一种传感器微弱电压信号处理电路

1.本发明涉及微电子技术，更具体地说，它涉及一种传感器微弱电压信号处理电路。


背景技术：

2.随着5g、ai、物联网技术的推进，可穿戴设备越来越受到关注。与传统的硬件设备很大区别的是，可穿戴设备的应用需满足便携式、可移动式、可穿戴式及远程式的应用需求，这对传感器及其信号处理提出了更苛刻的要求。因此，高集成度、小体积、低功耗、低成本以及柔韧性的传感器硬件在将来的可穿戴设备开发中会成为越发关键的要素。
3.在利用传感器获取准确可靠的信息过程中，信号处理电路作为一个传感器系统的重要部分。一些将物理参数转换为电信号的传感器通常具有非常高的输出阻抗，产生的是微弱交流传感电压信号，以下简称为微弱信号，如毫伏级及以下的交流电信号。因此，连接到这类型传感器的信号处理电路的输入级必须具有高的输入阻抗，以防止电荷积聚，同时不会对传感器产生不必要的负载效应。进一步，在电路设计中，板上信号传输常采用差分传输和单端信号传输，但对于某些信号处理芯片，器件输入端要求为单极性单端输入信号，则需要转换电路实现双极性信号到单极性信号的转换。而现能满足这种应用需求的传统传感信号处理电路，基本都是板级电路系统，电路解决方案复杂，难以实现高度集成化、小型化，以及满足柔韧性的要求。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种传感器微弱电压信号处理电路，解决了目前的极性转换电路基本为板级电路，不易于集成、且电路复杂的问题。
5.本发明所述的一种传感器微弱电压信号处理电路，包括信号处理单元和动态随机存储单元；
6.所述信号处理单元和动态随机存储单元均主要由适用于集成电路工艺的多个电子元器件构成；所述信号处理单元用于对采集到微弱信号进行跟随转换，以获得并输出单极性信号；所述动态随机存储单元用于对单极性信号进行存储和输出。
7.所述动态随机存储单元包括电容c1和晶体管n3；所述晶体管n3的栅极输入一扫描信号，所述晶体管n3的源极作为微弱电压信号处理电路的输出端，所述晶体管n3的漏极与信号处理单元的输出端连接；所述电容c1的一端连接在晶体管n3的漏极，所述电容c1的另一端接地。
8.所述晶体管n3为tft晶体管。
9.所述信号处理单元主要由晶体管n1和晶体管n2构成；所述晶体管n1的栅极与传感器的一信号输出端连接，所述晶体管n1的漏极输入有电源信号，所述晶体管n1的源极与晶体管n2的漏极连接，且所述晶体管n1源极与晶体管n2漏极的连接端作为信号处理单元的输出端；所述晶体管n2的栅极与其漏极连接，所述晶体管n2的源极与传感器的另一信号输出端连接并接地。
10.所述晶体管n1为双栅薄膜晶体管或单栅薄膜晶体管。
11.当所述晶体管n1为双栅薄膜晶体管时，所述晶体管n1的控制端输入第一控制信号。
12.所述晶体管n2为双栅薄膜晶体管或单栅薄膜晶体管。
13.当所述晶体管n2为双栅薄膜晶体管时，所述晶体管n2的控制端输入第二控制信号。
14.所述信号处理单元能对采集到的微弱信号进行放大处理。
15.通过增加所述电源信号的电压电平实现对采集到的微弱信号进行放大处理。
16.有益效果
17.本发明的优点在于：通过信号处理单元以及动态随机存储单元实现了对微弱信号的采样、放大、转换、存储及输出。这两个单元的整体电路结构均采用了适用于集成工艺的晶体管以及电容组成，使得电路结构简单，实现了传感器的信号处理电路的高度集成化、小型化，满足了可穿戴设备的设计要求。
附图说明
18.图1为实施例一中，信号处理单元的电路结构示意图；
19.图2为实施例一中，微弱电压信号处理电路的整体电路结构示意图；
20.图3为双栅薄膜晶体管的转移特性曲线示意图；
21.图4为本发明的微弱电压信号处理电路控制时序图；
22.图5为本发明的信号处理单元在输入不同电压极性的控制信号时，信号处理单元的信号波形对照图；
23.图6为实施例一中，信号处理单元的输入、输出信号波形对照图；
24.图7为实施例一中的信号处理单元仿真的功率输出示意图；
25.图8为实施例一中的信号处理单元在不同的电源信号仿真时，输出的单极性信号值示意图；
26.图9为实施例一中的信号处理单元在不同的电源信号仿真时的输出电压/输入电压放大倍数值示意图；
27.图10为实施例一中，信号处理单元的控制端另一种连接结构示意图；
28.图11为电路结构基于图10的信号处理单元的微弱电压信号处理电路的整体电路结构示意图；
29.图12为电路结构基于图10的信号处理单元在不同的电源信号仿真时，输出的单极性信号值示意图；
30.图13为实施例二中，信号处理单元的电路结构示意图；
31.图14为实施例三中，微弱电压信号处理电路的电路结构示意图；
32.图15为实施例四中，微弱电压信号处理电路的第一电路结构示意图；
33.图16为实施例四中，微弱电压信号处理电路的第二电路结构示意图；
34.图17为实施例四中，微弱电压信号处理电路的第三电路结构示意图。
具体实施方式
35.下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。
36.本发明的一种传感器微弱电压信号处理电路，包括信号处理单元和动态随机存储单元。
37.其中，信号处理单元和动态随机存储单元均主要由适用于集成电路工艺的多个电子元器件构成，从而使得信号处理单元可实现小尺寸、高柔性的集成电路，实现了传感器的信号处理电路的高度集成化、小型化，满足了可穿戴设备的设计要求。信号处理单元用于对采集到微弱信号进行跟随转换，以获得并输出单极性信号，从而实现了将传感器输出的信号由双极性信号到单极性信号的转换。将单极性信号记为v
out
。
38.动态随机存储单元用于对单极性信号v
out
进行存储和输出，使得单极性信号v
out
具有非易失性。
39.动态随机存储单元包括电容c1和晶体管n3。晶体管n3的栅极输入一扫描信号，将扫描信号记为v
select
。晶体管n3的源极作为微弱电压信号处理电路的输出端，晶体管n3的漏极与信号处理单元的输出端连接。电容c1的一端连接在晶体管n3的漏极，电容c1的另一端接地。
40.优选的，晶体管n3为tft晶体管。进一步的，该tft晶体管需采用极低漏电的薄膜晶体管，这样电容c1方可长时间存储电荷，实现存储的单极性信号v
out
的非易失性。
41.关于电容c1的实现，其由两个金属电极组成。但不限于两个金属电极组成，也可是如下技术的一种或几种。如一个金属电极与一个tft晶体管的栅极、一个金属电极与一个tft晶体管的源漏极、两个tft晶体管的源漏极等。
42.本发明的信号处理单元主要由晶体管n1和晶体管n2构成。在现有的集成电路工艺中，晶体管是易于被集成在集成电路中的，因此，本发明的微弱电压信号处理电路也易于实现高度集成化、小型化。同时也无需板级的复杂电路方案才能实现传感器输出信号的极性转换，大大简化了传感器处理电路的电路结构。
43.针对信号处理单元中晶体管n1和晶体管n2的连接关系及其类型选取，本发明给出了多个实施例，以下将对信号处理单元的不同实施方式进行说明。
44.实施例一
45.本实施例的信号处理单元如图1所示，微弱电压信号处理电路的电路结构图如图2所示。在本实施例中，晶体管n1为双栅薄膜晶体管，晶体管n2为单栅薄膜晶体管。其连接关系如下。
46.晶体管n1的栅极与传感器的一信号输出端连接。即晶体管n1的栅极输入微弱信号v
signal
。晶体管n1的漏极输入有电源信号v
dd
，晶体管n1的源极与晶体管n2的漏极连接，且晶体管n1源极与晶体管n2漏极的连接端作为信号处理单元的输出端。晶体管n2的栅极与其漏极连接，晶体管n2的源极与传感器的另一信号输出端连接，且晶体管n2的源极接地。而晶体管n1的控制端输入控制信号v
con
。
47.关于双栅薄膜晶体管，双栅薄膜晶体管的顶栅是控制端。其转移特性曲线如图3所示。通过改变控制信号v
con
的电压，进一步控制阈值电压值大小，实现对输入的交流传感信号电压的变换。
48.本实施例的传感器微弱信号处理电路，以聚偏氟乙烯(pvdf)压电薄膜产生的交流信号采集时序为例，电路的控制时序如图4所示。
49.图4中，以纵向相邻两根虚线之间的时间段作为一阶段。图4的时序分为三个阶段，如t1、t2和t3。
50.在微弱信号v
signal
产生前的阶段t1，电源信号v
dd
偏置于高电平。微弱信号v
signal
、控制信号v
con
、电容电压信号vs均复位到低电平，电容电压信号vs基本恒定为正电压不变，扫描信号v
select
不断偏置高电平和低电平，晶体管n2不断进行开启、关闭状态切换，对单极性信号v
out
进行采集。
51.在微弱信号v
signal
产生的阶段t2，电源信号v
dd
偏置于高电平。控制信号v
con
偏置到正电平，交流的微弱信号v
signal
使晶体管n1的沟道电场强度以及电阻变化。电容c1的电压恒为正电压，但其幅度跟随微弱信号v
signal
波形变化。扫描信号v
select
不断偏置高电平和低电平，晶体管n2不断进行开启、关闭状态切换，对单极性信号v
out
进行采集，并存储在电容c1中，存储的电信号将可被外围电路读出。
52.在微弱信号v
signal
处于消失的阶段t3，电源信号v
dd
偏置于高电平，控制信号v
con
偏置到低电平，电容电压信号vs恢复正电压基本恒定不变。
53.如图5所示，信号处理单元对微弱信号v
signal
进行变压变换时，需晶体管n1控制端的配合。当控制信号v
con
偏置正电压电平，微弱信号v
signal
通过信号处理单元进行采样，并转换为正电压信号，其波形形状基本不变，见图5的时序段t1。当控制信号v
con
偏置负电压电平，微弱信号v
signal
通过信号处理单元进行采样，微弱信号v
signal
中的正电压信号依然转换为正电压信号，其中的负电压信号也转换为正电压信号，但存在“截止”现象，见图5的时序段t2。因此，晶体管n1控制端的控制信号v
con
设置合适的工作点，是保证微弱信号v
signal
转换为单极性正电压信号的关键。因此，本实施例的控制信号v
con1
为正电压电平，以确保微弱电压信号处理电路输出电压跟随着微弱信号v
signal
的波形，使输出电压完整不失真。
54.需要说明的是，本发明的信号处理单元仅适用于电压在毫伏级及以下的微弱信号。应用于电压在伏级及以上的较强传感信号时，信号处理单元将出现输出信号饱和或者截止的现象。当信号处理单元输入毫伏级及以下的微弱信号v
signal
时，控制信号v
con
偏置高电平，信号处理单元对输入的微弱信号v
signal
进行电压变换，输出信号转换为正电压，电压幅度跟随输入的传感信号波形变化，见图6。微弱电压信号处理电路输出电压信号为单极性电压信号，可降低硬件系统后端电路的复杂度。
55.在本实施例的信号处理单元中，对于高输入阻抗的微弱信号v
signal
，还可对采集到的微弱信号v
signal
进行放大处理。
56.具体的，可通过信号处理单元的控制信号v
con
、电源信号v
dd
控制，实现微弱信号v
signal
功率放大。本实施例的信号处理单元输出电压、输出电流i
out
、输出电压/输入电压放大倍数av的放大仿真结果，见图7-9。当传感器高输入阻抗时，微弱信号v
signal
的电流或电压信号非常微弱，通过信号处理单元可输出较强的电流和电压信号，见图7。进一步可通过电源信号v
dd
偏置电压值，控制信号处理单元输出电压的幅度，见图8。且通过电源信号v
dd
偏置电压值，也可控制输出电压/输入电压放大倍数av，见图9。
57.在本实施例中，作为优选的另一种方案，晶体管n1的控制端可直接与其漏极连接，如图10和图11所示。即控制信号v
con
等于电源信号v
dd
。这样的连接方式适用于将本实施例的
微弱电压信号处理电路扩展成大面积阵列式像素阵列，减少外围电路引线。当采用这样的接法时，微弱电压信号处理电路的控制信号v
con
与电源信号v
dd
的改变对输出电压的影响如图12所示。
58.实施例二
59.如图13所示，本实施例与实施例一所不同之处在于信号处理单元的晶体管n1和晶体管n2的位置互换。信号处理单元的具体电路连接关系如下。
60.当晶体管n1和晶体管n2的位置互换后，晶体管n2的漏极输入电源信号v
dd
，其栅极和源极连接，并作为信号处理单元的输出端。晶体管n1的漏极与信号处理单元的输出端连接，其栅极与传感器的一输出端连接，其漏极接地。晶体管n1的控制端输入控制信号v
con
。
61.虽然本实施例的信号处理单元两晶体管互换位置后其连接关系有不同之处，但其输入的控制信号以及输出的单极性信号v
out
的波形与上述实施例一的一致。即如图4所示的波形图。
62.实施例三
63.如图14所示，本实施例的信号处理单元采用了两个单栅薄膜晶体管。因此，其与实施例一的信号处理单元的不同之处在于，本实施例的信号处理单元不用输入控制信号v
con
。即在信号处理单元工作过程中，当其接收到微弱信号v
signal
之后，即可对微弱信号v
signal
进行转换，不受如实施例一中的控制信号v
con
控制。
64.因本实施例的信号处理单元结构更加简单，可应用与一些对控制要求不高传感器电路。
65.实施例四
66.本实施例的信号处理单元晶体管均采用双栅薄膜晶体管。其电路结构与实施例一的信号处理单元电路结构基本一致，所不同的在于，本实施例的信号处理单元有两个控制端。这两个控制端的输入方式有以下三种。
67.第一，如图15所示，这两个控制端可分别输入第一控制信号v
con1
和第二控制信号v
con2
，以实现信号处理单元对微弱信号v
signal
的采集。
68.第二，作进一步的改进，如图16所示，由于本实施例的信号处理单元两个晶体管需同步进行工作，为简化电路结构，可将两个晶体管的控制端进行连接，然后输入一控制信号v
con
即可。
69.第三，作更进一步的改进，如图17所示，可将两个晶体管的控制端与晶体管n1的漏极直接连接。即两个晶体管的控制端均输入电源信号v
dd
，起到进一步简化电路结构的作用。
70.因此，实施例四的信号处理单元在实现两个控制端的输入时，可采用上述任一种连接方式实现。
71.作为本发明技术方案的进一步公开，微弱电压信号处理电路中采用的晶体管，采用非晶氧化铟镓锌(a-igzo)制备。但不限于非晶氧化铟镓锌(a-igzo)制备，也可以是如下的一种或几种实现。如非晶硅(a-si)、多晶硅(poly-si)、有机(polyacetylene(pa),polypyrrole(ppy),polyaniline,and polythiophene等)等薄膜晶体管制备技术。
72.此外，本发明的信号处理单元两个晶体管同时用于放大和开关作用。除了可采用薄膜晶体管，也可以采用互补金属氧化物半导体(cmos)器件。
73.在应用本发明的微弱电压信号处理电路时，其适用于压敏传感器、光敏传感器、气
敏传感器、温度传感器等能输出微弱交流电压信号的传感器。
74.在应用过程中，本发明的微弱电压信号处理电路不限于单一传感像素，还可扩展为阵列式，构成可应用于大面积微弱传感信号监测或采集的部件、模块或设备。
75.以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。