一种可重构多模态传感器前端接口电路

【】本发明涉及集成电路，具体涉及一种可重构多模态传感器前端接口电路。

背景技术

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背景技术：

1、可重构多模态技术是在不额外增加更多模块的基础上通过动态地重构软件和硬件系统能进行更多功能的实现，具有资源利用率高、功耗低、灵活性强和功能自适应等优点，在多种领域中十分具有应用前景。近些年来，现代物联网(internet of things，iot)不断蓬勃发展，作用于各类电子设备、环境监测以及智慧城市创建等各种iot应用场景的传感器系统的使用数量也爆发式增长。

2、通过传感器检测物理，化学和生物等信息并将其转化为电信号或电可转换形式，传感接口电路再对这些传感器的输出进行感知、放大、数据处理、传输等操作，实现从现实模拟信号到数字信号的量化。因此，传感器接口电路的设计是必不可少的。过去，传感器接口电路的研究主要集中在特定模式的传感器上，针对不同的输出信号类型专门设计出不同的接口架构与电路，因此它们对于特定的传感器类型具有特殊的功能和良好的性能。但是，开发传感器专用的接口电路将花费大量的成本和时间。在当今的物联网时代，巨大的传感器应用系统希望在短时间内以低成本完成，所以，可重构多模态传感器前端接口电路的实现了能够对不同模态信号进行检测，具有可应用于各种传感器应用系统的通用性，可以直接通过模式的切换对不同模态信号进行采集，具有便捷性和灵活性，有利于接口电路生产成本的降低。

3、可重构多模态传感器前端接口电路(reconfigurable analog front endcircuits，简称rafe)是利用开关切换将电路重构成不同信号的放大器，进行不同模态信号测量模式的切换。

4、不同的传感器可将信号转换成不同的电气特性，主要为电压、电流和阻抗，而一般的传感器接口电路只针对其中某一种信号进行放大，所以其设计的放大器架构各有不同，因此它们相互之间不能直接复用。

5、传统的可重构传感器前端接口电路系统是直接将多种测量单一信号的接口电路拼接在一起构成多路的可重构接口电路，其芯片面积大，并且复用率低。

6、本发明针对传统的可重构传感器前端接口电路系统芯片面积大、复用率低的技术问题，对可重构多模态传感器前端接口电路进行了技术改进。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的是，提供一种可以进行电压、电流和阻抗三种模态测量模式切换，芯片面积小功耗低、复用率高的可重构传感器前端接口电路。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种可重构多模态传感器前端接口电路，包括第一级可重构放大器、第二级可重构放大器、激励电流源、开关k1、开关k2、开关k3和模态切换控制器；所述第一级可重构放大器是斩波调制、电容、跨导放大器和电流放大器的串接电路，所述开关k2跨界在所述电容的两端；所述第二级可重构放大器包括开关电容反馈回路和模态切换电阻电容反馈回路；输入信号同时接所述激励电流源和所述第一级可重构放大器，所述开关k1跨接在所述第一级可重构放大器输入端和所述激励电流源旁路端，所述第一级可重构放大器、开关k3和第二级可重构放大器串联，所述激励电流源处理后的电流信号输入所述第二级可重构放大器；所述模态切换控制器用于控制所述开关k1、开关k2、开关k3、模态切换电阻电容反馈回路、开关电容切换将所述第一级可重构放大器和第二级可重构放大器重构成电压、电流或阻抗模态信号的放大器。

3、优选地，所述第一级可重构放大器和第二级可重构放大器重构成电压模态信号放大器时，所述开关k1、开关k2断开，所述开关k3闭合，所述模态切换电阻电容反馈回路切换为电阻反馈回路，所述第一级可重构放大器和第二级可重构放大器重构成两级电压放大器，输入电压信号通过斩波调制输入到跨导放大器转换成电流，电流又经过电流放大器放大并转成电压信号，再输入到第二级可重构放大器进行电压放大，最终输出电压。

4、优选地，所述第一级可重构放大器和第二级可重构放大器重构成电流模态信号放大器时，所述开关k1闭合，所述开关k2和开关k3断开，所述模态切换电阻电容反馈回路切换为电容反馈回路，所述第一级可重构放大器通过旁路跳过，所述第二级可重构放大器重构成电流放大器，输入电流信号输入到第二级可重构放大器电容反馈回路的电容上，对电容充电，实现电流到电压的转换，并通过带电容大小比例进行放大，最终输出电压。

5、优选地，所述第一级可重构放大器和第二级可重构放大器重构成电阻模态信号放大器时，所述开关k1、开关k2和开关k3都闭合，所述开关电容短路，所述激励电流源产生电流流入输入阻抗，输入阻抗两端产生对应电压信号通过斩波调制输入到跨导放大器转换成电流，电流又经过电流放大器放大并转成电压信号，所述第一级可重构放大器放大倍数已经足够，所述第二级可重构放大器通过开关电容短路跳过，直接将第一级可重构放大器的输出电压输出。

6、优选地，还包括反馈补偿回路；所述反馈补偿回路由比较器、数字处理电路和反馈补偿电流阵列串联组成；所述数字处理电路控制反馈补偿电流阵列中的开关改变反馈注入到所述电流放大器放大器中的电流大小进行输入范围的补偿。

7、优选地，所述比较器为静态功耗较低的动态比较器，所述动态比较器用于实现所述第一级可重构放大器、所述第二级可重构放大器输出电压和参考电压的比较。

8、优选地，所述斩波调制是可重构斩波调制器，用于将输入信号解调到时钟频率、降低噪声。

9、本发明一种可重构多模态传感器前端接口电路有如下有益效果：能够简化电路设计，增大可测量范围，更大程度地发挥多模态可重构技术的优势；1、通过一路接口电路系统可以实现电压、电流和阻抗三种不同模态信号的测量，相比于需要三路接口电路的系统，电路复杂度得到降低，电路面积和功耗也得到优化，减少设计生产各种传感器应用系统的时间成本；2、为了对增大可测量的输入范围，设计了电流反馈进行补偿，利用电流阵列结合比较器、数字处理电路实现动态反馈补偿环路，使得电路适用于不同范围的输入信号，所述的动态比较器也降低了系统功耗开销；3、同时通过斩波调制技术减少电路低频噪声的影响。

技术特征：

1.一种可重构多模态传感器前端接口电路，其特征在于：包括第一级可重构放大器、第二级可重构放大器、激励电流源、开关k1、开关k2、开关k3和模态切换控制器；所述第一级可重构放大器是斩波调制、电容、跨导放大器和电流放大器的串接电路，所述开关k2跨界在所述电容的两端；所述第二级可重构放大器包括开关电容反馈回路和模态切换电阻电容反馈回路；输入信号同时接所述激励电流源和所述第一级可重构放大器，所述开关k1跨接在所述第一级可重构放大器输入端和所述激励电流源旁路端，所述第一级可重构放大器、开关k3和第二级可重构放大器串联，所述激励电流源处理后的电流信号输入所述第二级可重构放大器；所述模态切换控制器用于控制所述开关k1、开关k2、开关k3、模态切换电阻电容反馈回路、开关电容切换将所述第一级可重构放大器和第二级可重构放大器重构成电压、电流或阻抗模态信号的放大器。

2.根据权利要求1所述的一种可重构多模态传感器前端接口电路，其特征在于：所述第一级可重构放大器和第二级可重构放大器重构成电压模态信号放大器时，所述开关k1、开关k2断开，所述开关k3闭合，所述模态切换电阻电容反馈回路切换为电阻反馈回路，所述第一级可重构放大器和第二级可重构放大器重构成两级电压放大器，输入电压信号通过斩波调制输入到跨导放大器转换成电流，电流又经过电流放大器放大并转成电压信号，再输入到第二级可重构放大器进行电压放大，最终输出电压。

3.根据权利要求1所述的一种可重构多模态传感器前端接口电路，其特征在于：所述第一级可重构放大器和第二级可重构放大器重构成电流模态信号放大器时，所述开关k1闭合，所述开关k2和开关k3断开，所述模态切换电阻电容反馈回路切换为电容反馈回路，所述第一级可重构放大器通过旁路跳过，所述第二级可重构放大器重构成电流放大器，输入电流信号输入到第二级可重构放大器电容反馈回路的电容上，对电容充电，实现电流到电压的转换，并通过带电容大小比例进行放大，最终输出电压。

4.根据权利要求1所述的一种可重构多模态传感器前端接口电路，其特征在于：所述第一级可重构放大器和第二级可重构放大器重构成电阻模态信号放大器时，所述开关k1、开关k2和开关k3都闭合，所述开关电容短路，所述激励电流源产生电流流入输入阻抗，输入阻抗两端产生对应电压信号通过斩波调制输入到跨导放大器转换成电流，电流又经过电流放大器放大并转成电压信号，所述第一级可重构放大器放大倍数已经足够，所述第二级可重构放大器通过开关电容短路跳过，直接将第一级可重构放大器的输出电压输出。

5.根据权利要求1所述的一种可重构多模态传感器前端接口电路，其特征在于：还包括反馈补偿回路；所述反馈补偿回路由比较器、数字处理电路和反馈补偿电流阵列串联组成；所述数字处理电路控制反馈补偿电流阵列中的开关改变反馈注入到所述电流放大器放大器中的电流大小进行输入范围的补偿。

6.根据权利要求4所述的种可重构多模态传感器前端接口电路，其特征在于：所述比较器为静态功耗较低的动态比较器，所述动态比较器用于实现所述第一级可重构放大器、所述第二级可重构放大器输出电压和参考电压的比较。

7.根据权利要求1所述的一种可重构多模态传感器前端接口电路，其特征在于：所述斩波调制是可重构斩波调制器，用于将输入信号解调到时钟频率、降低噪声。

技术总结
本发明涉及一种可重构多模态传感器前端接口电路，包括第一级可重构放大器、第二级可重构放大器、激励电流源、开关K1、开关K2、开关K3和模态切换控制器；输入信号同时接所述激励电流源和所述第一级可重构放大器，所述开关K1跨接在所述第一级可重构放大器输入端和所述激励电流源旁路端，所述第一级可重构放大器、开关K3和第二级可重构放大器串联，所述激励电流源处理后的电流信号输入所述第二级可重构放大器；所述模态切换控制器用于控制所述第一级可重构放大器和第二级可重构放大器重构成电压、电流或阻抗模态信号的放大器。有益效果是可以进行电压、电流和阻抗三种模态测量模式切换，芯片面积小功耗低、复用率高。

技术研发人员：李永福,周婷,王朝,连勇
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12