[發明專利]一種低噪聲弱小信號采集電路系統

在審

• 申請號: 202110621663.5
• 申請日: 2021-06-03
• 公開（公告）號: CN113285677A
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 竺紅衛;王豪杰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H03F1/32
• 分類號: H03F1/32;H03F1/26
• 代理公司: 廣東有知貓知識產權代理有限公司 44681
• 代理人: 張歡

本發明公開了一種低噪聲弱小信號采集電路系統，包括低噪聲可變增益放大電路、驅動模塊、可調有源帶通濾波網絡、開關機降噪電路、功率放大模塊以及防失真檢測電路。本發明針對弱小信號具有信號驅動能力弱、信號處理難度大、信號處理過程容易引入噪聲等缺點，采用了基于chopping技術的可變增益放大電路和防失真檢測電路來自適應地提高信號幅度(mV量級)，同時將信號與放大器噪聲的頻譜分離；采用了二階可調有源帶通濾波網絡進行有用信號與噪聲的分離，且能靈活地調整濾波網絡的帶寬和增益；此外本發明還采用了開關機降噪電路對功率放大模塊進行開關機降噪，最后整個電路系統輸出具有低噪聲、強驅動能力、具有一定電壓幅值且不失真的模擬信號。

技術領域

本發明屬于集成電路領域，具體涉及一種低噪聲弱小信號采集電路系統。

背景技術

隨著物聯網的興起以及發展，越來越多的智能設備在不同領域獲得了廣泛的應用，其中智能設備對各種信號的處理離不開傳感器，而許多傳感器的輸出信號十分微弱，以至于無法直接傳輸給信號分析電路進行分析或者驅動外設，這時候就需要對微弱信號進行放大，然而在信號采集以及處理的過程中容易引入環境噪聲和系統噪聲，這就需要引入一些特定電路結構進行處理來降低噪聲。

而隨著物聯網應用場景的不斷擴展，不同設備商的產品各項指標千差萬別，要想得到兼容性良好的系統方案，在硬件方面就要求芯片對傳感器輸出信號的采集和預處理要具有極強的可調性，即靈活可編程，以及一定的信號反饋功能。

現在的物聯網應用中許多傳感器的輸出信號都屬于弱小信號，其具有信號驅動能力弱、信號處理難度大、信號處理過程容易引入噪聲等特點，具體而言就是傳感器輸出信號幅值在uV量級，而一般的有源濾波器只能處理mV量級以上的信號；還有就是信號的功率小，無法驅動一些模擬外設(一般需要mW級別)，這時候就需要采用特定電路結構針對上述這些信號缺點進行逐一克服，但在對信號進行處理的過程中容易引入放大器噪聲和開關機噪聲等噪聲，所以需要對電路結構進行改進。

集成運算放大器具有體積小、易集成、高增益等特點，被廣泛應用于不同的電路拓撲結構中，例如積分器、加法器、放大器等，其中常見的應用是組合成信號的過濾器，規則為頻率高于或低于某一特定頻率的信號被衰減，且頻率距離該特定頻率越遠的信號被衰減的越厲害甚至消失，而其他頻率信號未被衰減甚至會被放大，簡單來說該電路系統允許特定頻率范圍的信號無衰減的通過，而對其他頻率信號有較大的阻隔效果。如果通過控制信號對拓撲結構中的電阻電容等無源器件進行精準控制，可以實現不同的過濾效果從而滿足人們不同的應用要求。

集成運算放大器還能被做成可變增益放大器(VCA)，這是一種增益取決于控制電壓輸入的放大器，具有多種類型，分別對應不同的控制方式，一些VCA將控制信號作為反饋網絡的輸入，通過控制信號控制改變運算放大器反饋網絡的參數來改變增益。

但是可變增益放大器在放大信號的過程中不可避免的會引入失調電壓和噪聲，一個比較好的解決方法就是在放大器的前后級引入斬波(chopping)技術，該技術能將失調電壓和噪聲的頻域與輸入信號的頻域分開，后續只需將輸入信號的頻域分離出來即可得到放大后的低噪聲信號。

然而弱小信號由于自身功率較低，容易受到工作環境的影響且驅動能力弱，需要進行功率放大，但功率放大后的信號可能出現飽和失真，這就需要對信號進行防失真檢測并反饋檢測結果來控制放大的增益，這也就形成了一種負反饋結構，能夠很好地將信號最大幅值控制在一定范圍內，防止信號飽和失真。

總體而言，傳感器的模擬輸出信號由于信號微弱難以分析、信號驅動能力弱、處理過程容易引入噪聲等特點，對傳統的信號分析處理電路來說直接進行分析和處理的難度非常大，而且整個電路系統缺乏足夠的靈活性，在不同應用要求下可能輸出錯誤的結果甚至直接停止工作，這對于開發復雜環境或者多環境下都能表現良好的智能設備是一個巨大的挑戰。

發明內容