摘 要：設計了一個針對遠紅外信號處理的系統(tǒng)，從被動式遠紅外傳感器得到的遠紅外信號極其微弱(幾十個微伏)，而且具有極窄的帶寬(0．1Hz一10Hz)。介紹了通過抽取濾波的方法將遠紅外信號從強噪環(huán)境中提取出來，并通過環(huán)路失調電壓消除的方法減小了系統(tǒng)的失調電壓。系統(tǒng)的有效檢測范圍可達到10m～15m，與傳統(tǒng)的遠紅外信號處理方法相比，該方法具有低功耗，可完全集成，低成本，可靠性高等優(yōu)點。經(jīng)仿真驗證，該系統(tǒng)是完全正確的，而且在電路上是可實現(xiàn)的。

　　1 引 言

　　對于頻率在幾個赫茲，信號幅度在微伏級別的信號的處理是集成電路領域比較困難的問題，而這種信號在傳感器技術中卻是非常常見的，典型的有人體遠紅外信號。對于這種信號現(xiàn)有的處理方法主要有以下兩種：直接對傳感器得到的信號進行濾波放大，這種方法的優(yōu)點在于電路實現(xiàn)簡單，成本低，而缺點在于可靠性差，而且為了實現(xiàn)低頻信號處理的線路板面積；還有一種解決方案是先通過可編程放大器對信號進行放大，然后通過高分辨率的模數(shù)轉換器實現(xiàn)信號處理，這種方法的優(yōu)點在于處理精度高，但是缺點是成本較高，功耗也較大。這兩種方法在業(yè)界已經(jīng)有了較成熟的應用，而由于這兩種方法都不盡令人滿意，所以對于這方面的研究也一直在進行，國外也有采用斬波放大器等對信號進行處理的方法。但是這類方法一般采用集成傳感器，不利于在低成本領域的應用。表1為幾種傳統(tǒng)采用了大電容和較多的外圍器件，從而占用了較大 的人體遠紅外信號處理方法優(yōu)缺點的對比。

表1 幾種傳統(tǒng)的被動式人體遠紅外信號處理方法的比較

　　一種新穎的針對遠紅外信號的處理系統(tǒng)包括： 低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)；前置抗混疊濾波器；多速率開關電容濾波器；抽取濾波器。為了處理低頻信號，采用了多速率開關電容濾波器來得到大的時間常數(shù)，從而避免了大電容的使用。通過采用回路失調電壓調整的方法減小了失調電壓對系統(tǒng)的影響，并給出了系統(tǒng)設計與電路實現(xiàn)以及Spectre下的仿真結果。

　　2 系統(tǒng)設計

　　2．1 多速率開關電容濾波器與抽取濾波器

　　從系統(tǒng)角度來看，多速率信號的處理需要抽取濾波器來實現(xiàn)降低采樣速率。出于功耗方面的考慮，選擇多速率開關電容濾波器的第一級的時鐘頻率為1．1MHz。其中的開關電容濾波器為二階的橢圓函數(shù)濾波器，通帶頻率為40K，在275K時的衰減率為～40dB，直流增益為6．02dB。經(jīng)過系統(tǒng)驗證，此濾波器完全符合系統(tǒng)要求。公式(I)為此濾波器的傳輸函數(shù)。

　　一般來說，常用的抽取濾波器就是求平均值電路 ，考慮到電路結構的難易程度，采用平方根的方法來實現(xiàn)抽取濾波器。如果輸入是頻率為fs的xi，輸出是頻率為fd的Yk，那么N是輸出頻率與輸人頻率之比：

　　其頻率響應近似為 ：

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　　在這個系統(tǒng)中，N=2，需要共計十三級的開關電容濾波器來獲得低的截止頻率(10Hz)和高的增益(40960)，同時需要十二級的抽取濾波器來實現(xiàn)降采樣。多速率開關電容濾波器與抽取濾波器部分的詳細系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 多速率開關電容濾波器與抽取濾波器的系統(tǒng)框圖

　　2．2 抗混疊濾波器

　　根據(jù)奈奎斯特采樣定理，在信號通過開關電容濾波器之前必須對其進行抗混疊濾波。考慮到多速率開關電容濾波器的第一級的時鐘頻率為1．1 MHz，選擇抗混疊濾波器的截止頻率為500KHz。采用三階巴特沃思濾波器作為抗混疊濾波器，其通帶頻率為25KHz，截止帶的衰減率為一80dB，公式(5)是此濾波器的傳輸函數(shù)。

　　2．3 非理想性因素的考慮

　　系統(tǒng)的非理想因素包括：開關漏電流，寄生電容效應和直流失調電壓。在3．1中闡述了對開關的漏電流和寄生電容效應進行處理的方法。從傳感器得到的遠紅外信號的直流電平和參考電壓存在失調電壓，這個失調電壓經(jīng)過放大會導致系統(tǒng)進入飽和狀態(tài)。除此之外，還必須考慮運算放大器的輸入失調電壓，可以選擇自穩(wěn)零放大器，斬波運算放大器和相關雙采樣(CDS)的方法來減小運算放大器的失調電壓。系統(tǒng)采用環(huán)路電壓調整和自穩(wěn)零放大器相結合的方法來消除失調電壓。環(huán)路失調電壓調整的原理是根據(jù)多速率開關電容濾波器的最后一級的輸出來調整抗混疊濾波器的參考電壓。

　　3 電路設計

　　3．1 多速率開關電容濾波器

　　正如前面所提到的那樣，如果在電路設計中選擇合適的電路和開關就可以使得系統(tǒng)不受寄生電容效應和漏電流的影響。開關電容濾波器的電路結構如圖2所示，采用CMOS互補開關以減小由寄生電容弓f起的時鐘饋通效應和溝道電荷注人效應 J，這個結構本身對于寄生電容并不敏感，圖2中的放大器為自穩(wěn)零運算放大器。

圖2 開關電容濾波器的電路結構。[!--empirenews.page--]

　　3．2 抽取濾波器的設計

　　抽取濾波器的設計基于MOS管的平方律公式實現(xiàn)，電路結構如圖3所示：在選取合適的寬長比情況下，可忽略二階效應，則流過M1與M2的電流分別為：

　　近似有：

圖3 抽取濾波器的電路結構

　　4 仿真結果

　　圖4為系統(tǒng)在Specie下的仿真結果，分別給出了系統(tǒng)的輸入與輸出。其中輸入的頻率分量分別為：10Hz(201xV)，50Hz(1OmV)，250Hz(10mV)，500Hz(10mV)，4．3 kHz(10mV)，17．1875 kHz(10mV)，68．75kHz(10mV)，225kHz(10mV)，其中10Hz(201~V)的頻率分量代表人體遠紅外信號，其余為系統(tǒng)輸入噪聲。

圖4 系統(tǒng)的瞬態(tài)仿真結果

　　5 結論

　　系統(tǒng)采用華虹NEC的0．35 ，IP3M的CMOS工藝為基礎進行了仿真，仿真的溫度范圍為一4O℃ 一150℃。仿真結果表明：利用這種方法對人體遠紅外信號進行處理是完全可行的，可以將微弱的人體遠紅外信號從強噪聲環(huán)境中提取出來。