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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710375510.0 (22)申请日 2017.05.24 (71)申请人 西安电子科技大学 地址 710000 陕西省西安市雁塔区太白南 路2号 (72)发明人 刘帘曦 张怡 宋宇 沐俊超 朱樟明 杨银堂 (74)专利代理机构 深圳精智联合知识产权代理 有限公司 44393 代理人 王海栋 (51)Int.Cl. A61B 5/04(2006.01) A61B 5/0428(2006.01) (54)发明名称 可变增益混频放大器、 生物信号采集与处理 芯片及系统 (57。
2、)摘要 本发明涉及一种可变增益混频放大器、 生物 信号采集与处理芯片及系统。 该芯片包括可变增 益混频放大器11、 本振信号产生电路12、 能量获 取单元13、 第一电容C1和第一电阻R1； 可变增益 混频放大器11的生物信号输入端Vin接收生物信 号， 其电源输入端VDD电连接能量获取单元13， 其 本振信号输入端LO电连接本振信号产生电路12， 其接地端GND用于获取外部供地信号， 其输出端 Vout电连接第一电容C1的第一端且第一电容C1 的第二端用于输出经调制后的音频信号； 本振信 号产生电路12用于接收交流电信号并经处理后 为可变增益混频放大器11提供本振信号； 能量获 取单元13用。
3、于接收交流电信号并经处理后为可 变增益混频放大器11提供直流电源。 权利要求书2页 说明书8页 附图5页 CN 107212877 A 2017.09.29 CN 107212877 A 1.一种生物信号采集与处理芯片(10)， 其特征在于， 包括可变增益混频放大器(11)、 本 振信号产生电路(12)、 能量获取单元(13)、 第一电容(C1)和第一电阻(R1)； 其中， 所述可变增益混频放大器(11)的生物信号输入端(Vin)接收生物信号， 其电源输入端 (VDD)电连接能量获取单元(13)， 其本振信号输入端(LO)电连接本振信号产生电路(12)， 其 接地端(GND)用于获取外部共地信。
4、号， 其输出端(Vout)电连接所述第一电容(C1)的第一端 且所述第一电容(C1)的第二端用于输出经调制后的音频信号； 所述本振信号产生电路(12)用于接收交流电信号并经处理后为所述可变增益混频放 大器(11)提供本振信号； 所述能量获取单元(13)用于接收交流电信号并经处理后为所述可变增益混频放大器 (11)提供直流电源； 所述电阻R1串接于所述可变增益混频放大器(11)的接地端(GND)与所述第一电容(C1) 的第二端之间。 2.根据权利要求1所述的芯片(10)， 其特征在于， 所述可变增益混频放大器(11)包括低 噪声前置混频放大器(111)、 可编程增益放大器(112)、 带通滤波器。
5、(113)及输出缓冲器 (114)； 其中， 所述低噪声前置混频放大器(111)、 所述可编程增益放大器(112)、 所述带通滤波器 (113)及所述输出缓冲器(114)依次串接于所述生物信号输入端(Vin)与所述第一电容(C1) 之间， 且所述低噪声前置混频放大器(111)电连接所述本振信号输入端(LO)。 3.根据权利要求2所述的芯片(10)， 其特征在于， 所述低噪声前置混频放大器(111)包 括AM调制模块(1111)和前置放大器模块(1112)； 其中， 所述AM调制模块(1111)和所述前置 放大器模块(1112)依次串接于所述生物信号输入端(Vin)与所述可编程增益放大器(112。
6、) 之间， 且所述AM调制模块(1111)电连接所述本振信号输入端(LO)。 4.根据权利要求1所述的芯片(10)， 其特征在于， 所述本振信号产生电路(12)包括偏置 电路(121)和信号整形电路(122)， 所述偏置电路(121)和所述信号整形电路(122)依次串接 至所述可变增益混频放大器(11)的本振信号输入端(LO)， 且所述偏置电路(121)的输入端 接收所述交流电信号。 5.根据权利要求4所述的芯片(10)， 其特征在于， 所述信号整形电路(122)包括： 第五晶 体管(M5)、 第六晶体管(M6)、 第七晶体管(M7)、 第一反相器(INV1)、 第二反相器(INV2)、 第三。
7、 反相器(INV3)、 第四反相器(INV4)、 第二电阻(R2)、 第三电阻(R3)； 其中， 所述第二电阻(R2)、 所述第五晶体管(M5)和所述第七晶体管(M7)依次串接于直流电源 和接地端之间， 所述第五晶体管(M5)的控制端输入耦合信号(VSIN)， 所述第七晶体管(M7) 的控制端输入偏置电压(VBIAS)； 所述第三电阻(R3)和第六晶体管(M6)依次串接于所述直流电源与所述第五晶体管 (M5)和所述第七晶体管(M7)串接形成节点(G)之间， 所述第六晶体管(M6)的控制端输入参 考电压(VREF)； 所述第一反相器(INV1)与所述第二反相器(INV2)依次串接至所述第二电阻(。
8、R2)和第 五晶体管(M5)串接形成的节点(E)处， 且所述第一反相器(INV1)的输出端电连接所述可变 增益混频放大器(11)的本振信号输入端(LO)以输出第一本振信号； 所述第四反相器(INV4)与所述第三反相器(INV3)依次串接至所述第三电阻(R3)和第 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 107212877 A 2 六晶体管(M6)串接形成的节点(F)处， 且所述第四反相器(INV4)电连接所述可变增益混频 放大器(11)的本振信号输入端(LO)以输出第二本振信号。 6.根据权利要求1所述的芯片(10)， 其特征在于， 所述能量获取单元(13)包括整流器 (131)、 过压保护。
9、电路(132)及LDO(133)； 其中， 所述整流器(131)、 所述过压保护电路(132) 及所述LDO(133)依次串接至所述可变增益混频放大器(11)的电源输入端(VDD)以提供直流 电源， 且所述整流器(131)接收所述交流电信号。 7.一种可变增益混频放大器(11)， 其特征在于， 包括依次串接的低噪声前置混频放大 器(111)、 可编程增益放大器(112)、 带通滤波器(113)、 输出缓冲器(114)， 且所述低噪声前 置混频放大器(111)的第一输入端接收生物信号且其第二输入端接收本振信号。 8.根据权利要求7所述的可变增益混频放大器(11)， 其特征在于， 所述低噪声前置混。
10、频 放大器(111)包括依次串接的AM调制模块(1111)和前置放大器模块(1112)； 所述AM调制模 块(1111)的信号输入端接收所述生物信号且其本振输入端接收所述本振信号， 所述前置放 大器模块(1112)的输出端电连接所述可编程增益放大器(112)。 9.根据权利要求8所述的可变增益混频放大器(11)， 其特征在于， 所述AM调制模块 (1111)包括第一晶体管(M1)、 第二晶体管(M2)、 第三晶体管(M3)及第四晶体管(M4)； 所述AM 调制模块(1111)的信号输入端包括第一信号输入端(IN+)和第二信号输入端(IN-)， 所述AM 调制模块(1111)的本振输入端包括第一。
11、本振输入端(LO+)和第二本振输入端(LO-)， 所述AM 调制模块(1111)的输出端包括同相输出端(OUT+)和反相输出端(OUT-)； 其中， 所述第一晶体管(M1)串接于所述第一信号输入端(IN+)与所述同相输出端(OUT+)之 间， 且其控制端电连接至所述第一本振输入端(LO+)； 所述第二晶体管(M2)串接于所述第一信号输入端(IN+)与所述反相输出端(OUT-)之 间， 且其控制端电连接至所述第二本振输入端(LO-)； 所述第三晶体管(M3)串接于所述第二信号输入端(IN-)与所述同相输出端(OUT+)之 间， 且其控制端电连接至所述第二本振输入端(LO-)； 所述第四晶体管(M。
12、4)串接于所述第二信号输入端(IN-)与所述反相输出端(OUT-)之 间， 且其控制端电连接至所述第一本振输入端(LO+)。 10.一种生物信号采集与处理系统(1)， 其特征在于， 包括生物信号采集与处理芯片 (10)、 耳机接口(20)、 生物电极(30)及终端(40)， 所述生物信号采集与处理芯片(10)电连接 所述生物电极(30)且通过所述耳机接口(20)向所述终端(40)发送采集并调制后的生物信 号； 其中， 所述生物信号采集与处理芯片(10)为权利要求16任一项所述的生物信号采集 与处理芯片(10)。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 107212877 A 3 可变增益混频。
13、放大器、 生物信号采集与处理芯片及系统 技术领域 0001 本发明属于集成电路设计技术领域， 具体涉及一种可变增益混频放大器、 生物信 号采集与处理芯片及系统。 背景技术 0002 随着人们对健康和医疗的需求不断提升， 以无线体域网(Wireless Body Area Network,简称WBAN)为基础的可穿戴式、 可植入式的医疗设备受到了广泛的关注。 这些医疗 设备使用便捷， 可以实现对人体信号的实时监测， 并发送到智能终端进行数据处理， 对于疾 病的预防监测有着重要意义。 常见的生物信号包括心电信号(ECG)， 脑电信号(EEG)和肌电 信号(EMG)等， 这些信号十分微弱， 典型值在。
14、微伏、 毫伏量级， 并且频率较低， 对采集系统低 噪声性能有着严格的要求。 斩波调制技术是生物信号放大器中常用的降噪技术， 实现生物 信号与低频噪声的频谱分离， 从而滤除噪声。 通过音频线传输放大信号， 利用智能终端完成 ADC(模数转换器)和数字信号处理可以简化前级电路结构。 但是目前利用斩波调制技术的 音频调制系统需要采用传统的低噪声前置放大器等芯片， 该芯片中存在冗余电路引起电路 结构面积大、 功耗高的问题， 且因为采用了传统固有的芯片结构， 不能对芯片内部电路进行 改动， 因此对于电路功能扩展存在很大影响。 0003 因此， 如何研制出电路结构简单， 节省面积、 功耗小的音频调制系统和。
15、芯片结构成 为目前研究的热点问题。 发明内容 0004 为了解决现有技术中存在的上述问题， 本发明提供了一种可变增益混频放大器、 生物信号采集与处理芯片及系统。 0005 本发明的一个实施例提供了一种生物信号采集与处理芯片10， 包括可变增益混频 放大器11、 本振信号产生电路12、 能量获取单元13、 第一电容C1和第一电阻R1； 其中， 0006 所述可变增益混频放大器11的生物信号输入端Vin接收生物信号， 其电源输入端 VDD电连接能量获取单元13， 其本振信号输入端LO电连接本振信号产生电路12， 其接地端 GND用于获取外部共地信号， 其输出端Vout电连接所述第一电容C1的第一端。
16、且所述第一电 容C1的第二端用于输出经调制后的音频信号； 0007 所述本振信号产生电路12用于接收交流电信号并经处理后为所述可变增益混频 放大器11提供本振信号； 0008 所述能量获取单元13用于接收交流电信号并经处理后为所述可变增益混频放大 器11提供直流电源； 0009 所述电阻R1串接于所述可变增益混频放大器11的接地端GND与所述第一电容C1的 第二端之间。 0010 在本发明的一个实施例中， 所述可变增益混频放大器11包括低噪声前置混频放大 器111、 可编程增益放大器112、 带通滤波器113及输出缓冲器114； 其中， 说 明 书 1/8 页 4 CN 107212877 A。
17、 4 0011 所述低噪声前置混频放大器111、 所述可编程增益放大器112、 所述带通滤波器113 及所述输出缓冲器114依次串接于所述生物信号输入端Vin与所述第一电容C1之间， 且所述 低噪声前置混频放大器111电连接所述本振信号输入端LO。 0012 在本发明的一个实施例中， 所述低噪声前置混频放大器111包括AM调制模块1111 和前置放大器模块1112； 其中， 所述AM调制模块1111和所述前置放大器模块1112依次串接 于所述生物信号输入端Vin与所述可编程增益放大器112之间， 且所述AM调制模块1111电连 接所述本振信号输入端LO。 0013 在本发明的一个实施例中， 所。
18、述本振信号产生电路12包括偏置电路121和信号整 形电路122， 所述偏置电路121和所述信号整形电路122依次串接至所述可变增益混频放大 器11的本振信号输入端LO， 且所述偏置电路121的输入端接收所述交流电信号。 0014 在本发明的一个实施例中， 所述信号整形电路122包括： 第五晶体管M5、 第六晶体 管M6、 第七晶体管M7、 第一反相器INV1、 第二反相器INV2、 第三反相器INV3、 第四反相器 INV4、 第二电阻R2、 第三电阻R3； 其中， 0015 所述第二电阻R2、 所述第五晶体管M5和所述第七晶体管M7依次串接于直流电源和 接地端之间， 所述第五晶体管M5的控制。
19、端输入耦合信号VSIN， 所述第七晶体管M7的控制端 输入偏置电压VBIAS； 0016 所述第三电阻R3和第六晶体管M6依次串接于所述直流电源与所述第五晶体管M5 和所述第七晶体管M7串接形成节点G之间， 所述第六晶体管M6的控制端输入参考电压VREF； 0017 所述第一反相器INV1与所述第二反相器INV2依次串接至所述第二电阻R2和第五 晶体管M5串接形成的节点E处， 且所述第一反相器INV1的输出端电连接所述可变增益混频 放大器11的本振信号输入端LO以输出第一本振信号； 0018 所述第四反相器INV4与所述第三反相器INV3依次串接至所述第三电阻R3和第六 晶体管M6串接形成的节。
20、点F处， 且所述第四反相器INV4电连接所述可变增益混频放大器11 的本振信号输入端LO以输出第二本振信号。 0019 在本发明的一个实施例中， 所述能量获取单元13包括整流器131、 过压保护电路 132及LDO133； 其中， 所述整流器131、 所述过压保护电路132及所述LDO133依次串接至所述 可变增益混频放大器11的电源输入端VDD以提供直流电源， 且所述整流器131接收所述交流 电信号。 0020 本发明的另一个实施例提供了一种可变增益混频放大器11， 包括依次串接的低噪 声前置混频放大器111、 可编程增益放大器112、 带通滤波器113、 输出缓冲器114， 且所述低 噪声。
21、前置混频放大器111的第一输入端接收生物信号且其第二输入端接收本振信号。 0021 在本发明的一个实施例中， 所述低噪声前置混频放大器111包括依次串接的AM调 制模块1111和前置放大器模块1112； 所述AM调制模块1111的信号输入端接收所述生物信号 且其本振输入端接收所述本振信号， 所述前置放大器模块1112的输出端电连接所述可编程 增益放大器112。 0022 在本发明的一个实施例中， 所述AM调制模块1111包括第一晶体管M1、 第二晶体管 M2、 第三晶体管M3及第四晶体管M4； 所述AM调制模块1111的信号输入端包括第一信号输入 端IN+和第二信号输入端IN-， 所述AM调制。
22、模块1111的本振输入端包括第一本振输入端LO+ 和第二本振输入端LO-， 所述AM调制模块1111的输出端包括同相输出端OUT+和反相输出端 说 明 书 2/8 页 5 CN 107212877 A 5 OUT-； 其中， 0023 所述第一晶体管M1串接于所述第一信号输入端IN+与所述同相输出端OUT+之间， 且其控制端电连接至所述第一本振输入端LO+； 0024 所述第二晶体管M2串接于所述第一信号输入端IN+与所述反相输出端OUT-之间， 且其控制端电连接至所述第二本振输入端LO-； 0025 所述第三晶体管M3串接于所述第二信号输入端IN-与所述同相输出端OUT+之间， 且其控制端电。
23、连接至所述第二本振输入端LO-； 0026 所述第四晶体管M4串接于所述第二信号输入端IN-与所述反相输出端OUT-之间， 且其控制端电连接至所述第一本振输入端LO+。 0027 本发明的又一个实施例提供了一种生物信号采集与处理系统1， 包括生物信号采 集与处理芯片10、 耳机接口20、 生物电极30及终端40， 所述生物信号采集与处理芯片10电连 接所述生物电极30且通过所述耳机接口20向所述终端40发送采集并调制后的生物信号； 其 中， 所述生物信号采集与处理芯片10为上述任一实施例提供的所述的生物信号采集与处理 芯片10。 0028 通过上述实施方式， 本发明的生物信号采集与处理芯片将整。
24、个信号采集与处理集 成在一个IC芯片当中， 能够完成生物信号的调制、 放大和传输。 另外， 该芯片将音频AM调制 与斩波技术结合， 省去了调制-解调-再调制过程中后两次冗余的调制， 只经过一次调制， 可 以将信号调制到音频， 同时调制实现了信号与噪声的频谱分离， 通过后级滤波器降低了噪 声， 起到了斩波调制的作用。 由于可变增益混频放大器的增益可调， 该芯片可以对不同种类 的生物信号(心电信号， 脑电信号， 肌电信号等)进行采集与处理。 此外， 该生物信号采集与 处理系统充分利用3.5mm耳机线的两个声道， 为系统提供电源电压和稳定的本振信号。 附图说明 0029 图1为本发明实施例提供的一种。
25、生物信号采集与处理系统的电路结构示意图； 0030 图2为本发明实施例提供的一种生物信号采集与处理芯片的电路结构示意图； 0031 图3为本发明实施例提供的一种可变增益混频放大器的电路结构示意图； 0032 图4为本发明实施例提供的一种低噪声前置混频放大器的电路结构示意图； 0033 图5为本发明实施例提供的一种可变增益混频放大器的电路结构对比示意图； 0034 图6位本发明实施例提供的一种AM调制模块的电路示意图； 0035 图7为本发明实施例提供的一种本振信号产生电路的电路结构示意图； 0036 图8为本发明实施例提供的一种信号整形电路的电路示意图； 0037 图9为本发明实施例提供的一种。
26、能量获取单元的电路结构示意图； 0038 图10为本发明实施例提供的一种整流器的电路结构示意图； 0039 图11为本发明实施例提供的一种过电压保护电路的电路示意图。 具体实施方式 0040 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述， 但本发明的实施方式不限于 此。 0041 实施例一 说 明 书 3/8 页 6 CN 107212877 A 6 0042 请参见图1， 图1为本发明实施例提供的一种生物信号采集与处理系统的电路结构 示意图。 该生物信号采集与处理系统1可以包括生物信号采集与处理芯片10、 耳机接口20、 生物电极30及终端40。 其中， 所述生物信号采集与处理芯片10电连接。
27、所述生物电极30且通 过所述耳机接口20向所述终端40发送采集并调制后的生物信号。 该系统1可以对不同种类 的生物信号(例如心电信号， 脑电信号， 肌电信号等)进行采集与处理。 0043 具体地， 生物电极30贴设于生物体(例如人体)的待采集部位以采集生物信号， 采 集到的生物信号由生物信号采集与处理芯片10进行调制和放大处理， 即将生物信号调制成 音频信号并实现信号与噪声的频谱分离且降低噪声， 之后由生物信号采集与处理芯片10将 形成音频的生物信号通过耳机接口20传输至终端40(例如智能手机)， 由终端40上的APP进 行数据再处理以展示给用户供用户参看采集到的生物信号情况。 0044 其中。
28、， 该耳机接口20例如为3.5mm耳机接口， 其包括左声道数据接口、 右声道数据 接口、 共地接口及MIC接口。 0045 请参见图2， 图2为本发明实施例提供的一种生物信号采集与处理芯片的电路结构 示意图。 该芯片10可以包括可变增益混频放大器11、 本振信号产生电路12、 能量获取单元 13、 第一电容C1和第一电阻R1。 其中， 所述可变增益混频放大器11的生物信号输入端Vin接 收生物信号， 其电源输入端VDD电连接能量获取单元13， 其本振信号输入端LO电连接本振信 号产生电路12， 其接地端GND用于获取外部共地信号， 其输出端Vout电连接所述第一电容C1 的第一端且所述第一电容。
29、C1的第二端用于输出经调制后的音频信号； 所述本振信号产生电 路12用于接收交流电信号并经处理后为所述可变增益混频放大器11提供本振信号； 所述能 量获取单元13用于接收交流电信号并经处理后为所述可变增益混频放大器11提供直流电 源； 所述电阻R1串接于所述可变增益混频放大器11的接地端GND与所述第一电容C1的第二 端之间。 0046 其中， 该生物信号由生物电极30提供； 能量获取单元13接收的交流电信号可以通 过耳机接口20的左声道接口从终端40中获取； 本振信号产生电路的交流电信号可以通过耳 机接口20的右声道接口从终端40中获取； 通过第一电容C1输出的音频信号可以通过耳机接 口20。
30、的MIC接口传输至终端40； 该接地端GND的共地信号可以通过耳机接口20的共地接口从 终端40处获取。 0047 具体地， 可变增益混频放大器11先将生物电极采集到的生物信号调制到音频(如 5kHz)， 再根据不同种类的生物信号按照合适的增益放大， 以供后级处理。 其中， 可变增益混 频放大器11的本振信号输入端LO(Local Oscillator)电连接的本振信号产生电路12以由 该本振信号产生电路12产生稳定的本振振荡信号， 用于AM调制； 可变增益混频放大器11的 电源输入端VDD电连接能量获取单元13以由该能量获取单元13提供直流电压， 为芯片10供 电； 可变增益混频放大器11的。
31、输出端Vout电连接的第一电容C1的第一端以由该第一电容C1 耦合高频调制信号； 该第一电容C1的第二端连接的第一电阻R1以由该第一电阻R1检测MIC 的低阻输入， 以使调制后的音频信号通过MIC接口接入终端40。 0048 本实施例， 本振信号产生电路12的输入和能量获取单元13的输入分别与外接 3.5mm耳机线的右声道和左声道连接， 所述能量获取单元通过内部整流器， 将左声道输出的 固定频率正弦信号转换为直流电压来为芯片提供电源， 所述本振信号产生电路将右声道输 出的正弦信号整形为方波信号来提供本振信号， 所述可变增益混频放大器11对输入的生物 说 明 书 4/8 页 7 CN 10721。
32、2877 A 7 信号进行调制和放大， 并通过耦合电容C1将信号耦合到输出端(3.5mm耳机线的MIC输入 端)。 0049 实施例二 0050 请一并参见图3至图6， 图3为本发明实施例提供的一种可变增益混频放大器的电 路结构示意图； 图4为本发明实施例提供的一种低噪声前置混频放大的电路结构示意图； 图 5为本发明实施例提供的一种可变增益混频放大器的电路结构对比示意图； 图6位本发明实 施例提供的一种AM调制模块的电路示意图。 本实施例在上述实施例的基础上， 对可变增益 混频放大器的电路进行详细说明。 0051 请参见图3， 所述可变增益混频放大器11可以包括低噪声前置混频放大器111、 可。
33、 编程增益放大器112、 带通滤波器113及输出缓冲器114； 其中， 所述低噪声前置混频放大器 111、 所述可编程增益放大器112、 所述带通滤波器113及所述输出缓冲器114依次串接于所 述生物信号输入端Vin与所述第一电容C1之间， 且所述低噪声前置混频放大器111电连接所 述本振信号输入端LO。 0052 需要说明的是， 由于该可变增益混频放大器11的接地端GND接入的共地信号和电 源输入端VDD接入的直流电源对于低噪声前置混频放大器111、 可编程增益放大器112、 带通 滤波器113及输出缓冲器114均需使用， 为了图示简便， 并未标注。 0053 具体地， 所述低噪声前置混频放。
34、大器111在保证自身引入很小噪声的条件下， 先将 所述生物电极采集的生物信号调制到音频， 再进行第一级放大， 所述可编程增益放大器112 的增益可调， 可根据所放大的生物信号的强弱选择合适的增益， 以避免输出信号太大使放 大器饱和或输出信号太小难以检测。 由于经过AM调制的生物信号位于音频(如5kHz)， 同时 调制会产生高频谐波， 而放大器的1/f噪声和失调未经调制， 位于低频， 因此所述带通滤波 器113用于滤除高频谐波和位于低频的失调和噪声， 得到较为纯净的调制信号。 为了提高抗 干扰能力， 所述低噪声前置混频放大器111、 可编程增益放大器112、 带通滤波器113均采用 差分输入和差。
35、分输出。 所述输出缓冲器114用于将差分信号转换成单端输出信号， 并驱动负 载。 0054 请参见图4， 该低噪声前置混频放大器111可以包括AM调制模块1111和前置放大器 模块1112； 其中， 所述AM调制模块1111和所述前置放大器模块1112依次串接于所述生物信 号输入端Vin与所述可编程增益放大器112之间， 且所述AM调制模块1111电连接所述本振信 号输入端LO。 0055 请参见图5， 现有技术， 由于生物信号十分微弱， 通常采用斩波调制技术来降低前 置放大器的噪声。 传统的先放大后调制的结构需要使用三个调制模块(斩波调制、 斩波解 调、 AM调制)和两个低通滤波器， 其中，。
36、 斩波调制与斩波解调实现信号与噪声的频谱分离， 第 一个低通滤波器用于滤除被调制到高频的1/f噪声和失调； AM调制用于将放大的信号调制 到音频， 第二个低通滤波器用于滤除高频谐波。 信号经历了调制-解调-再调制的过程， 而输 出的信号是高频， 所以后两次调制冗余。 简化后本发明结构只需要在前置放大器之前进行 一次调制， 既能够将信号调制到音频(如5kHz)， 又可以实现信号与噪声的频谱分离， 起到斩 波调制的作用， 未经调制的低频噪声与失调， 和调制产生的高频谐波由后级的一个带通滤 波器滤除。 也即， AM调制模块1111的输出与前置放大器1112的输入连接， AM调制模块1111用 于将生。
37、物电极采集的生物信号调制到音频， 同时， 类似于斩波调制的思想， 由于失调与1/f 说 明 书 5/8 页 8 CN 107212877 A 8 噪声没有被调制， 实现了信号与噪声的频谱分离， 通过后级的带通滤波器滤除低频失调， 噪 声和高频谐波， 以降低整个低噪声前置混频放大器111的噪声。 前置放大器1112用于对生物 信号进行第一级放大。 0056 具体地， 请参见图6， 该AM调制模块1111可以包括第一晶体管M1、 第二晶体管M2、 第 三晶体管M3及第四晶体管M4； 所述AM调制模块1111的信号输入端包括第一信号输入端IN+ 和第二信号输入端IN-， 所述AM调制模块1111的本。
38、振输入端包括第一本振输入端LO+和第二 本振输入端LO-， 所述AM调制模块1111的输出端包括同相输出端OUT+和反相输出端OUT-； 其 中， 所述第一晶体管M1串接于所述第一信号输入端IN+与所述同相输出端OUT+之间， 且其控 制端电连接至所述第一本振输入端LO+； 所述第二晶体管M2串接于所述第一信号输入端IN+ 与所述反相输出端OUT-之间， 且其控制端电连接至所述第二本振输入端LO-； 所述第三晶体 管M3串接于所述第二信号输入端IN-与所述同相输出端OUT+之间， 且其控制端电连接至所 述第二本振输入端LO-； 所述第四晶体管M4串接于所述第二信号输入端IN-与所述反相输出 端。
39、OUT-之间， 且其控制端电连接至所述第一本振输入端LO+。 其中， 为了简化示图， 并未将晶 体管的衬底端连接共地信号在图中示出。 0057 其中， LO+与LO-是本振信号产生的两个相位相反的方波信号， IN+与IN-与生物电 极的差分输出连接， 当LO+为高电平且LO-为低电平时， 开关晶体管M1、 M4导通， M2、 M3关断， 此时IN+输入信号通过M1传到OUT+， IN-输入信号通过M4传到OUT-， 当本振信号翻转时， LO+ 跳变到低电平而LO-跳变到高电平， 此时所述开关晶体管M2、 M3导通， M1、 M4关断， IN+输入信 号此时通过M2传到OUT-， IN-信号通过。
40、M3传到OUT+。 由于输入到输出路径随本振信号来回切 换， 实现了低频生物信号与高频本振信号的混频， 即AM调制。 0058 本实施例， 该可变增益混频放大器将生物信号调制到音频， 同时利用斩波原理降 低了噪声， 省去了调制-解调-再调制中后两个冗余的调制模块， 经过调制与放大后的信号 通过耳机接口输入至智能终端设备能够以很低的损耗和失真传输被该芯片调制到音频的 生物信号。 0059 实施例三 0060 请参见图7及图8， 图7为本发明实施例提供的一种本振信号产生电路的电路结构 示意图； 图8为本发明实施例提供的一种信号整形电路的电路示意图。 本实施例在上述实施 例的基础上， 对本振信号产生。
41、电路进行详细描述。 0061 请参见图7， 所述本振信号产生电路12可以包括偏置电路121和信号整形电路122， 所述偏置电路121和所述信号整形电路122依次串接至所述可变增益混频放大器11的本振 信号输入端LO， 且所述偏置电路121的输入端接收所述交流电信号。 其中， 所述偏置电路121 的输入与右声道输入信号连接， 输出与所述信号整形电路122的输入连接， 所述信号整形电 路的输出与所述可变增益混频放大器11的本振信号输入端LO连接。 由于右声道输出的正弦 信号共模电平不能确定， 偏置电路121用于耦合右声道输出信号， 并确定信号整形电路122 的输入共模电平(接近于VDD/2)， 信。
42、号整形电路122用于将正弦信号整形为方波信号。 0062 具体地， 请参见图8， 所述信号整形电路122包括： 第五晶体管M5、 第六晶体管M6、 第 七晶体管M7、 第一反相器INV1、 第二反相器INV2、 第三反相器INV3、 第四反相器INV4、 第二电 阻R2、 第三电阻R3； 其中， 所述第二电阻R2、 所述第五晶体管M5和所述第七晶体管M7依次串 接于直流电源和接地端之间， 所述第五晶体管M5的控制端输入耦合信号VSIN， 所述第七晶 说 明 书 6/8 页 9 CN 107212877 A 9 体管M7的控制端输入偏置电压VBIAS； 所述第三电阻R3和第六晶体管M6依次串接于。
43、所述直 流电源与所述第五晶体管M5和所述第七晶体管M7串接形成节点G之间， 所述第六晶体管M6 的控制端输入参考电压VREF； 所述第一反相器INV1与所述第二反相器INV2依次串接至所述 第二电阻R2和第五晶体管M5串接形成的节点E处， 且所述第一反相器INV1的输出端电连接 所述可变增益混频放大器11的本振信号输入端LO以输出第一本振信号； 所述第四反相器 INV4与所述第三反相器INV3依次串接至所述第三电阻R3和第六晶体管M6串接形成的节点F 处， 且所述第四反相器INV4电连接所述可变增益混频放大器11的本振信号输入端LO以输出 第二本振信号。 也即， 第七晶体管M7的栅极与偏置电压。
44、VBIAS连接， 源极接地， 漏极与第五晶 体管M5、 第六晶体管M6的源极连接， 所述第五晶体管M5的栅极与右声道耦合信号VSIN连接， 漏极与所述负载电阻R2的负端连接， 并通过所述反相器INV2、 INV1与第一本振信号LO-连 接， 所述第六晶体管M6的栅极与参考电压VREF连接， 漏极与所述负载电阻R3的负端连接， 并 通过所述反相器INV3、 INV4与第二本振信号LO+连接， 所述负载电阻R2、 R3的正端与VDD连 接。 0063 该信号整形电路122的实现形式类似于一个比较器， 放大器开环使用， 差分输入的 一端接入右声道耦合信号VSIN， 另一端接参考电压VREF(接近于V。
45、DD/2)， 通过放大器的整形 作用， 正弦信号边缘变陡峭， 在差分输出端形成两个相位相反的方波信号(LO+与LO-)， 图中 可以看出， LO+与输入正弦信号同相， LO-与输入正弦信号反相， 所述第二电阻R2、 第三电阻 R3用来设置放大器的增益， 增益越大， 输出信号边缘越陡峭， 得到的方波越理想， 所述反相 器用于进一步整形方波信号。 0064 实施例四 0065 请参见图9至图11； 图9为本发明实施例提供的一种能量获取单元的电路结构示意 图； 图10为本发明实施例提供的一种整流器的电路结构示意图； 图11为本发明实施例提供 的一种过电压保护电路的电路示意图。 本实施在上述实施例的基。
46、础上， 对能量获取单元进 行详细描述。 0066 该所述能量获取单元13可以包括整流器131、 过压保护电路132及LDO(低压差线性 稳压器)133， 所述整流器131、 所述过压保护电路132及所述LDO133依次串接至所述可变增 益混频放大器11的电源输入端VDD以提供直流电源， 且所述整流器131接收所述交流电信 号。 其中， 所述整流器131和过压保护电路132实现AC-DC转换器功能， 将左声道输出的正弦 信号进行整流， 并通过LDO 133输出稳定的直流电压给后级供电。 0067 请参见图10， 所述整流器131包括第二电容C2、 第三电容C3、 第四电容C4、 第五电容 C5、。
47、 第八晶体管M8、 第九晶体管M9、 第十晶体管M10、 第十一晶体管M11、 第一比较器COMP1、 第 二比较器COMP2、 第三比较器COMP3和第四比较器COMP4； 其中， 所述第八晶体管M8的源极与 第一比较器COMP1的同相输入端电连接， 漏极与第一比较器COMP1的反相输入端电连接， 栅 极与第一比较器COMP1的输出端电连接； 所述第九晶体管M9的源极与第二比较器COMP2的同 相输入端电连接， 漏极与第二比较器COMP2的反相输入端电连接， 栅极与第二比较器COMP2 的输出端电连接； 所述第十晶体管M10的源极与第三比较器COMP3的同相输入端电连接， 漏 极与第三比较器。
48、COMP3的反相输入端电连接， 栅极与第三比较器COMP3的输出端电连接； 所 述第十一晶体管M11的源极与第四比较器COMP4的同相输入端电连接， 漏极与第四比较器 COMP4的反相输入端电连接， 栅极与第四比较器COMP4的输出端电连接； 输入端VIN与所述 说 明 书 7/8 页 10 CN 107212877 A 10 第二电容C2、 第三电容C3的正端电连接， 第二电容C2的负端与所述第八晶体管M8的漏极电 连接， 并与第九晶体管M9的源极电连接， 第九晶体管M9的漏极与所述第四电容C4的正端电 连接， 并与所述第十晶体管M10的源极电连接， 第十晶体管M10的漏极与第三电容C3的负。
49、端 电连接， 并与第十一晶体管M11的源极电连接， 第十一晶体管M11的漏极与第五电容C5的正 端电连接， 并电连接到输出端VOUT， 第四电容C4、 第五电容C5的负端接地。 0068 本实施例的整流器， 采用基于有源二极管的电荷泵整流器的拓扑结构， 其中集成 的有源二极管可以实现几十毫伏的导通压降， 与传统二极管整流器相比， 大大提高了整流 效率， 减少了整流器级数。 根据不同的输入信号幅度范围和系统所需的电源电压来调整整 流器的级数以满足需要。 例如， 把耳机声道输出电压峰-峰值大于0.7V的智能手机当作输入 源， 当音频调制的生物信号采集与处理芯片的电源电压低至1.2V时， 理论上两级整流器就 可以满足要求(假设LDO的最小脱落电压为200mV)。 0069 请参见图11， 过压保护电路132可以包括第六电容C6， 第一二极管D1、 第二二极管 D2、 第三二极管D3； 其中， 信号输入端VIN与所述第六电容C6的正端电连接， 并与所述第一 二极管D1的正极电连接， 第六电容C6的负端。