專利名稱：一種傳感器接口模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種適用于生物醫(yī)學(xué)儀器的傳感器接ロ模塊。
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);而傳感器接ロ模塊主要負(fù)責(zé)將傳感器探測(cè)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，這種接ロ模塊主要包括前級(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)用中傳感器接ロ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IOOHz到幾KHzJn 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(cè)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(jìng)爭(zhēng)カ的主要指標(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エ藝，基于以上エ藝，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I所示了一種現(xiàn)有傳感器接ロ模塊的結(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。這種傳感器接ロ模塊中的負(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，將占用大大的芯片面積，因其増加的芯片成本已經(jīng)遠(yuǎn)不適用于當(dāng)下深亞微米和納米CMOSエ藝實(shí)現(xiàn)；另ー方面，前級(jí)閉環(huán)放大器的功耗也無法進(jìn)ー步優(yōu)化，同時(shí)電壓跟隨器更加大了功耗的需求。傳感器接ロ電路中的輸入信號(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(I) 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-lpF，這就意味著12位ニ進(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位ニ進(jìn)制加權(quán)的電容陣列的總?cè)葜荡蟮匠砂貾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)的傳感器接ロ模塊。(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位ニ進(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)葜荡蟮匠砂貾F，由此產(chǎn)生很大的RC時(shí)間常數(shù)會(huì)延長(zhǎng)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ロ模塊系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵。(5)進(jìn)ー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ロ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)明提供了ー種適用于生物醫(yī)學(xué)儀器的傳感器接ロ模塊，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。一種傳感器接ロ模塊，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)。所述的前級(jí)閉環(huán)放大器包括一個(gè)運(yùn)算放大器、四個(gè)電容Cf C4和兩個(gè)電阻Rf R2 ；其中，電容Cl的一端為前級(jí)閉環(huán)放大器的反相輸入端，電容Cl的另一端與運(yùn)算放大器的反相輸入端、電容C3的一端和電阻Rl的一端相連，電容C2的一端為前級(jí)閉環(huán)放大器的正相輸入端，電容C2的另一端與運(yùn)算放大器的正相輸入端、電容C4的一端和電阻R2的一端相連，電容C4的另一端與電阻R2的另一端相連并接參考地電壓，運(yùn)算放大器的使能端接收給定的采樣時(shí)鐘信號(hào)，運(yùn)算放大器的輸出端與電容C3的另一端和電阻Rl的另一端相連并構(gòu)成前級(jí)閉環(huán)放大器的輸出端。所述的參考地電壓為電源電壓的一半。所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、比較器和逐次逼近寄存器；其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸入端與前級(jí)閉環(huán)放大器的輸出端相連，數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的采樣使能端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出端與比較器的反相輸入端相連，比較器的正相輸入端接收給定的基準(zhǔn)電壓，比較器的輸出端與逐次逼近寄存器的輸入端相連，逐次逼近寄存器向數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)提供12個(gè)開關(guān)控制系數(shù)位D(TD11并輸出12位數(shù)字碼Β(ΓΒ11。所述的運(yùn)算放大器包括十七個(gè)MOS管Μ1 Μ17、一個(gè)反相器和一個(gè)電流源；其中，MOS管Ml的柵極為運(yùn)算放大器的正相輸入端，MOS管Ml的源極與MOS管M2的源極和MOS管MlO的漏極相連，MOS管Ml的漏極與MOS管M13的柵極、MOS管M3的漏極和柵極相連，MOS管M2的柵極為運(yùn)算放大器的反相輸入端，MOS管M2的漏極與MOS管M5的柵極、MOS管M4的漏極和柵極相連，MOS管M5的源極與MOS管M4的源極、MOS管M3的源極、MOS管M13的源極和MOS管M17的源極相連并接地，MOS管M5的漏極與MOS管M6的源極相連，MOS管M6的漏極與MOS管M8的柵極、MOS管M7的漏極和柵極相連，MOS管M6的柵極與MOS管M12的柵極、MOS管M17的漏極和MOS管M16的源極相連，MOS管M7的源極與MOS管M9的源極、MOS管MlO的源極、MOS管M8的源極和MOS管M14的源極相連并接電源電壓，MOS管MlO的柵極與MOS管M9的柵極和漏極相連并通過電流源接地，MOS管M8的漏極與MOS管Mll的源極相連，MOS管Mll的漏極與MOS管M12的漏極相連并構(gòu)成運(yùn)算放大器的輸出端，MOS管Mll的柵極與MOS管M14的漏極和MOS管M15的漏極相連，MOS管M12的源極與MOS管M13的漏極相連，MOS管M14的柵極與MOS管M16的柵極和反相器的輸入端相連并構(gòu)成運(yùn)算放大器的使能端，MOS管M15的柵極與MOS管M17的柵極和反相器的輸出端相連，MOS管M15的源極接收給定的第一偏置電壓，M0S-M16的漏極接收給定的第二偏置電壓。運(yùn)算放大器根據(jù)采樣時(shí)鐘的相位分為工作狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)，在低電平相位進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，把輸出電流關(guān)斷，但保留差分輸入級(jí)的微運(yùn)作電流，降低傳感器接ロ模塊的整體功耗的同時(shí)保證運(yùn)放的啟動(dòng)速度；同時(shí)，運(yùn)算放大器使用關(guān)閉其輸出級(jí)共源共柵結(jié)構(gòu)中的共柵管及匹配管來完全關(guān)閉輸出電流，避免了在輸出級(jí)的電流通路上再串入額外的大尺寸比 例開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)低功耗的同時(shí)避免了增加額外的版圖面積。而在高電平相位，運(yùn)算放大器則進(jìn)入工作狀態(tài)，差分輸入級(jí)的輸出信號(hào)經(jīng)輸出級(jí)進(jìn)一歩放大輸出。一種傳感器接ロ模塊，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差分電壓放大信號(hào)；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收所述的差分電壓放大信號(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)。所述的前級(jí)閉環(huán)放大器包括ー個(gè)全差分運(yùn)算放大器、四個(gè)電容Cf C4和兩個(gè)電阻R1 R2 ;其中，電容Cl的一端為前級(jí)閉環(huán)放大器的反相輸入端，電容Cl的另一端與全差分運(yùn)算放大器的反相輸入端、電容C3的一端和電阻Rl的一端相連，電容C2的一端為前級(jí)閉環(huán)放大器的正相輸入端，電容C2的另一端與全差分運(yùn)算放大器的正相輸入端、電容C4的一端和電阻R2的一端相連，全差分運(yùn)算放大器的使能端接收給定的采樣時(shí)鐘信號(hào)，全差分運(yùn)算放大器的正相輸出端與電容C3的另一端和電阻Rl的另一端相連并構(gòu)成前級(jí)閉環(huán)放大器的正相輸出端，全差分運(yùn)算放大器的反相輸出端與電容C4的另一端和電阻R2的另一端相連并構(gòu)成前級(jí)閉環(huán)放大器的反相輸出端。所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、一比較器和一逐次逼近寄存器；其中，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸入端與前級(jí)閉環(huán)放大器的正相輸出端相連，第二數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸入端與前級(jí)閉環(huán)放大器的反相輸出端相連，兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的采樣使能端均接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出端與比較器的正相輸入端相連，第二數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出端與比較器的反相輸入端相連，比較器的輸出端與逐次逼近寄存器的輸入端相連，逐次逼近寄存器向兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)提供12個(gè)開關(guān)控制系數(shù)位D(TD11并輸出12位數(shù)字碼 β(Γβιι。所述的全差分運(yùn)算放大器包括十八個(gè)MOS管Mf Μ18、一個(gè)反相器、一個(gè)電流源和一個(gè)共模反饋電路；其中，MOS管Ml的柵極為全差分運(yùn)算放大器的正相輸入端，MOS管Ml的源極與MOS管M2的源極和MOS管MlO的漏極相連，MOS管Ml的漏極與MOS管Μ13的柵極、MOS管M3的漏極和柵極相連，MOS管M2的柵極為全差分運(yùn)算放大器的反相輸入端，MOS管M2的漏極與MOS管Μ5的柵極、MOS管Μ4的漏極和柵極相連，MOS管Μ5的源極與MOS管Μ4的源極、MOS管M3的源極、MOS管M13的源極和MOS管M17的源極相連并接地，MOS管M5的漏極與MOS管M18的源極相連，MOS管M18的漏極與MOS管M6的漏極和共模反饋電路的反相輸入端相連并構(gòu)成全差分運(yùn)算放大器的反相輸出端，MOS管M6的源極與MOS管M7的漏極相連，MOS管M7的柵極與MOS管M8的柵極和共模反饋電路的輸出端相連，MOS管M6的柵極與MOS管Mll的柵極、MOS管M14的漏極和MOS管M15的漏極相連，MOS管M7的源極與MOS管M9的源極、MOS管MlO的源極、MOS管M8的源極和MOS管M14的源極相連并接電源電壓，MOS管MlO的柵極與MOS管M9的柵極和漏極相連并通過電流源接地，MOS管M8的漏極與MOS管Mll的源極相連，MOS管Mll的漏極與MOS管M12的漏極和共模反饋電路的正相輸入端相連并構(gòu)成全差分運(yùn)算放大 器的正相輸出端，MOS管M12的柵極與MOS管M18的柵極、MOS管M16的源極和MOS管M17的漏極相連，MOS管M12的源極與MOS管M13的漏極相連，MOS管M14的柵極與MOS管M16的柵極和反相器的輸入端相連并構(gòu)成全差分運(yùn)算放大器的使能端，MOS管M15的柵極與MOS管M17的柵極和反相器的輸出端相連，MOS管M15的源極接收給定的第一偏置電壓，M0S-M16的漏極接收給定的第二偏置電壓。所述的共模反饋電路包括八個(gè)MOS管M19 M26 ;其中，MOS管M20的柵極與MOS管M20的漏極、MOS管M22的漏極和MOS管M23的漏極相連并為共模反饋電路的輸出端，MOS管M20的源極與MOS管M19的源極相連并接電源電壓，MOS管M19的柵極與MOS管M19的漏極、MOS管M21的漏極和MOS管M24的漏極相連，MOS管M21的源極與MOS管M22的源極和MOS管M25的漏極相連，MOS管M24的源極與MOS管M23的源極和MOS管M26的漏極相連，MOS管M22的柵極與MOS管M23的柵極相連并接收給定的共?；鶞?zhǔn)電壓，MOS管M21的柵極為共模反饋電路的正相輸入端，MOS管M24的柵極為共模反饋電路的反相輸入端，MOS管M25的柵極與MOS管M26的柵極相連并接收給定的第三偏置電壓，MOS管M25的源極與MOS管M26的源極相連并接地。全差分運(yùn)算放大器根據(jù)采樣時(shí)鐘的相位分為工作狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)，在低電平相位進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，把輸出電流關(guān)斷，但保留差分輸入級(jí)的微運(yùn)作電流，降低傳感器接ロ模塊的整體功耗的同時(shí)保證運(yùn)放的啟動(dòng)速度；同時(shí)，全差分運(yùn)算放大器使用關(guān)閉其差分輸出級(jí)共源共柵結(jié)構(gòu)中的共柵管來完全關(guān)閉輸出電流，避免了在輸出級(jí)的電流通路上再串入額外的大尺寸比例開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)低功耗的同時(shí)避免了增加額外的版圖面積；而在高電平相位，運(yùn)算放大器則進(jìn)入工作狀態(tài)，差分輸入級(jí)的輸出信號(hào)經(jīng)差分輸出級(jí)進(jìn)ー步放大輸出。另外，差分式結(jié)構(gòu)能夠增大傳感器模塊中可使用的信號(hào)電壓擺幅，非常有利于超低電壓應(yīng)用環(huán)境，具備很優(yōu)的共模噪聲抑制的能力。所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)包括第一電容陣列、第二電容陣列、電阻陣列和橋電容；其中，所述的第一電容陣列的一端為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出端，第一電容陣列的另一端與橋電容的一端相連，橋電容的另一端與第二電容陣列的一端相連，第二電容陣列的另一端與電阻陣列相連。所述的第一電容陣列包括第一開關(guān)和四條電容鏈路；其中，第一開關(guān)的一端接收所述的基準(zhǔn)電壓，第一開關(guān)的另一端與橋電容的一端以及每條電容鏈路的輸出端均相連并構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出端，第一開關(guān)的控制端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)；所述的第二電容陣列包括第二開關(guān)、ニ選ー多路開關(guān)、終端電容和五條電容鏈路；其中，第二開關(guān)的一端接收所述的基準(zhǔn)電壓，第二開關(guān)的另一端與橋電容的另一端、終端電容的一端以及每條電容鏈路的輸出端均相連，第二開關(guān)的控制端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)，終端電容的另一端與ニ選ー多路開關(guān)的輸出端相連，ニ選ー多路開關(guān)的第一輸入端為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸入端，ニ選ー多路開關(guān)的第二輸入端與電阻陣列相連，ニ選ー多路開關(guān)的控制端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)；所述的電容鏈路由電容和三選ー多路開關(guān)構(gòu)成；其中，電容的一端為電容鏈路的輸出端，電容的另一端與三選ー多路開關(guān)的輸出端相連，三選ー多路開關(guān)的第一輸入端為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸入端，三選ー多路開關(guān)的第二輸入端接收所述的基準(zhǔn)電壓，三選ー多路開關(guān)的第三輸入端接地，三選ー多路開關(guān)的第一控制端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)，三選ー多路開關(guān)的第二控制端接收對(duì)應(yīng)的開關(guān)控制系數(shù)位；九條電容鏈路分別接收逐次逼近寄存器提供的9個(gè)開關(guān)控制系數(shù)位D3 D11。所述的電阻陣列包括三個(gè)反相器、兩個(gè)ー級(jí)開關(guān)SfS2、四個(gè)ニ級(jí)開關(guān)S3飛6、八個(gè)三極開關(guān)S7飛14和八個(gè)電阻R3110 ;其中，第一反相器的輸入端接收開關(guān)控制系數(shù)位D2，第二反相器的輸入端接收開關(guān)控制系數(shù)位D1，第三反相器的輸入端接收開關(guān)控制系數(shù) 位D0, —級(jí)開關(guān)SI的一端與一級(jí)開關(guān)S2的一端和第二電容陣列相連,一級(jí)開關(guān)SI的另ー端與ニ級(jí)開關(guān)S3的一端和ニ級(jí)開關(guān)S4的一端相連，一級(jí)開關(guān)S2的另一端與ニ級(jí)開關(guān)S5的一端和ニ級(jí)開關(guān)S6的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S3的另一端與三級(jí)開關(guān)S7的一端和三級(jí)開關(guān)S8的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S4的另一端與三級(jí)開關(guān)S9的一端和三級(jí)開關(guān)SlO的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S5的另一端與三級(jí)開關(guān)Sll的一端和三級(jí)開關(guān)S12的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S6的另一端與三級(jí)開關(guān)S13的一端和三級(jí)開關(guān)S14的一端相連，三級(jí)開關(guān)S7的另一端與電阻R3的一端相連并接地，三級(jí)開關(guān)S8的另一端與電阻R3的另一端和電阻R4的一端相連，三級(jí)開關(guān)S9的另一端與電阻R4的另一端和電阻R5的一端相連,三級(jí)開關(guān)SlO的另一端與電阻R5的另一端和電阻R6的一端相連,三級(jí)開關(guān)Sll的另一端與電阻R6的另一端和電阻R7的一端相連，三級(jí)開關(guān)S12的另一端與電阻R7的另一端和電阻R8的一端相連，三級(jí)開關(guān)S13的另一端與電阻R8的另一端和電阻R9的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S14的另一端與電阻R9的另一端和電阻RlO的一端相連，電阻RlO的另一端接收所述的基準(zhǔn)電壓，一級(jí)開關(guān)SI的控制端與第一反相器的輸出端相連，一級(jí)開關(guān)S2的控制端接收開關(guān)控制系數(shù)位D2，ニ級(jí)開關(guān)S3和ニ級(jí)開關(guān)S5的控制端均與第二反相器的輸出端相連，ニ級(jí)開關(guān)S4和ニ級(jí)開關(guān)S6的控制端均接收開關(guān)控制系數(shù)位D1，三級(jí)開關(guān)S7、三級(jí)開關(guān)S9、三級(jí)開關(guān)Sll和三級(jí)開關(guān)S13的控制端均與第三反相器的輸出端相連，三級(jí)開關(guān)S8、三級(jí)開關(guān)S10、三級(jí)開關(guān)S12和三級(jí)開關(guān)S14的控制端均接收開關(guān)控制系數(shù)位D0。數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的第一電容陣列為前級(jí)放大器負(fù)載電容和模數(shù)轉(zhuǎn)換器米樣電容的主要決定部分，在保證片上単位電容匹配精度的前提下，可以實(shí)現(xiàn)幾PF到十幾pF的量級(jí)的負(fù)載電容和采樣電容，能使前級(jí)閉環(huán)放大器很容易的提供幾百Hz到幾KHz的閉環(huán)帶寬，可以用于前述不同輸入信號(hào)帶寬的醫(yī)用儀器傳感器接ロ模塊，且縮短了模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣穩(wěn)定時(shí)間，減小了采樣誤差。另外，第一電容陣列，第二電容陣列，第一電阻陣列可以實(shí)現(xiàn)12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，而所需電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的ニ進(jìn)制加權(quán)的電容數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了大量的版圖面積，顯著降低了芯片的成本。本發(fā)明傳感器接ロ模塊主要負(fù)責(zé)將生物醫(yī)學(xué)儀器傳感器探測(cè)到的微弱的模擬電壓信號(hào)放大和濾波，再量化成高精度的數(shù)字碼輸出。其中，前級(jí)閉環(huán)放大器跟據(jù)采樣時(shí)種的相位分為工作狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)，并且能配合與之相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行。當(dāng)采樣時(shí)鐘信號(hào)為高電平相位時(shí)，前級(jí)閉環(huán)放大器處于工作狀態(tài)，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器也處于對(duì)輸入電壓的采樣狀態(tài)。這時(shí)，前級(jí)閉環(huán)放大器輸入端的微弱模擬信號(hào)就可以經(jīng)過放大及濾波，并傳到前級(jí)閉環(huán)放大器的輸出端。這時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器處于對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣的狀態(tài)，前級(jí)閉環(huán)放大器的輸出和數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)連通，特別是數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)中第一電容網(wǎng)絡(luò)作為前級(jí)閉環(huán)放大器的負(fù)載電容，也同時(shí)作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣電容。當(dāng)采樣時(shí)鐘信號(hào)為低電平相位時(shí)，前級(jí)閉環(huán)放大器處于關(guān)閉狀態(tài)，而此時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)和前級(jí)放大器的輸出斷開，模數(shù)轉(zhuǎn)換器開始將采樣到的輸入電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行逐次比較并進(jìn)行量化編碼，并輸出12位的數(shù)字碼。本發(fā)明的有益技術(shù)效果(I)本發(fā)明前級(jí)閉環(huán)放大器中運(yùn)算放大器根據(jù)采樣時(shí)種的相位分為工作狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)，在關(guān)閉狀態(tài)把輸出電流關(guān)斷，但保留差分輸入級(jí)的微運(yùn)作電流，降低傳感器接ロ模 塊的整體功耗的同時(shí)保證運(yùn)放的啟動(dòng)速度。(2)本發(fā)明運(yùn)算放大器使用關(guān)閉其輸出級(jí)共源共柵結(jié)構(gòu)中的共柵管及匹配管來完全關(guān)閉輸出電流，避免了在輸出級(jí)的電流通路上再串入額外的大尺寸比例開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)低功耗的同時(shí)避免了增加額外的版圖面積。(3)本發(fā)明模數(shù)轉(zhuǎn)換器中數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的第一電容陣列為前級(jí)放大器負(fù)載電容的主要決定部分，在保證片上単位電容匹配精度的前提下，可以實(shí)現(xiàn)幾PF到十幾pF的量級(jí)的負(fù)載電容，能使前級(jí)閉環(huán)放大器很容易的提供幾百Hz到幾KHz的閉環(huán)帶寬，可以用于不同輸入信號(hào)帶寬的傳感器接ロ模塊。(4)本發(fā)明模數(shù)轉(zhuǎn)換器中數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的第一電容陣列為該模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣電容的主要決定部分，在保證片上単位電容匹配精度的前提下，實(shí)現(xiàn)幾PF到十幾pF的量級(jí)的采樣電容縮短了模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣穩(wěn)定時(shí)間，減小了采樣誤差。(5)本發(fā)明中第一電容陣列，第二電容陣列，第一電阻陣列可以實(shí)現(xiàn)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，而所需電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的ニ進(jìn)制加權(quán)的電容數(shù)模網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了大量的版圖面積，顯著降低了芯片的成本。(6)本發(fā)明傳感器接ロ模塊的差分式結(jié)構(gòu)増大了傳感器模塊中可使用的信號(hào)電壓擺幅，非常有利于超低電壓應(yīng)用環(huán)境。(7)本發(fā)明傳感器接ロ模塊的差分式結(jié)構(gòu)具備很優(yōu)的共模噪聲抑制的能力。


圖I為現(xiàn)有傳感器接ロ模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明傳感器接ロ模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明差分式傳感器接ロ模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為全差分運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案及其相關(guān)原理進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例I :如圖2所示，一種傳感器接ロ模塊，包括前級(jí)閉環(huán)放大器I和與之相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器2 ；前級(jí)閉環(huán)放大器I用于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)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器2用于接收電壓放大信號(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)(12位數(shù)字碼Β(ΓΒ11)。前級(jí)閉環(huán)放大器I包括一個(gè)運(yùn)算放大器3、四個(gè)電容Cf C4和兩個(gè)電阻Rf R2 ;其中，電容Cl的一端為前級(jí)閉環(huán)放大器I的反相輸入端，電容Cl的另一端與運(yùn)算放大器3的反相輸入端、電容C3的一端和電阻Rl的一端相連，電容C2的一端為前級(jí)閉環(huán)放大器I的正相輸入端，電容C2的另一端與運(yùn)算放大器3的正相輸入端、電容C4的一端和電阻R2的一端相連，電容C4的另一端與電阻R2的另一端相連并接參考地電壓，運(yùn)算放大器3的使能端接收給定的采樣時(shí)鐘信號(hào)Sample,運(yùn)算放大器3的輸出端與電容C3的另一端和電阻Rl的另一端相連并構(gòu)成前級(jí)閉環(huán)放大器I的輸出端。本實(shí)施方式中，參考地電壓為VDD/2。其中，Cl和C2的容值相等，C3和C4的容值相等，Rl和R2的阻值相等。如圖3所示，運(yùn)算放大器3包括十七個(gè)MOS管Mf M17、一個(gè)反相器和一個(gè)電流源；其中，MOS管Ml的柵極為運(yùn)算放大器3的正相輸入端IN+，MOS管Ml的源極與MOS管M2的源極和MOS管MlO的漏極相連，MOS管Ml的漏極與MOS管M13的柵極、MOS管M3的漏極和柵極相連，MOS管M2的柵極為運(yùn)算放大器3的反相輸入端IN-，MOS管M2的漏極與MOS管M5的柵極、MOS管M4的漏極和柵極相連，MOS管M5的源極與MOS管M4的源極、MOS管M3的源極、MOS管M13的源極和MOS管M17的源極相連并接地，MOS管M5的漏極與MOS管M6 的源極相連，MOS管M6的漏極與MOS管M8的柵極、MOS管M7的漏極和柵極相連，MOS管M6的柵極與MOS管M12的柵極、MOS管M17的漏極和MOS管M16的源極相連，MOS管M7的源極與MOS管M9的源極、MOS管MlO的源極、MOS管M8的源極和MOS管M14的源極相連并接電源電壓VDD，M0S管MlO的柵極與MOS管M9的柵極和漏極相連并通過電流源接地，MOS管M8的漏極與MOS管Mll的源極相連，MOS管Mll的漏極與MOS管M12的漏極相連并構(gòu)成運(yùn)算放大器3的輸出端Vout，MOS管Mll的柵極與MOS管M14的漏極和MOS管M15的漏極相連，MOS管M12的源極與MOS管M13的漏極相連，MOS管M14的柵極與MOS管M16的柵極和反相器的輸入端相連并構(gòu)成運(yùn)算放大器3的使能端，MOS管M15的柵極與MOS管M17的柵極和反相器的輸出端相連，MOS管M15的源極接收給定的第一偏置電壓Vbp，MOS管M16的漏極接收給定的第二偏置電壓Vbn。其中，Ml、M2、M7、M8、M9、M10、Mil、M14和 M15 均為 PMOS 管，其余的 MOS 管均為NMOS 管。運(yùn)算放大器3有兩種工作狀態(tài)，由采樣時(shí)鐘信號(hào)信號(hào)Sample控制；當(dāng)Sample為高電平時(shí)，為工作相位；當(dāng)Sample為低電平時(shí),為關(guān)閉相位。當(dāng)處于工作相位時(shí)，M14和M17關(guān)斷，M15和M16導(dǎo)通，由偏置電壓Vbp使MlI工作在飽和狀態(tài)，偏置電壓Vbn使M12及M6工作在飽和狀態(tài)。這時(shí)，M8、M11、M13和M12組成共源共柵推挽輸出級(jí)，其可以在微電流情況下提供足夠的運(yùn)放増益和壓擺率。M6為匹配管，可以使M5和M13的漏極電壓相等，去除溝道調(diào)制的誤差。處于關(guān)閉相位時(shí)，M14和M17導(dǎo)通，M15和M16關(guān)斷，使得M6、Mll和M12均關(guān)斷，運(yùn)放的輸出級(jí)完全關(guān)閉，輸出級(jí)電流為零，而運(yùn)算放大器差分輸入級(jí)的運(yùn)作電流很小，保留該差分輸入級(jí)的微運(yùn)作電流能保證運(yùn)放的啟動(dòng)速度。運(yùn)算放大器在關(guān)閉相位，使用關(guān)閉其輸出級(jí)共源共柵結(jié)構(gòu)中共柵管M11和M12及匹配的共柵管M6來完全關(guān)閉其輸出級(jí)電流。而傳統(tǒng)的開關(guān)型運(yùn)算放大器是在輸出級(jí)的電流通路上再串入額外的大尺寸比例MOS管在關(guān)閉相位關(guān)閉輸出級(jí)電流；可見本實(shí)施方式的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)低功耗的同時(shí)避免增加額外的版圖面積。模數(shù)轉(zhuǎn)換器2包括數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)4、比較器和逐次逼近寄存器；其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)4的輸入端與前級(jí)閉環(huán)放大器的輸出端相連，數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)4的采樣使能端接收采樣時(shí)鐘信號(hào)Sample，數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)4的輸出端與比較器的反相輸入端相連，比較器的正相輸入 端接收給定的基準(zhǔn)電壓Vref，比較器的輸出端與逐次逼近寄存器的輸入端相連，逐次逼近寄存器向數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)提供12個(gè)開關(guān)控制系數(shù)位D(TD11并輸出12位數(shù)字碼Β(ΓΒ11。如圖6所示，數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)4包括第一電容陣列5、第二電容陣列6、電阻陣列7和橋電容C7 ;其中，第一電容陣列5的一端為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)4的輸出端，第一電容陣列5的另一端與橋電容C7的一端相連,橋電容C7的另一端與第二電容陣列6的一端相連,第二電容陣列6的另一端與電阻陣列7相連。第一電容陣列5包括第一開關(guān)和四條電容鏈路；其中，第一開關(guān)的一端接收基準(zhǔn)電壓Vref,第一開關(guān)的另一端與橋電容C7的一端以及姆條電容鏈路的輸出端均相連并構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)4的輸出端，第一開關(guān)的控制端接收采樣時(shí)鐘信號(hào)Sample ；第二電容陣列6包括第二開關(guān)、ニ選ー多路開關(guān)、終端電容Cl和五條電容鏈路；其中，第二開關(guān)的一端接收基準(zhǔn)電壓Vref，第二開關(guān)的另一端與橋電容C7的另一端、終端電容Cl的一端以及每條電容鏈路的輸出端均相連，第二開關(guān)的控制端接收采樣時(shí)鐘信號(hào)Sample,終端電容Cl的另一端與ニ選ー多路開關(guān)的輸出端相連,ニ選ー多路開關(guān)的第一輸入端為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)4的輸入端并接收電壓放大信號(hào)Vin，ニ選ー多路開關(guān)的第二輸入端與電阻陣列7相連，ニ選ー多路開關(guān)的控制端接收米樣時(shí)鐘信號(hào)Sample ；電容鏈路由電容和三選ー多路開關(guān)構(gòu)成；其中，電容的一端為電容鏈路的輸出端，電容的另一端與三選ー多路開關(guān)的輸出端相連，三選ー多路開關(guān)的第一輸入端為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)4的輸入端并接收電壓放大信號(hào)Vin，三選ー多路開關(guān)的第二輸入端接收基準(zhǔn)電壓Vref,三選ー多路開關(guān)的第三輸入端接地，三選ー多路開關(guān)的第一控制端接收采樣時(shí)鐘信號(hào)Sample，三選ー多路開關(guān)的第二控制端接收對(duì)應(yīng)的開關(guān)控制系數(shù)位；九條電容鏈路分別接收逐次逼近寄存器提供的9個(gè)開關(guān)控制系數(shù)位D3 D11 ；其中，C8、C1和C2為單位電容，C9和C3為2倍的單位電容，ClO和C4為4倍的單位電容，Cll和C5為8倍的單位電容，C6為16倍的單位電容；本實(shí)施方式中，單位電容的容值取值范圍為從O. 5-lpF，所以相應(yīng)的第一電容陣列5的可選的總?cè)葜禐?. 5-15pF，而第ニ電容陣列6的可選的總?cè)葜禐?6-32pF。橋電容C7和第二電容陣列6的總?cè)葜荡?lián)之和等于C8，加入橋電容C7不但可使第一電容陣列5和第二電容陣列6分開，使得第一電容陣列5能作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器2的輸入采樣電容，即前級(jí)運(yùn)放3的負(fù)載電容，更能縮小第一電容陣列5最高有效位加權(quán)電容的容值。電阻陣列7包括三個(gè)反相器、兩個(gè)ー級(jí)開關(guān)Sf S2、四個(gè)ニ級(jí)開關(guān)S3飛6、八個(gè)三極開關(guān)S7 S14和八個(gè)電阻R3110 ;其中，第一反相器的輸入端接收開關(guān)控制系數(shù)位D2，第二反相器的輸入端接收開關(guān)控制系數(shù)位D1，第三反相器的輸入端接收開關(guān)控制系數(shù)位D0，一級(jí)開關(guān)SI的一端與一級(jí)開關(guān)S2的一端和第二電容陣列6相連,一級(jí)開關(guān)SI的另一端與ニ級(jí)開關(guān)S3的一端和ニ級(jí)開關(guān)S4的一端相連，一級(jí)開關(guān)S2的另一端與ニ級(jí)開關(guān)S5的一端和ニ級(jí)開關(guān)S6的一端相連，ニ級(jí)開關(guān) S3的另一端與三級(jí)開關(guān)S7的一端和三級(jí)開關(guān)S8的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S4的另一端與三級(jí)開關(guān)S9的一端和三級(jí)開關(guān)SlO的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S5的另一端與ニ級(jí)開關(guān)Sll的一端和ニ級(jí)開關(guān)S12的一端相連，_■級(jí)開關(guān)S6的另一端與三級(jí)開關(guān)S13的一端和三級(jí)開關(guān)S14的一端相連，三級(jí)開關(guān)S7的另一端與電阻R3的一端相連并接地，三級(jí)開關(guān)S8的另一端與電阻R3的另一端和電阻R4的一端相連，三級(jí)開關(guān)S9的另一端與電阻R4的另一端和電阻R5的一端相連,三級(jí)開關(guān)SlO的另一端與電阻R5的另一端和電阻R6的一端相連,三級(jí)開關(guān)Sll的另一端與電阻R6的另一端和電阻R7的一端相連，三級(jí)開關(guān)S12的另一端與電阻R7的另一端和電阻R8的一端相連，三級(jí)開關(guān)S13的另一端與電阻R8的另一端和電阻R9的一端相連,三級(jí)開關(guān)S14的另一端與電阻R9的另一端和電阻RlO的一端相連，電阻RlO的另一端接收基準(zhǔn)電壓Vref，一級(jí)開關(guān)SI的控制端與第一反相器的輸出端相連，一級(jí)開關(guān)S2的控制端接收開關(guān)控制系數(shù)位D2，ニ級(jí)開關(guān)S3和ニ級(jí)開關(guān)S5的控制端均與第二反相器的輸出端相連，ニ級(jí)開關(guān)S4和ニ級(jí)開關(guān)S6的控制端均接收開關(guān)控制系數(shù)位D1，三級(jí)開關(guān)S7、三級(jí)開關(guān)S9、三級(jí)開關(guān)Sll和三級(jí)開關(guān)S13的控制端均與第三反相器的輸出端相連，三級(jí)開關(guān)S8、三級(jí)開關(guān)S10、三級(jí)開關(guān)S12和三級(jí)開關(guān)S14的控制端均接收開關(guān)控制系數(shù)位D0。電阻陣列7使用電阻陣列結(jié)構(gòu)，減小了第二電容陣列6最高有效位加權(quán)電容的容值，進(jìn)ー步縮小了所需的版圖面積。前級(jí)閉環(huán)放大器I的閉環(huán)帶寬Fb由運(yùn)算放大器3輸出所帶的負(fù)載電容Cload、運(yùn)算放大器3的垮導(dǎo)Gm以及耦合電容Cl和反饋電容C3的比值共同決定。
權(quán)利要求
1.一種傳感器接ロ模塊，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)換后輸出量化信號(hào)；其特征在于 所述的前級(jí)閉環(huán)放大器包括一個(gè)運(yùn)算放大器、四個(gè)電容Cf C4和兩個(gè)電阻Rf R2 ;其中，電容Cl的一端為前級(jí)閉環(huán)放大器的反相輸入端，電容Cl的另一端與運(yùn)算放大器的反相輸入端、電容C3的一端和電阻Rl的一端相連，電容C2的一端為前級(jí)閉環(huán)放大器的正相輸入端，電容C2的另一端與運(yùn)算放大器的正相輸入端、電容C4的一端和電阻R2的一端相連，電容C4的另一端與電阻R2的另一端相連并接參考地電壓，運(yùn)算放大器的使能端接收給定的采樣時(shí)鐘信號(hào)，運(yùn)算放大器的輸出端與電容C3的另一端和電阻Rl的另一端相連并構(gòu)成前級(jí)閉環(huán)放大器的輸出端； 所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、比較器和逐次逼近寄存器；其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸入端與前級(jí)閉環(huán)放大器的輸出端相連，數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的采樣使能端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出端與比較器的反相輸入端相連，比較器的正相輸入端接收給定的基準(zhǔn)電壓，比較器的輸出端與逐次逼近寄存器的輸入端相連，逐次逼近寄存器向數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)提供12個(gè)開關(guān)控制系數(shù)位D(TD11并輸出12位數(shù)字碼Β(ΓΒ11。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器接ロ模塊，其特征在于所述的運(yùn)算放大器包括十七個(gè)MOS管Μ1 Μ17、一個(gè)反相器和一個(gè)電流源；其中，MOS管Ml的柵極為運(yùn)算放大器的正相輸入端，MOS管Ml的源極與MOS管M2的源極和MOS管MlO的漏極相連，MOS管Ml的漏極與MOS管Μ13的柵極、MOS管M3的漏極和柵極相連，MOS管M2的柵極為運(yùn)算放大器的反相輸入端，MOS管M2的漏極與MOS管Μ5的柵極、MOS管Μ4的漏極和柵極相連，MOS管Μ5的源極與MOS管Μ4的源極、MOS管M3的源極、MOS管Μ13的源極和MOS管Μ17的源極相連并接地，MOS管Μ5的漏極與MOS管Μ6的源極相連，MOS管Μ6的漏極與MOS管Μ8的柵極、MOS管Μ7的漏極和柵極相連，MOS管Μ6的柵極與MOS管Μ12的柵極、MOS管Μ17的漏極和MOS管Μ16的源極相連，MOS管Μ7的源極與MOS管Μ9的源極、MOS管MlO的源極、MOS管Μ8的源極和MOS管Μ14的源極相連并接電源電壓，MOS管MlO的柵極與MOS管Μ9的柵極和漏極相連并通過電流源接地，MOS管Μ8的漏極與MOS管Mll的源極相連，MOS管Mll的漏極與MOS管Μ12的漏極相連并構(gòu)成運(yùn)算放大器的輸出端，MOS管Mll的柵極與MOS管Μ14的漏極和MOS管Μ15的漏極相連，MOS管Μ12的源極與MOS管Μ13的漏極相連，MOS管Μ14的柵極與MOS管Μ16的柵極和反相器的輸入端相連并構(gòu)成運(yùn)算放大器的使能端，MOS管Μ15的柵極與MOS管Μ17的柵極和反相器的輸出端相連，MOS管Μ15的源極接收給定的第一偏置電壓，MOS管Μ16的漏極接收給定的第二偏置電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器接ロ模塊，其特征在于所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)包括第一電容陣列、第二電容陣列、電阻陣列和橋電容；其中，所述的第一電容陣列的一端為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出端，第一電容陣列的另一端與橋電容的一端相連，橋電容的另一端與第二電容陣列的一端相連，第二電容陣列的另一端與電阻陣列相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器接ロ模塊，其特征在于所述的第一電容陣列包括第一開關(guān)和四條電容鏈路；其中，第一開關(guān)的一端接收所述的基準(zhǔn)電壓，第一開關(guān)的另一端與橋電容的一端以及姆條電容鏈路的輸出端均相連并構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出端，第一開關(guān)的控制端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器接ロ模塊，其特征在于所述的第二電容陣列包括第ニ開關(guān)、ニ選ー多路開關(guān)、終端電容和五條電容鏈路；其中，第二開關(guān)的一端接收所述的基準(zhǔn)電壓，第二開關(guān)的另一端與橋電容的另一端、終端電容的一端以及每條電容鏈路的輸出端均相連，第二開關(guān)的控制端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)，終端電容的另一端與ニ選ー多路開關(guān)的輸出端相連，ニ選ー多路開關(guān)的第一輸入端為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸入端，ニ選ー多路開關(guān)的第二輸入端與電阻陣列相連，ニ選ー多路開關(guān)的控制端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的傳感器接ロ模塊，其特征在于所述的電容鏈路由電容和三選ー多路開關(guān)構(gòu)成；其中，電容的一端為電容鏈路的輸出端，電容的另一端與三選ー多路開關(guān)的輸出端相連，三選ー多路開關(guān)的第一輸入端為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸入端，三選ー多路開關(guān)的第二輸入端接收所述的基準(zhǔn)電壓，三選ー多路開關(guān)的第三輸入端接地，三選ー多路開關(guān)的第一控制端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)，三選ー多路開關(guān)的第二控制端接收對(duì)應(yīng)的開關(guān)控制系數(shù)位。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器接ロ模塊，其特征在于所述的電阻陣列包括三個(gè)反相器、兩個(gè)ー級(jí)開關(guān)S1 S2、四個(gè)ニ級(jí)開關(guān)S3 S6、八個(gè)三極開關(guān)S7 S14和八個(gè)電阻R3 R10 ；其中，第一反相器的輸入端接收開關(guān)控制系數(shù)位D2，第二反相器的輸入端接收開關(guān)控制系數(shù)位D1，第三反相器的輸入端接收開關(guān)控制系數(shù)位D0，一級(jí)開關(guān)SI的一端與一級(jí)開關(guān)S2的一端和第二電容陣列相連，一級(jí)開關(guān)SI的另一端與ニ級(jí)開關(guān)S3的一端和ニ級(jí)開關(guān)S4的一端相連，一級(jí)開關(guān)S2的另一端與ニ級(jí)開關(guān)S5的一端和ニ級(jí)開關(guān)S6的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S3的另一端與ニ級(jí)開關(guān)S7的一端和ニ級(jí)開關(guān)S8的一端相連，_■級(jí)開關(guān)S4的另一端與三級(jí)開關(guān)S9的一端和三級(jí)開關(guān)SlO的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S5的另一端與三級(jí)開關(guān)Sll的一端和三級(jí)開關(guān)S12的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S6的另一端與三級(jí)開關(guān)S13的一端和三級(jí)開關(guān)S14的一端相連，三級(jí)開關(guān)S7的另一端與電阻R3的一端相連并接地，三級(jí)開關(guān)S8的另一端與電阻R3的另一端和電阻R4的一端相連，三級(jí)開關(guān)S9的另一端與電阻R4的另一端和電阻R5的一端相連，三級(jí)開關(guān)SlO的另一端與電阻R5的另一端和電阻R6的一端相連,三級(jí)開關(guān)Sll的另一端與電阻R6的另一端和電阻R7的一端相連,三級(jí)開關(guān)S12的另一端與電阻R7的另一端和電阻R8的一端相連,三級(jí)開關(guān)S13的另一端與電阻R8的另一端和電阻R9的一端相連，三級(jí)開關(guān)S14的另一端與電阻R9的另一端和電阻RlO的一端相連，電阻RlO的另一端接收所述的基準(zhǔn)電壓，一級(jí)開關(guān)SI的控制端與第一反相器的輸出端相連,一級(jí)開關(guān)S2的控制端接收開關(guān)控制系數(shù)位D2，ニ級(jí)開關(guān)S3和ニ級(jí)開關(guān)S5的控制端均與第二反相器的輸出端相連，ニ級(jí)開關(guān)S4和ニ級(jí)開關(guān)S6的控制端均接收開關(guān)控制系數(shù)位Dl，三級(jí)開關(guān)S7、三級(jí)開關(guān)S9、三級(jí)開關(guān)SI I和三級(jí)開關(guān)S13的控制端均與第三反相器的輸出端相連，三級(jí)開關(guān)S8、三級(jí)開關(guān)S10、三級(jí)開關(guān)S12和三級(jí)開關(guān)S14的控制端均接收開關(guān)控制系數(shù)位D0。
8.—種傳感器接ロ模塊，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差分電壓放大信號(hào)；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收所述的差分電壓放大信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出量化信號(hào)；其特征在于 所述的前級(jí)閉環(huán)放大器包括ー個(gè)全差分運(yùn)算放大器、四個(gè)電容CfC4和兩個(gè)電阻R1 R2 ;其中，電容Cl的一端為前級(jí)閉環(huán)放大器的反相輸入端，電容Cl的另一端與全差分運(yùn)算放大器的反相輸入端、電容C3的一端和電阻Rl的一端相連，電容C2的一端為前級(jí)閉環(huán)放大器的正相輸入端，電容C2的另一端與全差分運(yùn)算放大器的正相輸入端、電容C4的一端和電阻R2的一端相連，全差分運(yùn)算放大器的使能端接收給定的采樣時(shí)鐘信號(hào)，全差分運(yùn)算放大器的正相輸出端與電容C3的另一端和電阻Rl的另一端相連并構(gòu)成前級(jí)閉環(huán)放大器的正相輸出端，全差分運(yùn)算放大器的反相輸出端與電容C4的另一端和電阻R2的另一端相連并構(gòu)成前級(jí)閉環(huán)放大器的反相輸出端； 所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、一比較器和一逐次逼近寄存器；其中，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸入端與前級(jí)閉環(huán)放大器的正相輸出端相連，第二數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸入端與前級(jí)閉環(huán)放大器的反相輸出端相連，兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的采樣使能端均接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出端與比較器的正相輸入端相連，第二數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出端與比較器的反相輸入端相連，比較器的輸出端與逐次逼近寄存器的輸入端相連，逐次逼近寄存器向兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)提供12個(gè)開關(guān)控制系數(shù)位D(TD11并輸出12位數(shù)字碼B0 B11。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器接ロ模塊，其特征在于所述的全差分運(yùn)算放大器包括十八個(gè)MOS管Mf M18、一個(gè)反相器、一個(gè)電流源和一個(gè)共模反饋電路；其中，MOS管Ml的柵極為全差分運(yùn)算放大器的正相輸入端，MOS管Ml的源極與MOS管M2的源極和MOS管MlO的漏極相連，MOS管Ml的漏極與MOS管M13的柵極、MOS管M3的漏極和柵極相連，MOS管M2的柵極為全差分運(yùn)算放大器的反相輸入端，MOS管M2的漏極與MOS管M5的柵極、MOS管M4的漏極和柵極相連，MOS管M5的源極與MOS管M4的源極、MOS管M3的源極、MOS管M13的源極和MOS管M17的源極相連并接地，MOS管M5的漏極與MOS管M18的源極相連，MOS管M18的漏極與MOS管M6的漏極和共模反饋電路的反相輸入端相連并構(gòu)成全差分運(yùn)算放大器的反相輸出端，MOS管M6的源極與MOS管M7的漏極相連，MOS管M7的柵極與MOS管M8的柵極和共模反饋電路的輸出端相連，MOS管M6的柵極與MOS管Mll的柵極、MOS管M14的漏極和MOS管M15的漏極相連，MOS管M7的源極與MOS管M9的源極、MOS管MlO的源極、MOS管M8的源極和MOS管M14的源極相連并接電源電壓，MOS管MlO的柵極與MOS管M9的柵極和漏極相連并通過電流源接地，MOS管M8的漏極與MOS管Mll的源極相連，MOS管Mll的漏極與MOS管M12的漏極和共模反饋電路的正相輸入端相連并構(gòu)成全差分運(yùn)算放大器的正相輸出端，MOS管M12的柵極與MOS管M18的柵極、MOS管M16的源極和MOS管M17的漏極相連，MOS管M12的源極與MOS管M13的漏極相連，MOS管M14的柵極與MOS管M16的柵極和反相器的輸入端相連并構(gòu)成全差分運(yùn)算放大器的使能端，MOS管M15的柵極與MOS管M17的柵極和反相器的輸出端相連，MOS管M15的源極接收給定的第一偏置電壓，MOS管M16的漏極接收給定的第二偏置電壓； 所述的共模反饋電路包括八個(gè)MOS管M19 M26 ;其中，MOS管M20的柵極與MOS管M20的漏極、MOS管M22的漏極和MOS管M23的漏極相連并為共模反饋電路的輸出端，MOS管M20的源極與MOS管M19的源極相連并接電源電壓，MOS管M19的柵極與MOS管M19的漏極、MOS管M21的漏極和MOS管M24的漏極相連，MOS管M21的源極與MOS管M22的源極和MOS管M25的漏極相連，MOS管M24的源極與MOS管M23的源極和MOS管M26的漏極相連，MOS管M22的柵極與MOS管M23的柵極相連并接收給定的共?；鶞?zhǔn)電壓，MOS管M21的柵極為共模反饋電路的正相輸入端，MOS管M24的柵極為共模反饋電路的反相輸入端，MOS管M25的柵極與MOS管M26的柵極相連并接收給定的第三偏置電壓，MOS管M25的源極與MOS管M26的源極相連并接地。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器接ロ模塊，其特征在于所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)包括第一電容陣列、第二電容陣列、電阻陣列和橋電容；其中，所述的第一電容陣列的一端為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出端，第一電容陣列的另一端與橋電容的一端相連，橋電容的另一端與第二電容陣列的一端相連，第二電容陣列的另一端與電阻陣列相連； 所述的第一電容陣列包括第一開關(guān)和四條電容鏈路；其中，第一開關(guān)的一端接收所述的基準(zhǔn)電壓，第一開關(guān)的另一端與橋電容的一端以及每條電容鏈路的輸出端均相連并構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸出端，第一開關(guān)的控制端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)； 所述的第二電容陣列包括第二開關(guān)、ニ選ー多路開關(guān)、終端電容和五條電容鏈路；其中，第二開關(guān)的一端接收所述的基準(zhǔn)電壓，第二開關(guān)的另一端與橋電容的另一端、終端電容的一端以及每條電容鏈路的輸出端均相連，第二開關(guān)的控制端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)，終端電容的另一端與ニ選ー多路開關(guān)的輸出端相連，ニ選ー多路開關(guān)的第一輸入端為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸入端，ニ選ー多路開關(guān)的第二輸入端與電阻陣列相連，ニ選ー多路開關(guān)的控制端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)； 所述的電容鏈路由電容和三選ー多路開關(guān)構(gòu)成；其中，電容的一端為電容鏈路的輸出端，電容的另一端與三選ー多路開關(guān)的輸出端相連，三選ー多路開關(guān)的第一輸入端為數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的輸入端，三選ー多路開關(guān)的第二輸入端接收所述的基準(zhǔn)電壓，三選ー多路開關(guān)的第三輸入端接地，三選ー多路開關(guān)的第一控制端接收所述的采樣時(shí)鐘信號(hào)，三選ー多路開關(guān)的第二控制端接收對(duì)應(yīng)的開關(guān)控制系數(shù)位；九條電容鏈路分別接收逐次逼近寄存器提供的9個(gè)開關(guān)控制系數(shù)位D3 D11 ； 所述的電阻陣列包括三個(gè)反相器、兩個(gè)ー級(jí)開關(guān)SfS2、四個(gè)ニ級(jí)開關(guān)S3飛6、八個(gè)三極開關(guān)S7 S14和八個(gè)電阻R3110 ;其中，第一反相器的輸入端接收開關(guān)控制系數(shù)位D2，第ニ反相器的輸入端接收開關(guān)控制系數(shù)位D1，第三反相器的輸入端接收開關(guān)控制系數(shù)位D0，一級(jí)開關(guān)SI的一端與一級(jí)開關(guān)S2的一端和第二電容陣列相連,一級(jí)開關(guān)SI的另一端與ニ級(jí)開關(guān)S3的一端和ニ級(jí)開關(guān)S4的一端相連，一級(jí)開關(guān)S2的另一端與ニ級(jí)開關(guān)S5的一端和ニ級(jí)開關(guān)S6的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S3的另一端與三級(jí)開關(guān)S7的一端和三級(jí)開關(guān)S8的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S4的另一端與三級(jí)開關(guān)S9的一端和三級(jí)開關(guān)SlO的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S5的另一端與ニ級(jí)開關(guān)Sll的一端和ニ級(jí)開關(guān)S12的一端相連，_■級(jí)開關(guān)S6的另一端與三級(jí)開關(guān)S13的一端和三級(jí)開關(guān)S14的一端相連，三級(jí)開關(guān)S7的另一端與電阻R3的一端相連并接地，三級(jí)開關(guān)S8的另一端與電阻R3的另一端和電阻R4的一端相連，三級(jí)開關(guān)S9的另一端與電阻R4的另一端和電阻R5的一端相連,三級(jí)開關(guān)SlO的另一端與電阻R5的另一端和電阻R6的一端相連,三級(jí)開關(guān)Sll的另一端與電阻R6的另一端和電阻R7的一端相連，三級(jí)開關(guān)S 12的另一端與電阻R7的另一端和電阻R8的一端相連，三級(jí)開關(guān)S 13的另一端與電阻R8的另一端和電阻R9的一端相連，ニ級(jí)開關(guān)S 14的另一端與電阻R9的另一端和電阻RlO的一端相連，電阻RlO的另一端接收所述的基準(zhǔn)電壓，一級(jí)開關(guān)SI的控制端與第一反相器的輸出端相連，一級(jí)開關(guān)S2的控制端接收開關(guān)控制系數(shù)位D2，ニ級(jí)開關(guān)S3和ニ級(jí)開關(guān)S5的控制端均與第二反相器的輸出端相連，ニ級(jí)開關(guān)S4和ニ級(jí)開關(guān)S6的控制端均接收開關(guān)控制系數(shù)位Dl，三級(jí)開關(guān)S7、三級(jí)開關(guān)S9、三級(jí)開關(guān)Sll和三級(jí)開關(guān)S13的控制端均與第三反相器的輸出端相連，三級(jí)開關(guān)S8、三級(jí)開關(guān)S 10、三級(jí)開關(guān)S 12和三級(jí)開 關(guān)S14的控制端均接收開關(guān)控制系數(shù)位D0。
全文摘要
本發(fā)明公開了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。本發(fā)明前級(jí)閉環(huán)放大器中的運(yùn)算放大器使用關(guān)閉其輸出級(jí)共源共柵結(jié)構(gòu)中的共柵管及匹配管來完全關(guān)閉輸出電流，避免了在輸出級(jí)的電流通路上再串入額外的大尺寸比例開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)低功耗的同時(shí)避免了增加額外的版圖面積；同時(shí)本發(fā)明模數(shù)轉(zhuǎn)換器中數(shù)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的第一電容陣列為前級(jí)放大器負(fù)載電容的主要決定部分，在保證片上單位電容匹配精度的前提下，復(fù)用該電容陣列來當(dāng)做負(fù)載電容，能使前級(jí)閉環(huán)放大器很容易的提供幾百Hz到幾KHz的閉環(huán)帶寬，可以應(yīng)用于不同輸入信號(hào)帶寬的生物醫(yī)學(xué)儀器傳感器接口模塊。
文檔編號(hào)H03M1/12GK102694552SQ20121018438
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者鄒磊 申請(qǐng)人:鄒磊