一种基于电容式数模转换器的信号折叠放大器及其信号链电路制造技术

本发明专利技术涉及一种基于电容式数模转换器的信号折叠放大器及其信号链电路，所述信号折叠放大器包括低噪声放大器、阈值检测电路、数字逻辑电路和电容式数模转换器反馈网络；所述阈值检测电路根据所述低噪声放大器输出信号的幅值与高阈值电压、低阈值电压比较的结果，产生向下、保持和向上信号；所述数字逻辑电路对向下、保持或向上信号进行减1、不变或加1计数获得计数信号；所述电容式数模转换器反馈网络用于将所述低噪声放大器输出信号反馈回到输入端，控制输出信号折叠计数信号个折叠步长，使得所述低噪声放大器输出信号不会饱和。有益效果是设计简单，响应速度快，允许的输入与输出幅度大、输入信号幅度大且增益较大的条件下输出信号仍不饱和。输出信号仍不饱和。输出信号仍不饱和。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电容式数模转换器的信号折叠放大器及其信号链电路


[0001]本专利技术涉及电子电路
，具体涉及一种基于电容式数模转换器的信号折叠放大器及其信号链电路。

技术介绍

[0002]信号链电路在检测一些微弱有用信号时常常伴随有大幅度的干扰信号(例如在检测心电信号时由于呼吸导致的胸部起伏引入的干扰信号)，这些大幅度干扰信号中的差模成分无法通过提高共模抑制比来消除，而通过滤波的方法也只可以消除微弱有用信号频带外的差模干扰信号，而与微弱有用信号频带相交叠的差模干扰信号仍无法消除，与微弱有用信号频带相交叠的差模干扰信号的幅度常常比微弱有用信号大一到两个数量级，当信号链前端的放大器具有较高的增益时，使得信号链电路极其容易饱和，导致有用信号的丢失。
[0003]传统信号链电路为解决在大幅度干扰情况下的微弱有用信号检测，常用的电路结构如附图1
‑
3所示。图1是基于自动增益控制技术的信号链电路架构示意图。如附图1所示，第一传统信号链电路为使用一低精度的模数转换器的输出结果来控制可编程增益放大器的放大增益，使得电路不会出现饱和的情况，但该信号链电路设计复杂，引入的反馈环路经过了多个电路模块增加了信号链系统的响应延时，当可编程增益放大器的增益被调制较低时，微弱有用信号的放大倍数低，使用低精度模数转换器对于微弱有用信号的量化引入较大误差。可编程增益放大器的增益可以调高，但是信号链路会饱和，导致信号丢失，所以可编程增益放大器的增益应在输出不饱和的条件下尽可能的大。图2是基于数模转换器补偿技术的信号链电路架构示意图。如附图2所示，第二传统信号链电路为使用低精度模数转换器的输出结果经数字逻辑电路处理，输入到数模转换器，将输入的大幅度差模干扰与数模转换器的输出在系统的输入处相减，最终在高增益放大器的输入端只有微弱的有用信号，但该信号链电路设计复杂，引入的反馈环路经过多个电路模块增加了响应延时，数字逻辑电路需要将干扰信号与有用信号进行区分，这需要复杂的算法配合电路来实现。图3是基于高精度模数转换器的信号链电路架构示意图。如附图3所示，第三传统信号链电路为使用一低增益放大器级联高精度模数转换器来实现，使用低增益放大器可以确保信号链不会出现饱和的情况，但是对级联的模数转换器提出了更高的精度要求，常见为24位的模数转换器，这增加了信号链电路的设计复杂度，增加了功耗和面积。
[0004]本专利技术针对与微弱有用信号频带相交叠的差模干扰信号使得信号链电路极其容易饱和的技术问题，对信号折叠放大器进行了技术改进。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是，提供一种设计简单，响应速度快，允许的输入与输出幅度大、在输入信号幅度大且增益较大的条件下输出信号仍不饱和的信号折叠放大器。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是一种基于电容式数模转换器的信号折
叠放大器，用于大幅度干扰信号下采集微弱有用信号，包括低噪声放大器、阈值检测电路、数字逻辑电路和电容式数模转换器反馈网络；当所述低噪声放大器输出信号的幅值高于高阈值电压，所述阈值检测电路在同步时钟的驱动下产生向下信号；当所述低噪声放大器输出信号的幅值在高阈值电压和低阈值电压之间，所述阈值检测电路在同步时钟的驱动下产生保持信号；当所述低噪声放大器输出信号的幅值低于低阈值电压，所述阈值检测电路在同步时钟的驱动下产生向上信号；所述数字逻辑电路在同步时钟的驱动下对向下、保持或向上信号进行减1、不变或加1计数获得计数信号；所述电容式数模转换器反馈网络用于将所述低噪声放大器输出信号反馈回到低噪声放大器输入端，控制所述低噪声放大器输出信号折叠计数信号个折叠步长，使得所述低噪声放大器输出信号不会饱和；所述信号折叠放大器输出包括低噪声放大器输出信号和数字逻辑电路计数信号。
[0007]优选地，所述阈值检测电路包括用于高阈值电压检测的高阈值比较器和用于低阈值电压检测的低阈值比较器；所述高阈值比较器正输入端接高阈值电压，所述低阈值比较器负输入端接低阈值电压，所述高阈值比较器负输入端与低阈值比较器正输入端共同连接到所述低噪声放大器输出端。
[0008]优选地，所述高阈值比较器与低阈值比较器由同一时钟驱动，在时钟上升沿触发进行比较；所述阈值检测电路产生的向下信号是10、保持信号是11、向上信号是01。
[0009]优选地，所述数字逻辑电路由一个N位加减计数器和一个N到2
N
译码器构成；所述N位加减计数器是二进制码计数器，驱动所述N位加减计数器同步计数的时钟信号与驱动阈值检测电路同步比较的时钟信号具有相同的频率；所述N位加减计数器输入端与阈值检测电路输出端相连，所述阈值检测电路输出10、所述N位加减计数器减1，所述阈值检测电路输出11、所述N位加减计数器不变，所述阈值检测电路输出01、所述N位加减计数器加1；所述N到2
N
译码器输入端与N位计数器输出端相连，用于将输入的N位二进制码翻译为对应的2
N
位温度计码。
[0010]优选地，所述电容式数模转换器反馈网络包括2
N
位温度计码电容式数模转换器和跨接在所述低噪声放大器负输入端和输出端之间的反馈电容C
f
；所述2
N
位温度计码电容式数模转换器包括2
N
个电容C0，所述2
N
个电容C0第一端接所述低噪声放大器负输入端，所述2
N
个电容C0第二端分别通过2
N
个低参考电压选择开关连接低参考电压V
L
、分别通过2
N
个高参考电压选择开关连接高参考电压V
H
，所述N到2
N
译码器输出2
N
位温度计码用于分别控制所述2
N
个电容C0第二端选通低参考电压V
L
或者高参考电压V
H
。
[0011]优选地，所述电容式数模转换器反馈网络还包括跨接在所述低噪声放大器负输入端和输出端之间的直流偏置反馈电阻R
f
，所述直流偏置反馈电阻R
f
由PMOS晶体管构成，R
f
阻值由PMOS晶体管的尺寸决定。
[0012]优选地，所述低噪声放大器正输入端是信号输入端，所述低噪声放大器具有输入与输出轨到轨能力、且在允许的输入范围内具有高的本征增益。
[0013]优选地，所述信号折叠放大器的闭环增益A
L
为2
N
C0/C
f
+1；所述信号折叠放大器的折叠步长Δ为C0/C
f
*(V
H
‑
V
L
)。
[0014]优选地，所述信号折叠放大器复位时，所述N位加减计数器复位到数值2
N
‑1，所述N到2
N
译码器输出的温度计码0和1的个数都为2
N
‑1个。
[0015]本专利技术的再一目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电容式数模转换器的信号折叠放大器，用于大幅度干扰信号下采集微弱有用信号，其特征在于：包括低噪声放大器、阈值检测电路、数字逻辑电路和电容式数模转换器反馈网络；当所述低噪声放大器输出信号的幅值高于高阈值电压，所述阈值检测电路在同步时钟的驱动下产生向下信号；当所述低噪声放大器输出信号的幅值在高阈值电压和低阈值电压之间，所述阈值检测电路在同步时钟的驱动下产生保持信号；当所述低噪声放大器输出信号的幅值低于低阈值电压，所述阈值检测电路在同步时钟的驱动下产生向上信号；所述数字逻辑电路在同步时钟的驱动下对向下、保持或向上信号进行减1、不变或加1计数获得计数信号；所述电容式数模转换器反馈网络用于将所述低噪声放大器输出信号反馈回到低噪声放大器输入端，控制所述低噪声放大器输出信号折叠计数信号个折叠步长，使得所述低噪声放大器输出信号不会饱和；所述信号折叠放大器输出包括低噪声放大器输出信号和数字逻辑电路计数信号。2.根据权利要求1所述的一种基于电容式数模转换器的信号折叠放大器，其特征在于：所述阈值检测电路包括用于高阈值电压检测的高阈值比较器和用于低阈值电压检测的低阈值比较器；所述高阈值比较器正输入端接高阈值电压，所述低阈值比较器负输入端接低阈值电压，所述高阈值比较器负输入端与低阈值比较器正输入端共同连接到所述低噪声放大器输出端。3.根据权利要求2所述的一种基于电容式数模转换器的信号折叠放大器，其特征在于：所述高阈值比较器与低阈值比较器由同一时钟驱动，在时钟上升沿触发进行比较；所述阈值检测电路产生的向下信号是10、保持信号是11、向上信号是01。4.根据权利要求3所述的一种基于电容式数模转换器的信号折叠放大器，其特征在于：所述数字逻辑电路由一个N位加减计数器和一个N到2
N
译码器构成；所述N位加减计数器是二进制码计数器，驱动所述N位加减计数器同步计数的时钟信号与驱动阈值检测电路同步比较的时钟信号具有相同的频率；所述N位加减计数器输入端与阈值检测电路输出端相连，所述阈值检测电路输出10、所述N位加减计数器减1，所述阈值检测电路输出11、所述N位加减计数器不变，所述阈值检测电路输出01、所述N位加减计数器加1；所述N到2
N
译码器输入端与N位计数器输出端相连，用于将输入的N位二进制码翻译为对应的2
N
位温度计码。5.根据权利要求4所述的一种基于电容式数模转换器的信号折叠放大器，其特征在于：所述电容式数模转换器反馈网络包括2
N
位温度计码电容式数模转换器和跨接在所述低噪声放大器负输入端和输出端之间的反...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈铭易，郝禹植，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：