一种可变增益放大器和生物信号处理芯片
阅读：873发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种可变增益放大器和生物信号处理芯片专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种 可变增益 放大器 和 生物 信号 处理芯片，所述 可变增益放大器 包括可变增益放大 电路 和检测控制电路，其中所述可变增益放大电路，包括第一可变增益控制单元、第二可变增益控制单元和运算放大电路，用于放大 输入信号 并输出放大信号；所述检测控制电路，用于检测所述放大信号，根据所述放大信号的峰值和预设范围进行比对、并输出调整所述第一可变增益控制单元和第二可变增益控制单元的增益 控制信号 以调整所述可变增益放大器的增益。本实用新型提供的 实施例 通过可变增益放大电路和检测控制电路有效提高 开关 电容 滤波器 的响应速度，减少电路进入稳定工作所需时间。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是一种可变增益放大器和生物信号处理芯片专利的具体信息内容。
1.一种可变增益放大器，其特征在于，包括可变增益放大电路和检测控制电路，其中所述可变增益放大电路，包括第一可变增益控制单元、第二可变增益控制单元和运算放大电路，用于放大输入信号并输出放大信号；
所述检测控制电路，用于检测所述放大信号，根据所述放大信号的峰值和预设范围进行比对、并输出调整所述第一可变增益控制单元和第二可变增益控制单元的增益控制信号以调整所述可变增益放大器的增益。
2.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，所述可变增益放大电路还包括反馈电容。
3.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，
所述第一可变增益控制单元包括采样可变电容和四个采样开关；
所述第二可变增益控制单元包括反馈可变电容和四个反馈开关。
4.根据权利要求3所述的可变增益放大器，其特征在于，所述采样开关和反馈开关的时钟频率相对于所述输入信号的时钟频率满足过采样。
5.根据权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，所述检测控制电路包括峰值检测电路和增益控制器，其中
所述峰值检测电路，用于检测所述放大信号并输出放大信号的峰值；
所述增益控制器，用于根据所述峰值和所述预设范围进行比对，并根据比对的结果输出所述增益控制信号以调整所述可变增益放大器的增益。
6.根据权利要求5所述的可变增益放大器，其特征在于，所述增益控制器包括第一比较器、第二比较器和选通控制器，其中
所述第一比较器，用于将所述峰值与预设置的第一阈值进行比对并输出第一比对结果；
所述第二比较器，用于将所述峰值与预设置的第二阈值进行比对并输出第二比对结果；
所述选通控制器，用于根据所述第一比对结果和第二比对结果输出所述增益控制信号以调整所述可变增益放大器的增益。
7.一种生物信号处理芯片，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的可变增益放大器。
一种可变增益放大器和生物信号处理芯片
技术领域
背景技术
[0002] 近年来，随着健康穿戴设备的普及，用于检测和处理生物信号的芯片有着广泛的发展前景。为了更好地从生物信号中分析人体的健康状况，减小信号失真、增强抗干扰能力，成为了该类型芯片的重要设计要求。一般传感器所采集的生物信号包含了大量的非期望分量，而有效的生物信号分量占总信号的比例通常很小。以PPG检测法所采集的心率信号为例，有效分量占总信号量的10％以下。因此，有必要对所提取的生物信号进行放大。由于不同人群的信号强度差异较大，采用固定放大增益的放大器可能不具有普遍应用范围。若增益偏小，不利于采样电路精确采集细微的生物信号特征点；若增益偏大，则有可能导致饱和失真。
[0003] 同时，很多测量情况发生在人体运动的时候，比如在跑步过程中测量心率值，若此时对信号的放大增益偏大，则使得运动带来的通带内噪音发生饱和现象，该现象将淹没有效的心率信号分量。
[0004] 因此，为了适应更广泛的应用人群，增强抗运动干扰的能力，需要在生物信号处理芯片中加入可变增益放大器电路。实用新型内容
[0005] 为了解决上述问题至少之一，本实用新型第一方面提供一种可变增益放大器，包括可变增益放大电路和检测控制电路，其中
[0006] 所述可变增益放大电路，包括第一可变增益控制单元、第二可变增益控制单元和运算放大电路，用于放大输入信号并输出放大信号；
[0007] 所述检测控制电路，用于检测所述放大信号，根据所述放大信号的峰值和预设范围进行比对、并输出调整所述第一可变增益控制单元和第二可变增益控制单元的增益控制信号以调整所述可变增益放大器的增益。
[0008] 进一步的，所述可变增益放大电路还包括反馈电容。
[0010] 所述第二可变增益控制单元包括反馈可变电容和四个反馈开关。
[0012] 进一步的，所述检测控制电路包括峰值检测电路和增益控制器，其中[0013] 所述峰值检测电路，用于检测所述放大信号并输出放大信号的峰值；
[0014] 所述增益控制器，用于根据所述峰值和所述预设范围进行比对，并根据比对的结果输出所述增益控制信号以调整所述可变增益放大器的增益。
[0015] 进一步的，所述增益控制器包括第一比较器、第二比较器和选通控制器，其中[0016] 所述第一比较器，用于将所述峰值与预设置的第一阈值进行比对并输出第一比对结果；
[0017] 所述第二比较器，用于将所述峰值与预设置的第二阈值进行比对并输出第二比对结果；
[0018] 所述选通控制器，用于根据第一比对结果和第二比对结果输出所述增益控制信号以调整所述可变增益放大器的增益。
[0019] 本实用新型第二方面提供一种生物信号处理芯片，包括第一方面所述的可变增益放大器。
[0020] 本实用新型的有益效果如下：
[0021] 本实用新型针对目前现有的问题，制定一种可变增益放大器和生物信号处理芯片，通过可变增益放大电路和检测控制电路有效提高开关电容滤波器的响应速度，减少电路进入稳定工作所需时间，能够满足生物信号处理的要求。附图说明
[0022] 下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0024] 图2示出现有技术中另一种负反馈闭环可变增益放大器；
[0026] 图4示出本实用新型的一个实施例所述可变增益放大器的电路图；
[0027] 图5示出本实用新型的另一个实施例所述可变增益放大器的电路图；
[0028] 图6示出本实用新型的一个实施例所述可变增益放大器的增益线性度测试结果；
[0029] 图7示出本实用新型的一个实施例所述可变增益放大器的频谱特性测试结果；
[0030] 图8示出本实用新型的一个实施例所述可变增益放大器的使用方法的流程图。
具体实施方式
[0031] 为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。
[0032] 传统的开环增益控制放大器被广泛应用于无线接收等高频或射频系统中的解调部分，它们的摆幅，失真度难以满足生物信号处理的要求。
[0033] 现有技术中，通常利用负反馈技术的闭环可变增益放大器，如图1所示，为采用可变电阻R2实现负反馈的闭环可变增益放大器，则该放大器的增益为： 所述增益与R1和R2的阻值相关，虽然该运算放大器在摆幅和失真度方面满足要求能够在一定程度上满足要求，但该运算放大器需要较强的电阻负载能力，因此增加了功耗和面积成本。如图2所示为另一种利用负反馈技术的闭环可变增益放大器，采用可变电容C2和R1并联实现负反馈，则该放大器的增益为： 所述增益与C1和C2的阻值相关，能够在摆
幅和失真度方面满足要求能够在一定程度上满足要求，虽然该运算放大器不要求电阻负载能力，但反馈电容C2和电阻R1形成了高通特性，为满足生物信号的低频要求则需要设置较大的电容电阻值，因此降低了精准度、增加了芯片成本。并且，图1和图2所示的闭环可变增益放大器只能提供大于1的增益，难以满足生物信号处理过程中的实际应用需求。
幅和失真度方面满足要求能够在一定程度上满足要求，虽然该运算放大器不要求电阻负载能力，但反馈电容C2和电阻R1形成了高通特性，为满足生物信号的低频要求则需要设置较大的电容电阻值，因此降低了精准度、增加了芯片成本。并且，图1和图2所示的闭环可变增益放大器只能提供大于1的增益，难以满足生物信号处理过程中的实际应用需求。
[0034] 为解决上述问题，如图3所示，本实用新型的一个实施例提供一种可变增益放大器，包括可变增益放大电路和检测控制电路，其中所述可变增益放大电路，包括第一可变增益控制单元、第二可变增益控制单元和运算放大电路，用于放大输入信号并输出放大信号；所述检测控制电路，用于检测所述放大信号，根据所述放大信号的峰值和预设范围进行比对、并输出调整所述第一可变增益控制单元和第二可变增益控制单元的增益控制信号以调整所述可变增益放大器的增益。
[0035] 在一个具体的示例中，如图4所示，所述可变增益放大器包括可变增益放大电路和检测控制电路，输入信号为Vin，输出信号为Vout，其中可变增益放大电路采用开关电容技术以适应生物信号的低频特性，对输入信号Vin进行放大并输出Vout。在本实施例中，所述可变增益放大电路包括第一可变增益控制单元、第二可变增益控制单元和运算放大电路。
[0036] 考虑到需要采样生物信号的细微特征点，在一个优选的实施例中，所述第一可变增益控制单元、第二可变增益控制单元的时钟频率相对于所述输入信号的时钟频率满足过采样。即以远高于输入信号Vin带宽两倍以上的频率对其进行采样，过采样可以将量化噪声推往更高频率、通过采用更高截止频率的低通滤波器以避免采样信号的混叠，能够有效改善信号分辨率并降低噪声。
[0037] 具体的，本实施例中第一可变增益控制单元和第二可变增益控制单元的采样频率fclk的频率为输入信号Vin频率的10倍。所述第一可变增益控制单元包括采样可变电容C1和四个采样开关，所述采样可变电容C1和采样开关形成同相开关电容，则同相开关电容等效的电阻阻值为：
[0038] 同理，所述第二可变增益控制单元包括反馈可变电容C2和四个反馈开关，所述反馈可变电容C2和反馈开关形成反相开关电容，则反相开关电容等效的电阻阻值为：
[0039] 考虑到采用开关电容容易引起毛刺现象，在一个优选的实施例中，所述可变增益放大电路还包括反馈电容。如图4所示，反馈电容Cf与反相开关电容并联，能够有效减少开关电容所带来的毛刺现象，使得输出信号Vout更加平滑，则可编程增益控制放大电路的传递方程为：
[0040]
[0041] 则该可编程增益控制放大电路的低频增益为：
[0042]
[0043] 具体的，该可编程增益控制放大电路的-3dB的带宽为：
[0044] 在本实施例中，通过检测控制电路对输出的放大信号Vout进行检测，将放大信号Vout和预设范围进行比对，根据比对结果输出控制信号以调整所述第一可变增益控制单元和第二可变增益控制单元的增益控制信号，从而实现对所述可变增益放大器增益的调整。
[0045] 在一个优选的实施例中，如图5所示，所述检测控制电路包括峰值检测电路和增益控制器，其中所述峰值检测电路，用于检测所述放大信号并输出放大信号的峰值；所述增益控制器，用于根据所述峰值和所述预设范围进行比对，并根据比对的结果输出所述增益控制信号以调整所述可变增益放大器的增益。
[0046] 具体的，所述峰值检测电路检测输出电压Vout的峰值，并和预设置的期望峰值范围进行比较，所述预设范围设置高电平上限VCH和低电平下限VCL，将输出电压Vout的峰值分别通过比较器与VCH和VCL进行比对并获得比较结果Di0和Di1，将Di0和Di1输入增益控制器，由增益控制器生成控制信号DV以调整所述可变增益放大电路的增益。具体表现为，将控制信号DV分别传输至第一可变增益控制单元和第二可变增益控制单元以调节采样可变电容C1和反馈可变电容C2。
[0047] 在一个优选的实施例中，所述增益控制器包括第一比较器、第二比较器和选通控制器，其中所述第一比较器，用于将所述峰值与预设置的第一阈值进行比对并输出第一比对结果；所述第二比较器，用于将所述峰值与预设置的第二阈值进行比对并输出第二比对结果；所述选通控制器，用于根据第一比对结果和第二比对结果输出所述增益控制信号以调整所述可变增益放大器的增益。
[0048] 即使用第一比较器、第二比较器和传统控制器实现增益控制功能：所述第一比较器的第一阈值为VCH，将输出电压Vout的峰值与VCH进行比对输出第一比对结果Di0；同理，所述第二比较器的第二阈值为VCL，将输出电压Vout的峰值与VCL进行比对输出第一比对结果Di1；将Di0和Di1输入选通控制器，选通控制器根据Di0和Di1输出增益控制信号DV。
[0049] 若输出电压Vout的峰值大于VCH，则生成控制信号DV并控制C1和C2，根据公式(1)和公式(2)减小可变增益放大器的增益；若输出电压Vout的峰值小于VCL，则生成控制信号DV并控制C1和C2，根据公式(1)和公式(2)增大可变增益放大器的增益；若输出电压Vout的峰值处于VCH和VCL之间，保持当前增益不变。
[0050] 使用本实施例提供的可变增益放大器，如图6所示，横坐标的控制码对应可变电容的不同的电容值，纵坐标为增益，从图中可知可变电容取值不同时，当输入的生物信号的频率为0.5Hz，该可变增益放大器的增益的线性度达到0.9998，能够满足对生物信号的放大需求。并且，如图7所示，横坐标为输入的生物信号的频率值，纵坐标为增益，从图中可知可变电容取值不同时的增益曲线在低频领域有着较好的频谱特性，即所述可变增益放大器在低频领域有着较好的频谱特性，适用于生物信号，能够为生物信号放大提供合适的增益，减少信号失真并增强抗干扰能力。
[0051] 与上述实施例提供的可变增益放大器相对应，本申请的一个实施例还提供一种利用上述可变增益放大器的使用方法，由于本申请实施例提供的使用方法与上述几种实施例提供的可变增益放大器相对应，因此在前述实施方式也适用于本实施例提供的使用方法，在本实施例中不再详细描述。
[0052] 如图8所示，本申请的一个实施例还提供一种利用上述可变增益放大器的使用方法，包括：可变增益放大电路通过第一可变增益控制单元、第二可变增益控制单元和运算放大电路放大输入信号并输出放大信号；检测控制电路检测所述放大信号，根据所述放大信号的峰值和预设范围进行比对、并输出调整所述第一可变增益控制单元和第二可变增益控制单元的增益控制信号。
[0053] 在一个可选的实施例中，所述第一可变增益控制单元包括采样可变电容和四个采样开关，所述第二可变增益控制单元包括反馈可变电容和四个反馈开关；所述使用方法还包括：所述采样开关和反馈开关的时钟频率相对于所述输入信号的时钟频率满足过采样。
[0054] 在另一个可选的实施例中，所述检测控制电路包括峰值检测电路和增益控制器；所述检测控制电路检测所述放大信号，根据所述放大信号的峰值和预设范围进行比对、并输出调整所述第一可变增益控制单元和第二可变增益控制单元的增益控制信号具体包括：
所述峰值检测电路检测所述放大信号并输出放大信号的峰值；所述增益控制器根据所述峰值和所述预设范围进行比对，并根据比对的结果输出所述增益控制信号。
所述峰值检测电路检测所述放大信号并输出放大信号的峰值；所述增益控制器根据所述峰值和所述预设范围进行比对，并根据比对的结果输出所述增益控制信号。
[0055] 本申请的一个实施例还提供一种生物信号处理芯片，包括上述可变增益放大器。能够根据生物信号分析人体的健康状况，减小信号失真并增强抗干扰能力。
[0056] 本实用新型针对目前现有的问题，制定一种可变增益放大器、使用方法和生物信号处理芯片，通过可变增益放大电路和检测控制电路有效提高开关电容滤波器的响应速度，减少电路进入稳定工作所需时间，能够满足生物信号处理的要求。
[0057] 显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。
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