本實用新型涉及人體介質通信技術領域，特別是涉及一種多模模擬前端。

背景技術：

近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展、電子技術的進步和高性能低功耗處理芯片的推出等，穿戴式設備已經(jīng)逐步從概念化走向商業(yè)化，如谷歌眼鏡、蘋果iwatch智能手表、智能手環(huán)、可穿戴運動相機、智能背心等智能穿戴式設備層出不窮，隨著人們對這些新型穿戴式設備的需求日益增長，實現(xiàn)這些穿戴式設備之間，以及穿戴式設備與外部Internet(互聯(lián)網(wǎng))之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)、信息交換從而進一步組建以人體為數(shù)據(jù)中心的體域網(wǎng)的需求變得越來越迫切，而目前這種新型網(wǎng)絡的實現(xiàn)主要依靠傳統(tǒng)的Bluetooth(藍牙)、WiFi(Wireless-Fidelity，無線寬帶)、射頻和紅外等無線通信技術，這也就意味著直接將人體包圍在常規(guī)電磁環(huán)境中，長此以往，會影響人體健康，而且這些傳統(tǒng)技術易受電磁噪聲影響、功耗較高、保密性較差，相比之下，人體介質通信技術利用人體作為傳輸介質在設備之間發(fā)送和接收信號，通過人體的電功率非常低，故不會對人體造成任何傷害，其安全性已經(jīng)獲得了世界衛(wèi)生組織的認可，因為人體介質通信過程中信號沿著體表信道傳輸，所以受外界電磁噪聲的干擾小，同時也極大地降低了信號逸散到外部空間被竊取的可能性，并且人體介質的信道質量比自由空間更優(yōu)，信道衰落更小，所以人體介質通信功耗將更低，而且不存在多人通信時效率降低的問題；另一方面，現(xiàn)在人們對于醫(yī)療資源的需求大幅提高，實時、持續(xù)地監(jiān)測并診斷健康狀況已逐步成為現(xiàn)在醫(yī)療發(fā)展的重要任務，也是緩解日后醫(yī)療壓力的主要手段之一，體域網(wǎng)技術是實現(xiàn)這一目標的可靠方式，而人體介質通信技術則是構建體域網(wǎng)的最佳技術方案。以上種種表明，人體介質通信技術將會是未來體域網(wǎng)技術的主流通信技術。

人體介質通信技術當前有兩種主要的通信方式：電容耦合式和電流耦合式，電容耦合式人體介質通信方式適用在大數(shù)據(jù)高速率通信應用場合，比如穿戴式設備之間的圖像、音頻、視頻信號的人體傳輸；而電流耦合式人體介質通信方式速率較低但穩(wěn)定性相對較高，適用于對通信穩(wěn)定性要求較高但對通信速率要求較低的醫(yī)療監(jiān)護場合。目前，業(yè)界在體域網(wǎng)技術，特別是人體介質通信技術以及人體介質通信設備方面的研究尚處于起步階段，而用于人體介質通信領域的集成電路更是鮮有研究。當前已有的人體介質通信系統(tǒng)及電路只能實現(xiàn)單一的電容耦合通信方式或者電流耦合通信方式，所以，沒有能同時兼容電容耦合與電流耦合兩種人體介質通信方式的多模模擬前端電路；此外，目前的人體介質通信領域使用的信號電極和傳感器種類繁多，既有支持電流模輸出形式的也有支持電壓模輸出形式的，但是當前的人體介質通信系統(tǒng)及電路只能針對一種信號類型(電流或電壓)進行處理。以上通信方式以及信號模式方面的單一極大限制了人體介質通信電路與系統(tǒng)的通用性。

技術實現(xiàn)要素：

基于上述情況，本實用新型提出了一種多模模擬前端，可兼容電流耦合式和電容耦合式兩種人體介質通信方式，同時可兼容電流、電壓模信號輸入，提高人體介質通信電路與系統(tǒng)的通用性。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型技術方案的實施例為：

一種多模模擬前端，包括低噪聲差分放大器、通斷控制單元、電壓基準源、雙路選擇器和電流/電壓模信號放大電路；

所述低噪聲差分放大器的輸入端輸入電壓模信號，所述低噪聲差分放大器的輸出端連接所述雙路選擇器的第一輸入端，所述通斷控制單元的第一輸入端輸入電流模信號，所述通斷控制單元的輸出端連接所述電流/電壓模信號放大電路的電流輸入端，所述電壓基準源的輸出端連接所述雙路選擇器的第二輸入端，所述雙路選擇器的輸出端連接所述電流/電壓模信號放大電路的電壓輸入端。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果為：本實用新型多模模擬前端，低噪聲差分放大器的輸入端輸入電壓模信號，通斷控制單元的輸入端輸入電流模信號，低噪聲差分放大器和電壓基準源的輸出端分別連接雙路選擇器的輸入端，雙路選擇器和通斷控制單元的輸出端分別連接電流/電壓模信號放大電路的輸入端，可以兼容電流耦合式和電容耦合式兩種人體介質通信方式，兼容電流、電壓模信號輸入，極大地提高了人體介質通信電路與系統(tǒng)的通用性，同時可采用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體)工藝實現(xiàn)全集成，適合集成于SOC(System on Chip，系統(tǒng)級芯片)芯片，具有極好的應用推廣價值。

附圖說明

圖1為一個實施例中多模模擬前端結構示意圖；

圖2為基于圖1所示前端一個具體示例中多模模擬前端結構示意圖；

圖3為一個實施例中電流/電壓模信號放大電路示意圖；

圖4為一個多模模擬前端的應用實例。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施方式僅僅用以解釋本實用新型，并不限定本實用新型的保護范圍。

一個實施例中多模模擬前端，如圖1所示，包括低噪聲差分放大器101、通斷控制單元102、電壓基準源103、雙路選擇器104和電流/電壓模信號放大電路105；

所述低噪聲差分放大器101的輸入端輸入電壓模信號，所述低噪聲差分放大器101的輸出端連接所述雙路選擇器104的第一輸入端，所述通斷控制單元102的第一輸入端輸入電流模信號，所述通斷控制單元102的輸出端連接所述電流/電壓模信號放大電路105的電流輸入端，所述電壓基準源103的輸出端連接所述雙路選擇器104的第二輸入端，所述雙路選擇器104的輸出端連接所述電流/電壓模信號放大電路105的電壓輸入端。

當人體介質通信接收端使用的是電流型傳感器或電極時，整個電路工作在電流模信號輸入方式，此時，雙路選擇器第二輸入端選通，穩(wěn)定的直流電壓基準Vb加載到電流/電壓模信號放大電路的電壓輸入端，為電路提供直流偏置，同時電流模信號i_in通過通斷控制單元輸入到電流/電壓模信號放大電路的電流輸入端，電流/電壓模信號放大電路將電流信號i_in放大并轉化成電壓信號v₀₂輸出；當人體介質通信接收端使用的是電壓型傳感器或電極時，整個電路工作在電壓模信號輸入方式，單端或差分電壓信號經(jīng)過低噪聲差分放大器放大后得到v₀₁信號(單端輸入時，電壓信號從差分放大器其中一個輸入端輸入，差分放大器另一個輸入端接地)，所述信號v₀₁既有交流成分也包含直流成分，它的直流成分和所述電壓基準源的輸出V_b大小一致，信號v₀₁經(jīng)過雙路選擇器選通，直接輸入到電流/電壓模信號放大電路的電壓輸入端，此時電流/電壓模信號放大電路將輸入的電壓信號進一步地放大得到電壓信號v₀₂。

從以上描述可知，本實用新型兼容電流耦合式和電容耦合式兩種人體介質通信方式，兼容電流、電壓模信號輸入，極大地提高了人體介質通信電路與系統(tǒng)的通用性，同時可采用CMOS工藝實現(xiàn)全集成，適合集成于SOC芯片，具有極好的應用推廣價值。

此外，在一個具體示例中，所述電流/電壓模信號放大電路包括第一MOS晶體管、第二MOS晶體管、第三MOS晶體管、第四MOS晶體管和第五MOS晶體管；

所述電壓輸入端連接所述第五MOS晶體管的柵極，所述電流輸入端分別連接所述第五MOS晶體管的漏極、所述第四MOS晶體管的柵極和所述第三MOS晶體管的源極，所述第五MOS晶體管的源極和所述第四MOS晶體管的源極接地，所述第四MOS晶體管的漏極分別連接所述第三MOS晶體管的柵極和所述第二MOS晶體管的源極，所述第二MOS晶體管的柵極分別連接所述第二MOS晶體管的漏極和電源，所述第三MOS晶體管的漏極連接所述第一MOS晶體管的源極，所述第一MOS晶體管的柵極分別連接所述第一MOS晶體管的漏極和所述電源。

所述電流/電壓模信號放大電路由工作在飽和區(qū)的第三MOS晶體管M3、第四MOS晶體管M4、第五MOS晶體管M5，以及二極管連接的第一MOS晶體管M1、第二MOS晶體管M2組成；所述第五MOS晶體管M5的柵極連接著所述雙路選擇器的輸出端，在電壓模信號輸入情況下接受電壓信號v_i’的輸入，所述第五MOS晶體管M5的漏極連著所述第三MOS晶體管M3的源極和所述第四MOS晶體管M4的柵極，所述第四MOS晶體管M4的漏極連著所述第三MOS晶體管M3的柵極和所述第二MOS晶體管M2的源極，所述第二MOS晶體管M2的柵極和漏極相連構成二極管連接，并連接至電源端，所述電流信號i_in在所述通斷控制單元連通時從所述第三MOS晶體管M3的源極輸入，所述第三MOS晶體管M3的漏極連著所述第一MOS晶體管M1的源極，所述第一MOS晶體管M1的柵極和漏極相連構成二極管連接，并連接至電源端，所述第一MOS晶體管M1的等效阻抗將放大后的電流信號轉化為電壓信號v₀₂。

此外，在一個具體示例中，所述多模模擬前端還包括自動增益控制放大器，所述自動增益控制放大器的輸入端分別連接所述第三MOS晶體管的漏極和所述第一MOS晶體管的源極。

電流/電壓模信號放大電路輸出的電壓信號v₀₂經(jīng)過自動增益控制放大器放大后輸出信號v₀₃，可以根據(jù)實際需要設置自動增益控制放大器中的增益，適合應用。

此外，在一個具體示例中，所述多模模擬前端還包括輸出緩沖器，所述自動增益控制放大器的輸出端連接所述輸出緩沖器的輸入端。

輸出緩沖器增加電路的帶負載能力，通過輸出緩沖器，減小電路輸出阻抗，使電路能驅動低阻性負載和高容性負載。

此外，在一個具體示例中，所述多模模擬前端還包括控制單元，所述控制單元的輸出端分別連接所述通斷控制單元的第二輸入端和所述雙路選擇器的第三輸入端。

控制單元通過一個控制信號V_ctrl來控制所述通斷控制單元和所述雙路選擇器的控制端。當外部電流模信號輸入時，將所述控制信號V_ctrl設置為高電平(或低電平)，使得所述通斷控制單元接通，同時所述雙路選擇器第二路輸入信號選通，電壓基準V_b連接至所述電流/電壓模信號放大電路中的第五MOS晶體管M5的柵極，使所述第五MOS晶體管M5工作在飽和區(qū)，電流信號i_in輸入到所述電流/電壓模信號放大電路的電流輸入端，此時所述電流/電壓模信號放大電路起到跨阻放大器的功能，將電流信號i_in轉化成電壓信號v₀₂輸出；當外部輸入電壓模信號時，在所述控制信號V_ctrl端接入與所述電流輸入情況下相反的電平，使得所述通斷控制單元斷開，抑制外部噪聲進入，同時所述雙路選擇器第一路輸入信號選通，單端或差分電壓信號經(jīng)過所述低噪聲差分放大器放大后直接輸入到所述電流/電壓模信號放大電路的電壓輸入端，此時電流/電壓模信號放大電路起到增益提高型電壓放大器的功能，將輸入的電壓信號進一步地放大。

此外，在一個具體示例中，當所述電壓模信號為單端電壓模信號時，所述低噪聲差分放大器的同向輸入端輸入所述單端電壓模信號，所述低噪聲差分放大器的反向輸入端接地。

此外，在一個具體示例中，當所述電壓模信號為差分電壓模信號時，所述低噪聲差分放大器的同向輸入端和反向輸入端分別輸入所述差分電壓模信號。

所述電壓模信號可以是差分電壓模信號，也可以是單端電壓模信號。當接收到的信號為所述單端電壓模信號時，所述單端電壓模信號連接至所述低噪聲差分放大器的同向端，所述低噪聲差分放大器的反向端接地，當接收到的信號為所述差分電壓模信號時，所述差分電壓模信號分別連接至所述低噪聲差分放大器的同向端和反向端，保證后續(xù)處理正常進行。

為了更好地理解上述設備，以下詳細闡述一個本實用新型多模模擬前端的應用實例。

如圖2所示，所述多模模擬前端可以包括低噪聲差分放大器11、電壓基準源12、雙路選擇器13、通斷控制單元14、電流/電壓模信號放大電路15、自動增益控制放大器16和輸出緩沖器17；

外部待處理單端或差分電壓信號連接至所述低噪聲差分放大器11的輸入端，所述低噪聲差分放大器11和所述電壓基準源12的輸出端連接至所述雙路選擇器13的兩個輸入端，所述雙路選擇器13的輸出端連接至電流/電壓模信號放大電路15的電壓輸入端；

外部待處理電流信號連接至所述通斷控制單元14的輸入端，所述通斷控制單元14的輸出端連接著所述電流/電壓模信號放大電路15的電流輸入端，所述電流/電壓模信號放大電路15的輸出端連接至自動增益控制放大器16的輸入端，所述自動增益控制放大器16的輸出端連接至所述輸出緩沖器17的輸入端，最終從所述輸出緩沖器17的輸出端輸出信號v_out。

控制單元通過一個控制信號V_ctrl來控制所述通斷控制單元14和所述雙路選擇器13的控制端，當人體介質通信接收端使用的是電流型傳感器或電極時，整個電路工作在電流模信號輸入方式，先將所述控制信號V_ctrl設置為高電平(或低電平)，使得所述通斷控制單元14接通，同時所述雙路選擇器13第二路輸入信號選通，電壓基準V_b連接至所述電流/電壓模信號放大電路15中的第五MOS晶體管M5的柵極，使所述第五MOS晶體管M5工作在飽和區(qū)，電流信號i_in輸入到所述電流/電壓模信號放大電路15的電流輸入端，此時所述電流/電壓模信號放大電路15起到跨阻放大器的功能，將電流信號i_in轉化成電壓信號v₀₂輸出，所述電壓信號v₀₂經(jīng)過所述自動增益控制放大器16放大后輸出信號v₀₃，再經(jīng)過所述輸出緩沖器17輸出信號v_out；當人體介質通信接收端使用的是電壓型傳感器或電極時，整個電路工作在電壓模信號輸入方式，所述控制信號V_ctrl設置為與所述電流輸入方式相反的電平，使得所述通斷控制單元14斷開，抑制外部噪聲進入，同時所述雙路選擇器13第一路輸入信號選通，單端或差分電壓信號經(jīng)過所述低噪聲差分放大器11放大后得到v₀₁信號(單端輸入時，電壓信號從差分放大器其中一個輸入端輸入，差分放大器另一個輸入端接地)，所述信號v₀₁既有交流成分也包含直流成分，它的直流成分和所述電壓基準源12的輸出V_b大小一致，所述信號v₀₁經(jīng)過雙路選擇器13選通，直接輸入到所述電流/電壓模信號放大電路15的電壓輸入端，此時所述電流/電壓模信號放大電路15起到增益提高型電壓放大器的功能，將輸入的電壓信號進一步地放大得到電壓信號v₀₂，再經(jīng)過所述自動增益控制放大器16放大后輸出信號v₀₃，最終經(jīng)過所述輸出緩沖器17輸出電壓信號v_out。

圖3為電流/電壓模信號放大電路15的內部結構示意圖，在電流模信號輸入情況下，電流信號i_i’和外部輸入電流信號i_in相同，所述電流信號i_i’直接加載到所述第三MOS晶體管M3的源極，同時加載至第四MOS晶體管M4的柵極和第五MOS晶體管M5的漏極，所述第四MOS晶體管M4的漏級連接至所述第三MOS晶體管M3的柵極，為所述第三MOS晶體管M3提供偏置，同時所述第四MOS晶體管M4的漏極也連著所述第二MOS晶體管M2的源極，所述第二MOS晶體管M2的柵極和漏極相連構成二極管連接，并連接至電源端，所述第三MOS晶體管M3的漏極連著所述第一MOS晶體管M1的源端，所述第一MOS晶體管M1的柵極和漏極相連構成二極管連接，并連接至電源端，所述第一MOS晶體管M1的等效阻抗將放大后的電流信號轉換為電壓信號，并從所述第三MOS晶體管M3的漏極輸出電壓信號v₀₂；在電壓模信號輸入情況下，電壓模信號v_i’接到所述第五MOS晶體管M5的柵極，所述第五MOS晶體管M5工作在共源放大模式，所述第三MOS晶體管M3、第四MOS晶體管M4以及二極管連接的第一、第二MOS晶體管M1、M2一起看做是所述第五MOS晶體管M5漏端的有源負載，放大后的電壓信號v₀₂也是從所述第三MOS晶體管M3的漏極輸出。

圖4為圖2的一個應用實例，圖4中的43表示為圖2所述電路的實施實例。所述信號源41產(chǎn)生電流或電壓信號加載到所述發(fā)射機42的輸入端，所述發(fā)射機42的輸出端連接著發(fā)射端的人體介質傳感器A，通過所述人體介質傳感器A將信號耦合到人體介質中，信號以人體為信道，在人體表面?zhèn)鬏?，接收端的人體介質傳感器B連接至所述圖2的實施實例43的輸入端，將通過人體介質傳輸?shù)男盘枡z測出來并加載至所述圖2的實施實例43的輸入端，所述圖2的實施實例43對信號進行放大處理，所述數(shù)據(jù)采集單元44和所述數(shù)據(jù)處理單元45實現(xiàn)將放大后的信號進行采集和處理，最終還原出發(fā)射的原始信息。

從以上描述可知，本實施例可兼容電流耦合式和電容耦合式兩種人體介質通信方式，同時可兼容電流、電壓信號輸入，且電壓輸入模式可兼容單端、差分信號輸入，不同模式切換簡便，極大地提高了人體介質通信電路與系統(tǒng)的通用性，另外，所述電路可用CMOS工藝實現(xiàn)全集成，適合集成于SOC芯片，具有極好的應用推廣價值。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對實用新型專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應以所附權利要求為準。