一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路及其场效应管亚阈值区设计方法

本发明属于传感器；具体涉及一种极低功耗的传感器前端信号放大电路及其场效应管亚阈值区设计方法。

背景技术：

1、趋零功耗传感器技术是美国darpa提出的一项传感器与信号处理新型电子信息系统创新技术体系中的一项关键技术。常规的传感器工作需要消耗电能，趋零功耗传感器技术把传感器工作需要消耗的电能降低到接近零消耗的状态，从而使趋零功耗传感器可以在无能源供应情况下正常工作，或者在有限电池供能情况下，使传感器工作系统能够长时间工作。趋零功耗传感器技术本质上是能量传感技术，即以各种材料特性和各类物理、化学效应为基础设计依托，通过微纳传感设计技术并以mems、微电子、光电子等多项工艺融合为实现方法，实现的一类芯片传感器技术。这种具有近零功耗特征的新型传感器技术的信号处理同样需要突破以往常规信号处理技术，同样国外先进技术在传感器的信号处理技术方面采用了新的技术使传感器应用系统的功耗降低了10的6次方量级。基于此类传感器和信号处理技术构建的应用系统可以一直处于“有意识的休眠状态”，通过启动休眠模式来降低系统功耗，只在收到感兴趣的事件提示时才会“醒来”，即保持一种“休眠但有意识”状态，非常适合未来基于网络信息时代可长期值守，无补给条件下可长时续航的分布式信息获取应用系统，可以解决分布式应用中大量传感器节点的能源供给瓶颈问题，可以满足未来水下、陆地无人平台及区域值守系统应用对广域分布式信息获取应用系统的技术需求。趋零功耗传感器与传感器前放技术是实现这一能力的核心关键技术。

2、2018年固态电子技术(journalofsolid-statecircuits)杂志发表了一篇论文，介绍了一种可以一致保持在线的地面传感器节点系统，可以完成目标识别任务，功耗只有12纳瓦。2017年美国康奈尔大学发表的一篇论文介绍了一种压电陶瓷弯曲网络节点传感器，使用的信号处理电路的功耗只有几纳瓦。

3、目前现有的各种放大电路，集成运算放大电路大多是基于双极性晶体管设计制造的，功耗较大，采用mos管的运算放大电路可以实现较低的功耗，一般都在毫瓦级，对于一个12v电源供电的电路来讲，静态工作电流一般可设计在毫安量级，器件的功耗就是几十毫瓦，动态功耗更大，可达瓦级。

技术实现思路

1、本发明提供一种极低功耗的传感器前端信号放大电路及其场效应管亚阈值区设计方法，针对大幅度降低网络节点传感器功耗的迫切需求；实现微瓦级甚至纳瓦级的传感器前端信号放大处理，这样的传感器可以大大提高网络节点传感器的待机值守时间。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路，所述传感器前端信号放大电路包括mos场效应管及静态工作点设置电路、传感器信号输入端、阻抗匹配电路、源级电阻、负载放大电路、输出耦合电路，所述传感器信号输入端与阻抗匹配电路相连接，所述阻抗匹配电路分别与静态工作点设置电路和mos场效应管相连接，所述mos场效应管分别与源级电阻、负载放大电路及输出耦合电路相连接。

4、进一步的，所述传感器前端信号放大处理电路通过静态工作点设置电路使电路中的mos场效应管工作在亚阈值区。

5、进一步的，由于所述mos场效应管输入阻抗很高，当栅源电压大于阈值电压时，mos场效应管处于导通状态；当栅源电压小于阈值电压时，mos场效应管处于截止状态，漏极电流id可低至纳安级的极低水平。

6、进一步的，所述传感器放大电路的输入端有传感器信号耦合阻抗匹配输入电路，通过参数设置适配具有低频特征的交流电压或电荷信号；所述传感器放大处理电路的负载放大电路为具有高阻特征的负载放大电路。

7、进一步的，所述传感器前端信号放大处理电路的输出耦合电路，为能实现带直流偏置或不带直流偏置的交流信号的耦合输出的电路。

8、进一步的，输出端输出的信号能直接接入后续二级处理电路，所述二级处理电路包括但不局限于运算放大电路、滤波电路、加减法运算电路、积分电路或模数转换ad电路。

9、一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路的场效应管亚阈值区设计方法，所述mos场效应管亚阈值区设置方法具体为，通过恒流源法使mos场效应管的栅源工作电流恒定为极低的电流值，或者通过电阻分压法控制mos场效应管栅极电压，使栅极电压小于mos场效应管的阈值电压。

10、进一步的，所述静态工作点设置电路包括但不局限于用恒流源法或者电阻分压法实现。

11、进一步的，所述mos场效应管亚阈值区时信号放大过程具体为：当传感器输出的交流信号输入到极低功耗放大电路的输入端时，通过阻抗匹配电路将传感器信号加载到mos场效应管的栅极，此时mos场效应管的栅极电压既有保证工作于亚阈值区的静态工作电压，又有传感器输出的交流信号，二者叠加在一起作用于mos场效应管的栅极，在包含传感器信号的栅极电压作用下，mos场效应管的漏极-源级电流发生变化，即漏极-源级电流变化情况受栅极电压控制，由于mos场效应管处于亚阈值工作区，因此漏源电流通过偏置电路控制处于很低的电流水平，这时通过负载放大电路的高阻抗设置在小电流条件下将传感器信号放大，实现低功耗传感器信号放大，并且在mos场效应管的漏极将放大后的信号输出，送入输出耦合电路。

12、进一步的，所述传感器前端信号放大处理电路采用分立器件用电路板实现，或通过集成电路芯片实现，采用集成电路芯片技术实现方法实现的性能更佳。

13、本发明的有益效果是：

14、本发明可以大幅度降低传感器功耗。

15、采用本发明的传感器可以大大提高网络节点传感器的待机值守时间。

16、本发明为新型信息获取系统提供新的设计思路和关键技术方案，扩展技术创新思路与方法。

17、本发明提出的新的放大电路设计体制可以支撑以低功耗为需求的各种信息获取应用系统的设计与实现途径。

18、本发明为新型mems传感器的实用化提供了新型信号处理手段，使传感器技术可以在网络应用中发挥更大的作用，为构建物联网应用提供更加实用的高效的传感器节点，促进物联网产业的发展。

19、基于本发明提出的极低功耗传感器前端信号放大电路，可用于构建可长时工作的可探测声、振等各类物理信号的节点传感器，促进物联网实现更低能耗、更高效率的应用。实现无补给条件下可长时续航的分布式信息获取应用技术与设备能力。

技术特征：

1.一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路，其特征在于，所述传感器前端信号放大电路包括mos场效应管及静态工作点设置电路、传感器信号输入端、阻抗匹配电路、源级电阻、负载放大电路、输出耦合电路，所述传感器信号输入端与阻抗匹配电路相连接，所述阻抗匹配电路分别与静态工作点设置电路和mos场效应管相连接，所述mos场效应管分别与源级电阻、负载放大电路及输出耦合电路相连接。

2.根据权利要求1所述一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路，其特征在于，所述传感器前端信号放大处理电路通过静态工作点设置电路使电路中的mos场效应管工作在亚阈值区。

3.根据权利要求1所述一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路，其特征在于，由于所述mos场效应管输入阻抗很高，当栅源电压大于阈值电压时，mos场效应管处于导通状态；当栅源电压小于阈值电压时，mos场效应管处于截止状态，漏极电流id可低至纳安级的极低水平。

4.根据权利要求2所述一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路，其特征在于，所述传感器放大电路的输入端有传感器信号耦合阻抗匹配输入电路，通过参数设置适配具有低频特征的交流电压或电荷信号；所述传感器放大处理电路的负载放大电路为具有高阻特征的负载放大电路。

5.根据权利要求2所述一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路，其特征在于，所述传感器前端信号放大处理电路的输出耦合电路，为能实现带直流偏置或不带直流偏置的交流信号的耦合输出的电路。

6.根据权利要求5所述一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路，其特征在于，输出端输出的信号能直接接入后续二级处理电路，所述二级处理电路包括但不局限于运算放大电路、滤波电路、加减法运算电路、积分电路或模数转换ad电路。

7.根据权利要求1-3任一所述一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路的场效应管亚阈值区设计方法，其特征在于，所述mos场效应管亚阈值区设置方法具体为，通过恒流源法使mos场效应管的栅源工作电流恒定为极低的电流值，或者通过电阻分压法控制mos场效应管栅极电压，使栅极电压小于mos场效应管的阈值电压。

8.根据权利要7所述一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路的场效应管亚阈值区设计方法，其特征在于，所述静态工作点设置电路包括但不局限于用恒流源法或者电阻分压法实现。

9.根据权利要求7所述一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路的场效应管亚阈值区设计方法，其特征在于，所述mos场效应管亚阈值区时信号放大过程具体为：当传感器输出的交流信号输入到极低功耗放大电路的输入端时，通过阻抗匹配电路将传感器信号加载到mos场效应管的栅极，此时mos场效应管的栅极电压既有保证工作于亚阈值区的静态工作电压，又有传感器输出的交流信号，二者叠加在一起作用于mos场效应管的栅极，在包含传感器信号的栅极电压作用下，mos场效应管的漏极-源级电流发生变化，即漏极-源级电流变化情况受栅极电压控制，由于mos场效应管处于亚阈值工作区，因此漏源电流通过偏置电路控制处于很低的电流水平，这时通过负载放大电路的高阻抗设置在小电流条件下将传感器信号放大，实现低功耗传感器信号放大，并且在mos场效应管的漏极将放大后的信号输出，送入输出耦合电路。

10.根据权利要求1-8任一所述一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路，其特征在于，所述传感器前端信号放大处理电路采用分立器件用电路板实现，或通过集成电路芯片实现，采用集成电路芯片技术实现方法实现的性能更佳。

技术总结
本发明公开了一种极低功耗的传感器前端信号放大处理电路及其场效应管亚阈值区设计方法。所述传感器前端信号放大处理电路以场效应管为核心器件，配合静态工作点设置电路将场效应管的工作区设置于亚阈值区，辅之以传感器信号输入端、阻抗匹配电路、源级电阻、负载放大电路及输出耦合电路完成传感器前端信号放大处理功能。本发明针对大幅度降低网络节点传感器功耗的迫切需求；提出基于场效应管器件采用亚阈值设计体制实现微瓦级甚至纳瓦级的具有极低功耗特点的传感器前端信号放大处理技术，采用此发明可以大大提高网络节点传感器的待机值守时间。

技术研发人员：陈丽洁,朴胜春,雷亚辉,龚李佳,张强
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13