtigt werden. Hierzu sind
zusätzlich
die Kontaktwiderstände
an den Übergangsstellen
zwischen Polysilizium-Widerständen
und Metallisierungsebenen in großer Anzahl parallel geschaltet,
so dass die Prozessschwankungen des Herstellungsprozesses der integrierten Schaltung
die zulässigen
Toleranzgrenzen für
die Eingangsverstärker 16 nicht
verschlechtern.
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Die
rauscharmen Eingangsverstärker 16 arbeiten
als Chopperverstärker
nach dem Chopper-Prinzip.
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Um
einen Einfluss des Choppertaktes auf die abzutastenden Signale zu
vermeiden, ist der Choppertakt außerhalb des für das Abtasten
der abzutastenden Signale gewünschten
Frequenzbandes gewählt.
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Bevorzugt
ist es möglich,
den Choppertakt abzuschalten. Das am Signalausgang der rauscharmen
Eingangsverstärker 16 anliegende
Ausgangssignal ist über
zusätzlich
an dem Signalverarbeitungsschaltkreis nach den bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung vorgesehenen Signalleitungen 30a nach außen geführt und
kann extern weiterverarbeitet werden.
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Um
ein mögliches Übersprechen
zwischen den von jeweils einem Signalverarbeitungsblock 13 erfassten
Kanälen
sind jeweils die den Signaleingang 11 mit dem nicht invertierenden
und hochohmigen Eingang des Eingangsverstärkers 16 verbindende Leitung
sowie eine zugehörige,
den invertierenden Eingang des Eingangsverstärkers 16 mit dem Referenzeingang 11a verbindende Leitung
parallel nach außen
geführt,
so dass Störeinflüsse durch Übersprechen
minimiert sind.
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Die
einzelnen, extern über
die jeweiligen Leitungen 30a herausgeführten verstärkten Signale können extern
beispielsweise mittels Hochpässen weiterverarbeitet
werden. Über
Rückführleitungen 30b,
welche jeweils an den Eingang des Hauptverstärkers 17 des Signalverarbeitungsblocks 13 angeschlossen
sind, können
die extern weiterverarbeiteten Signale den Hauptverstärkern 17 zugeführt werden.
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Hierbei
ist es möglich,
beispielsweise externe Hochpässe
mit langen Zeitkonstanten für
niedrige Grenzfrequenzen einzusetzen, welche sich auf einer integrierten
Schaltung aus Platzgründen
nur schwer realisieren lassen, oder über ein Widerstandsnetzwerk
Signalanteile die nach beliebigem Verfahren, extern mittels DA-Wandlern
generiert werden vom Nutzsignal zu subtrahieren, um das Signal-/Rausch-Verhältnis weiter
zu erhöhen.
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Die
Hauptverstärker 17 weisen
eine variabel einstellbare Verstärkung
auf.
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Beispielsweise
können
die variabel einstellbaren Verstärkungsfaktoren
der Hauptverstärker 17 mittels
einem oder mehreren Teilwiderstände
unterschiedlicher Widerstandswerte aufweisende Spannungsteilern
einstellbar sein.
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Die
variablen Verstärkungsfaktoren
sind beispielsweise durch Umschalten des Teilungsverhältnisses
der aus einer Mehrzahl von Widerständen ausgebildeten Spannungsteilers
mittels Transistoren einstellbar.
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Die
Hauptverstärker 17 weisen
jeweils einen invertierenden Eingang und einen nicht invertierenden
Eingang auf. Mittels zusätzlich
vorgesehener Transistoren können
die nicht invertierenden Eingänge
der Hauptverstärker 17 an
den Bezugseingang 11b des jeweiligen Signalblocks 13 angeschlossen werden,
wodurch die Signalleitungen 30a und 30b miteinander
gekoppelt werden und somit beispielsweise extern angeschlossene
Hochpässe überbrückbar sind.
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Bevorzugt
ist dem variablen Hauptverstärker 17 ein
nicht gezeigter Tiefpass als Anti-Aliasing-Filter sowie ein nicht
gezeigter Symmetrierverstärker
nachgeschaltet. Bevorzugt weist der Tiefpass eine Grenzfrequenz
von 15 kHz auf. Der Symmetrierverstärker der einzelnen Signalverarbeitungsblöcke 13 ist
mit einer Toleranz von 1% realisiert.
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Um
die hohen Toleranzanforderungen des integrierten Signalverarbeitungsschaltkreises 20 einzuhalten
werden ein oder mehrere der für
den integrierten Signalverarbeitungsschaltkreis 20 verwendeten
Transistoren nach den oben erläuterten
Optimierungsverfahren mit im wesentlichen identischen Eigenschaften
ausgebildet.
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Als
Analog/Digital-Wandler 18 werden bevorzugt Sigma-Delta-Wandler verwendet.
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Diese
bieten den Vorteil eines großen
Dynamikbereichs (über
20 Bit) Auflösung
sowie hoher Abtastraten.
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Die
mit dem erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltkreis
verwendeten Sigma-Delta-Wandler sind zwischen einer Überabtastung
von 256 und 64 umschaltbar, d. h. mit dem 256-fachen bzw. 64-fachen der Abtastfrequenz
taktbar.
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Daraus
ergibt sich beispielsweise eine interne Taktfrequenz von 128 kHz
für eine
externe gewünschte
Abtastrate von 500 Hz bei einer Überabtastung
von 256.
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Die
Sigma-Delta-Wandler sind jeweils voll-differentiell ausgebildet,
so dass die meisten Signalstörungen
mittels einer Gleichtaktunterdrückung der
verwendeten Operationsverstärker
unterdrückbar
sind.
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An
den Ausgangsanschluss eines jeden Sigma-Delta-Wandlers des entsprechenden
Signalverarbeitungsblocks 13 ist ein Dezimator 18a angeschlossen.
Mittels des Dezimators wird der von dem Sigma-Delta-Wandler ausgegebene
Ein-Bit-Strom in ein digitales Mehrbitwort umgewandelt.
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Der
Signalverarbeitungsschaltkreis kann ferner mit Datenreduktionsmitteln
versehen sein, von welchen unter Abarbeiten eines Datenkomprimierungs-Algorithmus
eine Reduktion der von dem Multiplexer ausgegebenen Datenmenge möglich ist.
Ein derartiges Datenreduktionsmittel kann beispielsweise zwischen
den Ausgang des Multiplexers 15 und den Signalausgang des
Signalverarbeitungsschaltkreises 20 geschaltet sein oder
zwischen den Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 18 und
den Signalausgang des Signalverarbeitungsblocks 13 geschaltet
sein.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist es vorgesehen, zur Datenreduktion Signale zu generieren, die
aus den Nutzsignalen berechnet werden und wieder am Eingang des
Signalverarbeitungsschaltkreises eingespeist werden können. Dies
kann sowohl auf sehr einfachem Niveau mit der Referenzsignalerzeugung über die
Summierung von drei (zwei) Einzelsignalen erfolgen, jedoch auch
auf komplexe Weise und damit sehr effizient im digitalen Bereich, und über DA-Wandler
wieder zurückgeführt werden. Auch
das ist ein sehr effektives Mittel zur Datenreduktion.