[發(fā)明專利]一種傳感器接口模塊

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210184384.8
• 申請(qǐng)日: 2012-06-01
• 公開（公告）號(hào): CN102694552A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄒磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 鄒磊
• 主分類號(hào): H03M1/12
• 分類號(hào): H03M1/12
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于生物醫(yī)學(xué)儀器的傳感器接口模塊。

背景技術(shù)

傳感器廣泛應(yīng)用于植入式和便攜式生物醫(yī)學(xué)儀器如腦電圖記述器（EEG）、心電圖記述器（ECG）、神經(jīng)信號(hào)記述器（NSR）；而傳感器接口模塊主要負(fù)責(zé)將傳感器探測到的微弱的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成高精度的數(shù)字信號(hào)輸出，這種接口模塊主要包括前級(jí)閉環(huán)放大器及其所連接的高精度逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（successive?approximation?ADC），其可以將上述傳感器提供輸入的微弱的模擬信號(hào)經(jīng)放大和濾波，再量化為數(shù)字信號(hào)輸出。

在生物醫(yī)學(xué)儀器應(yīng)用中傳感器接口模塊連接的輸入模擬信號(hào)電壓幅度最多只有幾個(gè)mV，而不同應(yīng)用中的輸入信號(hào)帶寬范圍為100Hz到幾KHz，如EEG為100Hz，ECG為200Hz，NSR為幾KHz。所以前級(jí)閉環(huán)放大器必須具備對(duì)微弱的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行放大的功能，以及濾除應(yīng)用中輸入信號(hào)帶寬外噪聲的濾波功能，而其后的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器也通常要求具備12位的精度來量化該信號(hào)，最終其信息可以提供給生物醫(yī)學(xué)儀器的數(shù)字信號(hào)處理或測量裝置。

在集成電路模塊中，低功耗，盡可能小的集成電路版圖面積是主要的電路設(shè)計(jì)考慮因素，也是體現(xiàn)同類產(chǎn)品競爭力的主要指標(biāo)。當(dāng)下集成電路設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入了深亞微米和納米CMOS工藝，基于以上工藝，晶體管的尺寸可以顯著縮小，但集成電容所占的片上面積仍然無法縮小，成為最占芯片面積的無源器件。

圖1所示了一種現(xiàn)有傳感器接口模塊的結(jié)構(gòu)框圖。包括前級(jí)閉環(huán)放大器、用于提供前級(jí)閉環(huán)放大器濾波的負(fù)載電容Cload、電壓跟隨器和包括傳統(tǒng)電容陣列式數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這種傳感器接口模塊中的負(fù)載電容Cload及傳統(tǒng)電容陣列式數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)中二進(jìn)制加權(quán)的電容陣列都具備相當(dāng)大的容值，將占用太大的芯片面積，因其增加的芯片成本已經(jīng)遠(yuǎn)不適用于當(dāng)下深亞微米和納米CMOS工藝實(shí)現(xiàn)；另一方面，前級(jí)閉環(huán)放大器的功耗也無法進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)電壓跟隨器更加大了功耗的需求。

傳感器接口電路中的輸入信號(hào)帶寬通常由前級(jí)閉環(huán)放大器輸出所帶負(fù)載電容來設(shè)定，考慮到12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部可以采用電容陣列式的數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，所以省去負(fù)載電容和電壓跟隨器，而復(fù)用該模數(shù)轉(zhuǎn)換電容陣列來當(dāng)做負(fù)載電容是優(yōu)化系統(tǒng)功耗和芯片面積的較好方案，但存在以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題：

（1）12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器為了保證足夠的片上集成電容匹配精度，其電容陣列的最小單位電容容值的取值區(qū)間需設(shè)為0.5-1pF，這就意味著12位二進(jìn)制加權(quán)的電容陣列會(huì)需要成百pF的片上集成電容，這仍將占用太大的版圖面積而大大增加芯片成本。

（2）12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)架中，其整個(gè)電容陣列的總?cè)葜祻?fù)用作前級(jí)運(yùn)算放大器的負(fù)載電容來實(shí)現(xiàn)前述濾波功能，但由于12位二進(jìn)制加權(quán)的電容陣列的總?cè)葜荡蟮匠砂賞F，這將把閉環(huán)放大器用來濾波的閉環(huán)帶寬局限在幾十Hz以下，低于上述生物醫(yī)學(xué)儀器所要求的輸入信號(hào)帶寬，難以用來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的傳感器接口模塊。

（3）高精度逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)架中，其輸入接12位二進(jìn)制加權(quán)的電容陣列，所以該電容陣列為輸入采樣電容，但由于該電容陣列的總?cè)葜荡蟮匠砂賞F，由此產(chǎn)生很大的RC時(shí)間常數(shù)會(huì)延長模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣穩(wěn)定時(shí)間（settling?time），導(dǎo)致產(chǎn)生采樣誤差而影響精度。

（4）考慮到低功耗的要求，逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器本身功耗已經(jīng)很低，所以如何降低前級(jí)閉環(huán)放大器的功耗成為降低傳感器接口模塊系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵。

（5）進(jìn)一步考慮在可能的超低電壓應(yīng)用中信號(hào)電壓幅度會(huì)很小，如能提供在超低電壓下能工作的傳感器接口模塊非常具有吸引力。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種適用于生物醫(yī)學(xué)儀器的傳感器接口模塊，能夠克服復(fù)用電容陣列存的技術(shù)難題，進(jìn)而顯著縮小集成電路的版圖面積，且功耗降低。

一種傳感器接口模塊，包括前級(jí)閉環(huán)放大器和與之相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

所述的前級(jí)閉環(huán)放大器接收傳感器提供輸入的模擬電壓信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大及濾波后輸出電壓放大信號(hào)；

所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收所述的電壓放大信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出高精度的量化信號(hào)（即12位數(shù)字碼）。