專利名稱：兼具無線信號(hào)放大和振動(dòng)信號(hào)放大的集成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及集成電路領(lǐng)域，尤其涉及兼具有無線信號(hào)放大和振動(dòng)信號(hào)放大的 集成電路。
背景技術(shù)：
如今，電動(dòng)車作為一種大眾交通工具風(fēng)靡全國(guó)，它與自行車相比速度快，與摩托車 相比它屬于輕污染的環(huán)保型交通工具，所以成為全國(guó)大小城市無車上班族的首選代步工 具。由于每輛電瓶車的價(jià)格也不菲，所以大都需要配備防盜報(bào)警器。此外，摩托車大部分也 都具有防盜報(bào)警裝置。作為摩托車、電動(dòng)車和小中型物品的防盜報(bào)警裝置，如圖1所示，其 系統(tǒng)主要由振動(dòng)裝置、無線射頻接收裝置、信號(hào)放大電路、單片機(jī)(MCU)和報(bào)警喇叭構(gòu)成。 其中，振動(dòng)信號(hào)和無線射頻信號(hào)前級(jí)放大處理都是由通用運(yùn)算放大器3M加外圍電阻電容 構(gòu)成放大電路來實(shí)現(xiàn)的，如圖中虛框內(nèi)所示。此放大處理系統(tǒng)采用大量的分立器件，系統(tǒng)繁 瑣，穩(wěn)定性差，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本較高。同時(shí)，由于分立器件特性的離散性導(dǎo)致系統(tǒng)性能一致 性不好。由于防盜報(bào)警裝置的廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)迫切要求一種全新的集成的微信號(hào)處理IC 的出現(xiàn)，要求其具備高集成度、高穩(wěn)定性、應(yīng)用系統(tǒng)高度簡(jiǎn)潔、成本相對(duì)低廉等特性。然而，由于集成兩種不同頻率信號(hào)的放大處理電路，有其實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)所在，比如兩個(gè) 有效信號(hào)頻率的相互干擾、高頻干擾、信號(hào)太微弱和外部噪聲的干擾等等，所以目前市場(chǎng)上 還沒有看到如此類似功能的集成電路(IC)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是全新定義設(shè)計(jì)一顆IC完成振動(dòng)信號(hào)放大和無線射頻信號(hào) 放大，替代通用運(yùn)放3M加分立電阻電容器件構(gòu)成的放大電路。以減少大量外圍分立器件， 簡(jiǎn)化應(yīng)用電路，顯著提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)功耗，降低產(chǎn)品成本。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提出如下技術(shù)方案一種兼具無線信號(hào)放大和振動(dòng) 信號(hào)放大的集成電路，其特征在于該集成電路包括集成設(shè)置的無線信號(hào)放大模塊以及振 動(dòng)信號(hào)放大模塊，該無線信號(hào)放大模塊及振動(dòng)信號(hào)放大模塊分別包括運(yùn)算放大電路模塊， 比較電路模塊，電壓參考電路，電流偏置電路以及整形驅(qū)動(dòng)模塊，所述運(yùn)算放大電路模塊將 待放大的信號(hào)放大輸出至比較電路模塊，電壓參考電路提供基準(zhǔn)電壓作為比較電路模塊的 另一個(gè)輸入，比較電路模塊的輸出信號(hào)經(jīng)整型驅(qū)動(dòng)模塊緩沖整型后輸出。其中，所述無線信號(hào)放大模塊和振動(dòng)信號(hào)放大模塊分別具有相互獨(dú)立的電壓參考 電路和電流偏置電路。所述無線信號(hào)放大模塊包括第一運(yùn)算放大器(OPl)電路，第一比較器(COMPl)，第 一參考電壓(Vrefl)電路，反相器(INV1，INV2)，電流偏置電路(Ibiasl)和電阻(R1，R2)。所述第一比較器(COMPl)是一個(gè)遲滯比較器，其上升沿和下降沿翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓不 同，中間存在一個(gè)電壓窗口，提高系統(tǒng)抗噪聲的能力。[0010]所述振動(dòng)信號(hào)放大模塊包括第二運(yùn)算放大器(OP》電路，第二比較器(C0MP2)，第 二參考電壓(Vref2, Vref3)電路，反相器(INV3, INV4)，二極管(Dl)，電阻(R3)和電流源
(11)。所述集成電路芯片的管腳包括無線信號(hào)放大模塊的輸出端(OUTl)，無線信號(hào)放 大模塊的第一比較器的同相輸入端(CP1_I+)，第一運(yùn)算放大器的同相輸入端(0P1_I+)及 輸出端(0P1_0)，工作負(fù)端電源(VSS)，振動(dòng)信號(hào)放大模塊的反相輸入端(0P2_I-)，振動(dòng)信 號(hào)放大模塊的輸出端(0UT2)以及工作正端電源(VDD)。同時(shí)，本實(shí)用新型在版圖(layout)布局上針對(duì)信號(hào)相互干擾方面做了相關(guān)優(yōu)化 設(shè)計(jì)，把無線RF放大電路和振動(dòng)信號(hào)放大電路盡量分開，從距離空間上給予最大的保證； 襯底(Substrate)多打接GND的接觸孔(Contact)，N阱(N-WELL)盡量多打接電源VDD的 接觸孔(Contact)；每個(gè)模塊都用單獨(dú)的保護(hù)環(huán)(Gard-Ring)圍起來，隔離模塊間的相互干 擾；最終，減小電源噪聲和襯底噪聲對(duì)放大電路的影響，以及屏蔽模塊間的互擾。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型定義的具備放大兩路微弱信號(hào)的信號(hào)處理芯片具 有下列優(yōu)點(diǎn)1、所需外圍器件極少，僅外接一個(gè)耦合電容；2、比分立器件系統(tǒng)具有更優(yōu)良的抗高頻噪聲和抗信號(hào)互擾特性；3、降低了環(huán)境溫度變化對(duì)系統(tǒng)的影響；4、使振動(dòng)防盜報(bào)警系統(tǒng)穩(wěn)定性得到顯著提高，可以增大無線遙控的接受收距離， 能正確反映有效振動(dòng)報(bào)警信號(hào)；5、IC面積極小，芯片成本低，具有很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；6、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔穩(wěn)定，易于應(yīng)用推廣。

圖1為現(xiàn)有的防盜報(bào)警裝置的電路示意圖；圖2為本實(shí)用新型兼具無線信號(hào)放大和振動(dòng)信號(hào)放大的集成電路芯片的管腳示 意圖；圖3為本實(shí)用新型兼具無線信號(hào)放大和振動(dòng)信號(hào)放大的集成電路內(nèi)部的模塊示 意圖；圖4為本實(shí)用新型兼具無線信號(hào)放大和振動(dòng)信號(hào)放大的集成電路的版面布局示 意圖；圖5為應(yīng)用本實(shí)用新型的振動(dòng)防盜報(bào)警系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型所揭示的兼具無線信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)放大的集成電路，其為全新定義一 款高性能的微弱信號(hào)處理IC，能同時(shí)完成無線信號(hào)放大和振動(dòng)信號(hào)放大兩個(gè)功能，即放大 經(jīng)過超再生解調(diào)后的無線RF信號(hào)，得到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，以便后級(jí)的專用解碼芯片或MCU完 成正確解碼；同時(shí)又能放大振動(dòng)時(shí)磁珠切割線圈產(chǎn)生的微弱電信號(hào)，使得后級(jí)的MCU可以 檢測(cè)處理。無線信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的信號(hào)波形不同，無線信號(hào)經(jīng)過解調(diào)后是微小幅值的方波信號(hào)，振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)是阻尼的正弦波信號(hào)。兩種信號(hào)的放大處理方法有所區(qū)別。而且，兩信 號(hào)的頻率不同，存在互相干擾的情況發(fā)生。針對(duì)于無線RF信號(hào)，其本來就具有固定的碼型， 即一幀碼中每個(gè)周期的高低電平的寬度是固定的，這就要求無失真放大，要求放大后的高 低電平寬度和接收到的信號(hào)是大致相同的，這樣后級(jí)的MCU才能正確解碼。本實(shí)用新型的IC管腳定義如圖2所示，芯片系統(tǒng)共8個(gè)管腳，可采用DIP8或S0P8 封裝。本實(shí)用新型IC管腳說明如下
引腳名稱 I/O功能說明
無線信號(hào)放大模塊的輸出。其輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)， 1 OUTl給后級(jí)的專用解碼芯片或MCU解碼，完成無線遙控。
2CP1_I +I無線信號(hào)放大模塊的比較器的同相輸入端。其作用 主要是與前級(jí)放大器輸出之間接一個(gè)隔直太電容，. 使得比較器的參考電壓Vrefl不會(huì)影響運(yùn)放OPl的 直流工作點(diǎn)。
3OP 1_ OO無線信號(hào)放大模塊的運(yùn)放的輸出端。與CP1_I+之間 接一個(gè)隔直電容，使得放大后的RF信號(hào)耦合給下級(jí) 比較器COMPl進(jìn)行整形處理。
4OPlJ +I無線信號(hào)放大模塊的運(yùn)放的同相輸入端。信號(hào)從超 再生解調(diào)模塊出來后，經(jīng)過耦合電容和濾波網(wǎng)絡(luò)后 送給運(yùn)放OPl的同相端進(jìn)行放大處理。
5VSSI/O工作負(fù)端電源,一般是接地。
6OP2I-I振動(dòng)信號(hào)放大模塊的反相輸入端。振動(dòng)裝置發(fā)生振 動(dòng)后,其彈簧會(huì)帶動(dòng)磁珠切割線圈產(chǎn)生微弱的電信 號(hào)，經(jīng)IOuF的耦合電容送到0P2的反相端進(jìn)行放大。
7OUT2O振動(dòng)信號(hào)放大模塊的輸出端。輸出數(shù)字電平，根據(jù) 振動(dòng)的強(qiáng)弱輸出不同個(gè)數(shù)的脈沖信號(hào)給后級(jí)MCU處 理。
8VDDI/O工作正端電源。無線接收模塊和超再生解調(diào)電路工 作電壓為5V，為了兼容所以芯片電源一般也為5V。 圖3所示是本實(shí)用新型的芯片系統(tǒng)框圖，其包括第一運(yùn)算放大器0P1，第二運(yùn)算 放大器0P2，遲滯比較器C0MP1，比較器C0MP2，參考電壓Vrefl、Vref2、Vref3，電流偏置電路 IbiasU Ibias2,四個(gè)反相器 INV1、INV2、INV3 和 INV4，二極管 D1，三個(gè)電阻 R1、R2、R3 及電流源II。無線RF信號(hào)放大模塊包括第一運(yùn)算放大器0P1、遲滯比較器C0MP1、參考電壓 Vrefl、電流偏置電路Ibiasl、反相器INVl、INV2和兩電阻Rl、R2。無線信號(hào)被天線接收后 送往超再生解調(diào)模塊中解調(diào)，把載波頻率去掉留下有效信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過耦合電容和高頻濾 波網(wǎng)絡(luò)，然后送給第一運(yùn)算放大器OPl進(jìn)行放大處理。為了使放大電路的等效輸入阻抗不 影響前級(jí)低通濾波網(wǎng)絡(luò)的相頻特性，所以解調(diào)后的RF信號(hào)是送到第一運(yùn)算放大器OPl的同 相端0P1_I+。因?yàn)閺?P1_I+端往運(yùn)放里面看到的等效阻抗是無窮大，可以認(rèn)為是開路，所 以不影響前面的高頻濾波網(wǎng)絡(luò)。這樣就更好地阻止了外部高頻噪聲對(duì)有效信號(hào)的影響。電阻Rl和R2是放大比例電阻，它們的溫度和電壓特性要求一致，即制作它們的電 阻材料要相同，這樣其比值就相對(duì)恒定，系統(tǒng)的放大倍數(shù)就不隨電壓或溫度變化而變化了。 電阻R1、R2和第一運(yùn)算放大器OPl構(gòu)成閉環(huán)放大電路，放大RF信號(hào)。閉環(huán)放大的精度與第 一運(yùn)算放大器OPl本身的精度沒有太大關(guān)系，只要符合OPl的開環(huán)增益足夠大。在第一運(yùn) 算放大器OPl的同相輸入端0P1_0和遲滯比較器COMPl的同相輸入端CP1_I+端外接一個(gè) 0. 56uF的隔直耦合電容，此電容主要是隔離前級(jí)運(yùn)算放大器與后級(jí)比較器的直流電壓的相 互影響，使得OPl和COMPl都能工作在良好的直流偏置點(diǎn)上。參考電壓Vrefl模塊為遲滯比較器COMPl提供比較的基準(zhǔn)電壓，使得放大過后的 信號(hào)可以進(jìn)一步被放大整形成數(shù)字的高低電平。該參考電壓Vrefl是本實(shí)用新型關(guān)鍵點(diǎn)之 一，其值的大小影響到是否是完成無失真整形，同時(shí)也決定著進(jìn)一步濾除噪聲的能力。在無 有效信號(hào)的情況下，參考電壓Vrefl節(jié)點(diǎn)的電壓比遲滯比較器COMPl的同相輸入端CP1_I+ 端的電壓要高，使得振動(dòng)信號(hào)放大模塊的第二運(yùn)算放大器的輸出端0UT2輸出低電平，為了 后級(jí)解碼芯片更容易處理。反相器INVl和INV2主要是為了進(jìn)一步整形信號(hào)，同時(shí)作為一個(gè)緩沖器Buffer提 供大驅(qū)動(dòng)。此處，INV2寬長(zhǎng)比是INVl的三倍，即INV2等效成三個(gè)INVl并聯(lián)而成。偏置 電流模塊rtiasl就是給第一運(yùn)算放大器OPl和遲滯比較器COMPl提供合適且精確的偏置 電流，使運(yùn)放和比較器能正常工作，Ibiasl產(chǎn)生IOu的鏡像電流。振動(dòng)檢測(cè)放大模塊是由第二運(yùn)算放大器0P2、比較器C0MP2、參考電壓Vref2、 Vref3、電流偏置電路Ibias2、反相器INV3、INV4、二極管D1、電阻R3和電流源Il構(gòu)成。當(dāng) 系統(tǒng)在報(bào)警狀態(tài)下被觸發(fā)，即由于彈簧伸縮引起磁珠切割線圈產(chǎn)生微弱電信號(hào)，使得振動(dòng) 裝置發(fā)生動(dòng)作。此微弱電信號(hào)經(jīng)IOuF的耦合電容送給運(yùn)放0P2的反相端進(jìn)行放大。參考電壓Vref2模塊是為了給第二運(yùn)算放大器0P2提供一個(gè)合適的直流偏置電 壓，使第二運(yùn)算放大器0P2工作在放大區(qū)。二極管Dl和電流源Il是作為限幅作用的，當(dāng)信 號(hào)放大后幅值大于二極管Dl的導(dǎo)通電壓時(shí)才能傳到后級(jí)比較器中進(jìn)行處理，這樣就可以 有效抑制意外微弱振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)，避免在報(bào)警狀態(tài)誤報(bào)。比較器C0MP2同樣是進(jìn)行信號(hào) 比較放大得到數(shù)字電平信號(hào)。參考電壓Vref3的作用是提供比較器C0MP2正常直流偏置， 同時(shí)提供比較的參考電壓。參考電壓Vref3同時(shí)也決定著整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度，Vref3越大 靈敏度越低，反之亦然。偏置電流模塊Ibias2就是給第二運(yùn)算放大器0P2和比較器C0MP2提供合適的偏 置電流，使運(yùn)放和比較器正常工作。反相器INV3和INV4主要是為了進(jìn)一步信號(hào)整形，同時(shí) 作為一個(gè)Buffer提供大的輸出驅(qū)動(dòng)能力。此處，INV2寬長(zhǎng)比是INVl的三倍，這樣才能提
6高輸出驅(qū)動(dòng)能力。本實(shí)用新型就降低無線信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的相互干擾提出關(guān)鍵的解決方案。發(fā)明中 設(shè)計(jì)了兩套獨(dú)立的電流偏置電路和三套獨(dú)立電壓參考電路，分別給兩個(gè)放大模塊提供電流 和電壓偏置。這樣就最大限度地減少了無線信號(hào)放大與振動(dòng)信號(hào)放大的相互干擾，提高芯 片整體性能。同時(shí)，本實(shí)用新型在版圖(layout)布局上針對(duì)信號(hào)相互干擾方面做了相關(guān)優(yōu)化 設(shè)計(jì)。如圖4所示，在版圖上，把無線RF放大電路和振動(dòng)信號(hào)放大電路盡量分開，從距離空 間上給予最大的保證。它們中間就安排放置兩個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電流源/電流偏置電路作為隔 離。核心電路采用了三層保護(hù)環(huán)(Gard-Ring)隔離保護(hù)，兩層地環(huán)和一層電源環(huán)，減小電源 噪聲和襯底噪聲對(duì)放大電路的影響。如圖5所示是應(yīng)用本實(shí)用新型的振動(dòng)防盜報(bào)警系統(tǒng)的示意圖。無線RF信號(hào)收發(fā) 可遙控整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，處于報(bào)警與非報(bào)警狀態(tài)。本實(shí)用新型作為系統(tǒng)中一個(gè)不可或 缺的模塊，主要功能為一是放大經(jīng)過超再生解調(diào)后的無線RF信號(hào)，二是放大振動(dòng)時(shí)磁珠 切割線圈產(chǎn)生的微弱電信號(hào)。RF信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過本實(shí)用新型IC的處理，得到標(biāo)準(zhǔn)的數(shù) 字信號(hào)，給MCU處理。當(dāng)系統(tǒng)處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)，MCU會(huì)根據(jù)OUTl和0UT2的有效報(bào)警信號(hào)給 予喇叭準(zhǔn)確工作信號(hào)，使喇叭響起報(bào)警聲音。當(dāng)系統(tǒng)處于非報(bào)警狀態(tài)時(shí)，即使0UT2有有效 的報(bào)警信號(hào)輸出時(shí)，MCU也不會(huì)向喇叭發(fā)出工作信號(hào)。此外，發(fā)明可以用于其他微弱信號(hào)放大領(lǐng)域。比如放大紅外熱釋電傳感器的信號(hào)， 放大汽車振動(dòng)傳感器的信號(hào)等等。本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特征已揭示如上，然而熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可 能基于本實(shí)用新型的教示及揭示而作種種不背離本實(shí)用新型精神的替換及修飾，因此，本 實(shí)用新型保護(hù)范圍應(yīng)不限于實(shí)施例所揭示的內(nèi)容，而應(yīng)包括各種不背離本實(shí)用新型的替換 及修飾，并為本專利申請(qǐng)權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求1.一種兼具無線信號(hào)放大和振動(dòng)信號(hào)放大的集成電路，其特征在于該集成電路包括 集成設(shè)置的無線信號(hào)放大模塊以及振動(dòng)信號(hào)放大模塊，該無線信號(hào)放大模塊及振動(dòng)信號(hào)放 大模塊分別包括運(yùn)算放大電路模塊，比較電路模塊，電壓參考電路，電流偏置電路以及整形 驅(qū)動(dòng)模塊，所述運(yùn)算放大電路模塊將待放大的信號(hào)放大輸出至比較電路模塊，電壓參考電 路提供基準(zhǔn)電壓作為比較電路模塊的另一個(gè)輸入，比較電路模塊的輸出信號(hào)經(jīng)整型驅(qū)動(dòng)模 塊緩沖整型后輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的兼具無線信號(hào)放大和振動(dòng)信號(hào)放大的集成電路，其特征在于 所述無線信號(hào)放大模塊和振動(dòng)信號(hào)放大模塊分別具有相互獨(dú)立的電壓參考電路和電流偏 置電路。
3.如權(quán)利要求1所述的兼具無線信號(hào)放大和振動(dòng)信號(hào)放大的集成電路，其特征在于 所述無線信號(hào)放大模塊包括第一運(yùn)算放大器OPl電路，第一比較器COMPl，第一參考電壓 Vrefl電路，反相器INV1，反相器INV2，電流偏置電路Ibiasl，電阻Rl和電阻R2。
4.如權(quán)利要求3所述的兼具無線信號(hào)放大和振動(dòng)信號(hào)放大的集成電路，其特征在于 所述第一比較器是一個(gè)上升沿和下降沿翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓不同，中間存在一個(gè)電壓窗口的遲滯比 較器。
5.如權(quán)利要求1所述的兼具無線信號(hào)放大和振動(dòng)信號(hào)放大的集成電路，其特征在于 所述振動(dòng)信號(hào)放大模塊包括第二運(yùn)算放大器0P2電路，第二比較器C0MP2，第二參考電壓電 路，反相器INV3,反相器INV4, 二極管D1，電阻R3和電流源II。
專利摘要本實(shí)用新型揭示一種兼具無線信號(hào)放大和振動(dòng)信號(hào)放大的集成電路，包括集成設(shè)置的無線信號(hào)放大模塊以及振動(dòng)信號(hào)放大模塊，該無線信號(hào)放大模塊及振動(dòng)信號(hào)放大模塊分別包括運(yùn)算放大電路模塊，比較電路模塊，電壓參考電路，電流偏置電路以及整形驅(qū)動(dòng)模塊，所述運(yùn)算放大電路模塊將待放大的信號(hào)放大輸出至比較電路模塊，電壓參考電路提供基準(zhǔn)電壓作為比較電路模塊的另一個(gè)輸入，比較電路模塊的輸出信號(hào)經(jīng)整型驅(qū)動(dòng)模塊緩沖整型后輸出。本實(shí)用新型集成電路具有良好的抗高頻噪聲和抗信號(hào)互擾特性，增大了無線遙控的接受收距離，且IC面積極小，芯片成本低。
文檔編號(hào)G08B13/00GK201820313SQ20092016518
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者杜坦, 江石根, 石萬文, 袁翔, 謝衛(wèi)國(guó), 陳志明 申請(qǐng)人:蘇州華芯微電子股份有限公司