[发明专利]一种传感器接口模块

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种适用于生物医学仪器的传感器接口模块。

背景技术

传感器广泛应用于植入式和便携式生物医学仪器如脑电图记述器（EEG）、心电图记述器（ECG）、神经信号记述器（NSR）；而传感器接口模块主要负责将传感器探测到的微弱的模拟电压信号转换成高精度的数字信号输出，这种接口模块主要包括前级闭环放大器及其所连接的高精度逐次逼近型模数转换器（successive approximation ADC），其可以将上述传感器提供输入的微弱的模拟信号经放大和滤波，再量化为数字信号输出。

在生物医学仪器应用中传感器接口模块连接的输入模拟信号电压幅度最多只有几个mV，而不同应用中的输入信号带宽范围为100Hz到几KHz，如EEG为100Hz，ECG为200Hz，NSR为几KHz。所以前级闭环放大器必须具备对微弱的模拟电压信号进行放大的功能，以及滤除应用中输入信号带宽外噪声的滤波功能，而其后的逐次逼近型模数转换器也通常要求具备12位的精度来量化该信号，最终其信息可以提供给生物医学仪器的数字信号处理或测量装置。

在集成电路模块中，低功耗，尽可能小的集成电路版图面积是主要的电路设计考虑因素，也是体现同类产品竞争力的主要指标。当下集成电路设计已经进入了深亚微米和纳米CMOS工艺，基于以上工艺，晶体管的尺寸可以显著缩小，但集成电容所占的片上面积仍然无法缩小，成为最占芯片面积的无源器件。

图1所示了一种现有传感器接口模块的结构框图。包括前级闭环放大器、用于提供前级闭环放大器滤波的负载电容Cload、电压跟随器和包括传统电容阵列式数模转换网络的12位逐次逼近型模数转换器。这种传感器接口模块中的负载电容Cload及传统电容阵列式数模转换网络中二进制加权的电容阵列都具备相当大的容值，将占用太大的芯片面积，因其增加的芯片成本已经远不适用于当下深亚微米和纳米CMOS工艺实现；另一方面，前级闭环放大器的功耗也无法进一步优化，同时电压跟随器更加大了功耗的需求。

传感器接口电路中的输入信号带宽通常由前级闭环放大器输出所带负载电容来设定，考虑到12位逐次逼近型模数转换器内部可以采用电容阵列式的数模转换网络，所以省去负载电容和电压跟随器，而复用该模数转换电容阵列来当做负载电容是优化系统功耗和芯片面积的较好方案，但存在以下几个关键技术难题：

（1）12位逐次逼近型模数转换器为了保证足够的片上集成电容匹配精度，其电容阵列的最小单位电容容值的取值区间需设为0.5-1pF，这就意味着12位二进制加权的电容阵列会需要成百pF的片上集成电容，这仍将占用太大的版图面积而大大增加芯片成本。

（2）12位逐次逼近型模数转换器构架中，其整个电容阵列的总容值复用作前级运算放大器的负载电容来实现前述滤波功能，但由于12位二进制加权的电容阵列的总容值大到成百pF，这将把闭环放大器用来滤波的闭环带宽局限在几十Hz以下，低于上述生物医学仪器所要求的输入信号带宽，难以用来实现相应的传感器接口模块。

（3）高精度逐次逼近型模数转换器构架中，其输入接12位二进制加权的电容阵列，所以该电容阵列为输入采样电容，但由于该电容阵列的总容值大到成百pF，由此产生很大的RC时间常数会延长模数转换器采样稳定时间（settling time），导致产生采样误差而影响精度。

（4）考虑到低功耗的要求，逐次逼近型模数转换器本身功耗已经很低，所以如何降低前级闭环放大器的功耗成为降低传感器接口模块系统功耗的关键。

（5）进一步考虑在可能的超低电压应用中信号电压幅度会很小，如能提供在超低电压下能工作的传感器接口模块非常具有吸引力。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种适用于生物医学仪器的传感器接口模块，能够克服复用电容阵列存的技术难题，进而显著缩小集成电路的版图面积，且功耗降低。

一种传感器接口模块，包括前级闭环放大器和与之相连的模数转换器；

所述的前级闭环放大器接收传感器提供输入的模拟电压信号，并对该信号进行放大及滤波后输出电压放大信号；

所述的模数转换器接收所述的电压放大信号，并对该信号进行模数转换后输出高精度的量化信号（即12位数字码）。