專利名稱：一種超低功耗醫用設備的自動增益控制環路的制作方法
技術領域：
本發明涉及CMOS模擬集成電路設計技術領域，具體涉及ー種超低功耗醫用設備的自動增益控制環路。
背景技術：
近年來，隨著人們保健意識的提高，生物醫療電子行業得到了快速的發展。由于越來越多的人們正遭受著聽力障礙的困擾，低功耗、高性能、低成本助聽器系統的研究與設計得到了學術界和產業界的更大關注，許多新架構和設計方法應運而生。目前在醫用設備中 廣泛采用的自動增益控制環路，多采用全定制的模擬電路實現反饋。通常模擬反饋電路包含了峰值濾波器，模擬積分器，模擬比較器和模擬濾波器等電路模塊。這種實現方式的好處在于其模塊的獨立性比較強，模塊之間相關性比較弱，有利于電路的移植。但是由于模擬電路本身的制約，這種反饋回路實現起來比較復雜，同時其引入的噪聲比較大，控制精度差。本發明在此背景下提出了ー種全新架構的助聽器模擬前端自動增益控制環路，以滿足高精度、可配置、低功耗數字助聽器的系統需求。
發明內容
(一 )要解決的技術問題有鑒于此，本發明的主要目的在于提供ー種超低功耗醫用設備的自動增益控制環路，以解決現有醫用設備自動增益控制環路噪聲較大、精度不高的問題，達到高精度、低功耗、精確可配置的目的。( ニ )技術方案為了達到上述目的，本發明提供了ー種超低功耗醫用設備的自動增益控制環路，該自動增益控制環路包括可變增益放大器100，固定増益放大器101，第一和第二緩沖器(200，201)，第一、第二和第三比較器(300，301，302)，第一、第二和第三計數寄存器(400，401，402)，第一、第二和第三峰值統計判決邏輯(500，501，502)，以及邏輯判決及增益控制邏輯模塊600，其中可變增益放大器100，用于在邏輯判決及増益控制邏輯模塊的調控下，將麥克風輸出的信號放大或減小至固定的信號幅度范圍內；固定増益放大器101，用于將麥克風輸出噪聲信號放大固定増益，滿足靜音模式下后級比較器的比較精度范圍；第一和第二緩沖器(200，201)，用于對可變增益放大器100和固定増益放大器101輸出信號進行隔離保護，減小比較器回饋噪聲對信號的影響；第一、第二和第三比較器(300,301,302),用于將放大后的麥克風信號與各閾值電壓進行比較，輸出數字碼比較結果；第一、第二和第三計數寄存器(400，401，402)，用于對第一、第二和第三比較器(300，301，302)輸出結果進行計數、保存；
第一、第二和第三峰值統計判決邏輯(500，501，502)，用于對第一、第二和第三計數寄存器(400，401，402)輸出結果進行統計、判決，輸出統計后新的三位數字碼；邏輯判決及增益控制邏輯模塊600，用于對第一、第二和第三峰值統計判決邏輯(500，501，502)輸出的三位數字碼進行判決，輸出控制信號至可變增益放大器100，完成環路增益控制。上述方案中，所述可變増益放大器100采用兩級全差分運放閉環結構，在邏輯判決及增益控制邏輯模塊600的調控下，實現21級，單步長3dB，總增益-6dB至54dB的可調范圍，將麥克風輸出信號放大或減小至固定信號激活閾值電壓(Vact)和峰值閾值電壓(Vpeak)的幅度范圍之內。
上述方案中，所述固定増益放大器101采用兩級單端輸出運放閉環結構，對麥克風輸出噪聲信號進行40dB固定増益放大，使得在靜音模式下，微弱噪聲信號被放大后滿足后級比較器的比較精度范圍。上述方案中，所述第一、第二和第三比較器(300，301，302)采用帶預放大器的高速動態比較器結構，將放大后的麥克風信號與各閾值電壓進行比較，輸出相應數字比較結果。上述方案中，所述將放大后的麥克風信號與各閾值電壓進行比較，輸出相應數字比較結果，是將放大后的麥克風信號分別與峰值閾值電壓(Vpeak)、激活閾值電壓(Vact)和噪聲閾值電壓(Vnoise)進行比較，輸出三位數字碼比較結果。(三)有益效果與現有技術相比，本發明的技術方案產生的有益效果如下本發明通過采用三電平比較、數模混合單芯片全集成的方式，實現了一種超低功耗醫用設備的自動增益控制環路。該自動增益控制環路首先由邏輯判決及增益控制邏輯模塊控制的可變增益放大器對麥克風輸出信號進行增益放大或減小，并由固定増益放大器對噪聲進行放大；兩個放大器輸出模擬信號經緩沖器隔離后，由比較器與分別與峰值閾值電壓、激活閾值電壓和噪聲閾值電壓進行比較，轉換并輸出三位數字碼；峰值統計判決邏輯在一定的周期數內，對計數寄存器計數、保存的三位數字碼進行統計、判決，重新輸出統計后新的三位數字碼；最終由邏輯判決及增益控制邏輯模塊輸出21位數字碼控制信號至可變増益放大器，完成環路增益控制。具有檢測精度高，可配置性強，整體電路功耗低的優點，適用于助聽器SOC系統中。
圖I是依照本發明實施例的超低功耗醫用設備的自動增益控制環路的結構示意圖；圖2是依照本發明實施例的超低功耗醫用設備的自動增益控制環路中可變增益放大器中的電路示意圖；圖3是依照本發明實施例的超低功耗醫用設備的自動增益控制環路中固定増益放大器中的電路示意圖；圖4是依照本發明實施例的超低功耗醫用設備的自動增益控制環路中比較器的電路^^意圖5是依照本發明實施例的超低功耗醫用設備的自動增益控制環路中輸入信號幅度為5mV，頻率為10KHZ時自動増益控制環路的輸出結果。圖6是依照本發明實施例的超低功耗醫用設備的自動增益控制環路中輸入信號幅度為300mV，頻率為10KHZ時自動増益控制環路的輸出結果。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進ー步詳細說明。如圖I所示，圖I是依照本發明實施例的超低功耗醫用設備的自動增益控制環路的結構示意圖，該自動增益控制環路包括可變增益放大器100，固定増益放大器101，第一和第二緩沖器(200、201)，第一、第二和第三比較器(300、301、302)，第一、第二和第三計數寄存器(400、401、402)，第一、第二和第三峰值統計判決邏輯(500、501、502)，以及邏輯判決及增益控制邏輯模塊600。 其中，可變增益放大器100在邏輯判決及增益控制邏輯模塊600的21位數字碼的調控下，以3dB増益步長，將麥克風輸出的信號放大或減小，直至調整至固定的信號幅度范圍內；固定増益放大器101將麥克風輸出噪聲信號放大40dB固定増益，滿足靜音模式下后級比較器的比較精度范圍；第一和第二緩沖器(200、201)對可變増益放大器100和固定增益放大器101輸出信號進行隔離保護，減小比較器回饋噪聲對信號的影響；第一、第二和第三比較器(300、301、302)將放大后的麥克風信號分別與峰值閾值電壓(Vpeak)、激活閾值電壓(Vact)和噪聲閾值電壓(Vnoise)進行比較，輸出三位數字碼比較結果；第一、第二和第三計數寄存器(400、401、402)對比較器輸出的三位數字碼進行計數、保存；第一、第二和第三峰值統計判決邏輯(500、501、502)在一定的周期數內，對第一、第二和第三計數寄存器(400、401、402)輸出結果進行統計、判決，輸出統計后新的三位數字碼；邏輯判決及增益控制邏輯模塊600對第一、第二和第三峰值統計判決邏輯(500、501、502)輸出的三位數字碼進行判決，輸出21位數字碼控制信號至可變增益放大器100，完成環路增益控制。參見圖2，可變增益放大器100采用兩級全差分運放閉環結構，増益由反饋電阻與輸入電阻的比值決定；在邏輯判決及增益控制邏輯模塊600的調控下，實現21級，單步長3dB，總增益-6dB至54dB的可調范圍，將麥克風輸出信號放大或減小至固定信號Vact和Vpeak的幅度范圍之內。參見圖3，由于普通聲音信號幅度僅有0. 4mV,噪聲信號往往只有不到0. ImV,而普通比較器的比較精度范圍一般在0. 5mV左右，因此在靜音模式下需要對噪聲信號進行一定増益的預放大，滿足比較器分辨率的精度范圍。固定増益放大器101采用兩級單端輸出運放閉環結構，對麥克風輸出信號進行40dB固定增益放大。參見圖4，為了減小比較器回饋噪聲對信號的影響，在比較器之前加入一級單位增益緩沖器對可變增益放大器100和固定増益放大器101輸出信號進行隔離保護。第一、第二和第三比較器(300、301、302)采用帶預放大器的高速動態比較器結構，預放大器設計為10倍左右増益，與高速動態比較器配合，將放大后的麥克風信號分別與峰值閾值電壓(Vpeak)、激活閾值電壓(Vact)和噪聲閾值電壓(Vnoise)進行比較，輸出三位數字碼比較結果。
由于聲音信號是ー個連續變化信號，只有對一段時間內的聲音信號進行統計、分析，邏輯判決及增益控制邏輯模塊600才能根據信號的統計性特性做出判決，輸出增益控制信號。因此本發明針對聲音信號的特性，設定每600個比較器時鐘周期，第一、第二和第三計數寄存器(400、401、402)對第一、第二和第三比較器(300、301、302)輸出三位數字碼比較結果進行一次計數、保存。第一、第二和第三峰值統計判決邏輯(500、501、502)再根據這600個值進行統計判斷，輸出包含聲音信號統計信息的三位數字碼。邏輯判決及增益控制邏輯模塊600對第一、第二和第三峰值統計判決邏輯(500、501、502)輸出的三位數字碼進行判決，并根據判決結果，輸出21位數字碼控制信號至可變增益放大器100，増大或減小增益，完成環路增益控制。
分別設定峰值閾值電壓(Vpeak = 250mV)、激活閾值電壓(Vact = 90mV)和噪聲閾值電壓(Vnoise = 6mV)。圖5是本發明實施例中輸入信號幅度為5mV，頻率為10KHZ時自動增益控制環路的輸出結果，經過9個步長調節，最終鎖定在lllmV。圖6是本發明實施例中輸入信號幅度為300mV，頻率為10KHZ時自動増益控制環路的輸出結果，經過2個步長調節，最終鎖定在150mV。整體自動增益控制環路功耗在IOOuW以內，技術效果良好。綜上所述，本發明提供的超低功耗醫用設備的自動增益控制環路，具有以下有益效果1)本發明通過采用三電平比較、數模混合單芯片全集成的方式，檢測精度高，可配置性強，整體電路功耗低，適用于助聽器SOC系統中；2)由可變增益放大器對麥克風輸出信號進行增益放大或減小；3)由固定増益放大器對噪聲信號進行放大，滿足比較器檢測精度；4)兩個放大器輸出模擬信號經緩沖器隔離后，由比較器與分別與峰值閾值電壓、激活閾值電壓和噪聲閾值電壓進行比較，轉換并輸出三位數字碼；5)峰值統計判決邏輯在一定的周期數內，對計數寄存器計數、保存的三位數字碼進行統計、判決，重新輸出統計后的三位數字碼；6)由邏輯判決及增益控制邏輯模塊對三位輸出數字碼進行判決，輸出21位數字碼控制信號至可變增益放大器，完成環路增益控制。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進ー步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.ー種超低功耗醫用設備的自動增益控制環路，其特征在于，該自動增益控制環路包括可變增益放大器(100)，固定增益放大器(101)，第一和第二緩沖器(200, 201),第一、第ニ和第三比較器(300，301，302)，第一、第二和第三計數寄存器(400，401，402)，第一、第二和第三峰值統計判決邏輯(500，501，502)，以及邏輯判決及增益控制邏輯模塊￠00)，其中 可變增益放大器(100)，用于在邏輯判決及増益控制邏輯模塊的調控下，將麥克風輸出的信號放大或減小至固定的信號幅度范圍內； 固定増益放大器(101)，用于將麥克風輸出噪聲信號放大固定増益，滿足靜音模式下后級比較器的比較精度范圍； 第一和第二緩沖器(200，201)，用于對可變增益放大器(100)和固定増益放大器(101)輸出信號進行隔離保護，減小比較器回饋噪聲對信號的影響； 第一、第二和第三比較器(300, 301, 302),用于將放大后的麥克風信號與各閾值電壓進行比較，輸出數字碼比較結果； 第一、第二和第三計數寄存器(400，401，402)，用于對第一、第二和第三比較器(300，301,302)輸出結果進行計數、保存； 第一、第二和第三峰值統計判決邏輯(500，501，502)，用于對第一、第二和第三計數寄存器(400，401，402)輸出結果進行統計、判決，輸出統計后新的三位數字碼； 邏輯判決及增益控制邏輯模塊￠00)，用于對第一、第二和第三峰值統計判決邏輯(500，501，502)輸出的三位數字碼進行判決，輸出控制信號至可變增益放大器(100)，完成環路增益控制。
2.根據權利要求I所述的超低功耗醫用設備的自動增益控制環路，其特征在于，所述可變增益放大器(100)采用兩級全差分運放閉環結構，在邏輯判決及增益控制邏輯模塊(600)的調控下，實現21級，單步長3dB，總增益-6dB至54dB的可調范圍，將麥克風輸出信號放大或減小至固定信號激活閾值電壓(Vact)和峰值閾值電壓(Vpeak)的幅度范圍之內。
3.根據權利要求I所述的超低功耗醫用設備的自動增益控制環路，其特征在于，所述固定增益放大器(101)采用兩級單端輸出運放閉環結構，對麥克風輸出噪聲信號進行40dB固定増益放大，使得在靜音模式下，微弱噪聲信號被放大后滿足后級比較器的比較精度范圍。
4.根據權利要求I所述的超低功耗醫用設備的自動增益控制環路，其特征在于，所述第一、第二和第三比較器(300，301，302)采用帶預放大器的高速動態比較器結構，將放大后的麥克風信號與各閾值電壓進行比較，輸出相應數字比較結果。
5.根據權利要求4所述的超低功耗醫用設備的自動增益控制環路，其特征在于，所述將放大后的麥克風信號與各閾值電壓進行比較，輸出相應數字比較結果，是將放大后的麥克風信號分別與峰值閾值電壓(Vpeak)、激活閾值電壓(Vact)和噪聲閾值電壓(Vnoise)進行比較，輸出三位數字碼比較結果。
全文摘要
本發明公開了一種超低功耗醫用設備的自動增益控制環路。其中，可變增益放大器在邏輯判決及增益控制邏輯模塊的調控下，將麥克風輸出的信號調整至固定的信號幅度范圍；固定增益放大器將麥克風輸出噪聲信號放大固定增益，滿足靜音模式下后級比較器的比較精度范圍；緩沖器對放大器輸出信號進行隔離保護；比較器將放大后的麥克風信號與各閾值電壓進行比較，輸出數字比較結果；計數寄存器對比較器輸出結果進行計數、保存；峰值統計判決邏輯對計數寄存器輸出結果進行統計、判決，輸出統計后新的三位數字碼；邏輯判決及增益控制邏輯模塊對峰值統計判決邏輯輸出的三位數字碼進行判決，輸出控制信號至可變增益放大器，完成環路增益控制。
文檔編號H04R25/00GK102647164SQ201210126578
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月26日 優先權日2012年4月26日
發明者蔣見花, 陳鋮穎, 陳黎明, 黑勇 申請人:中國科學院微電子研究所