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随着集成电路工艺的发展以及人们生活水平的提高,便携式医疗辅助设备助听器正在向着微型化和智能化的方向发展,这就要求助听器必须具有低压低功耗以及高灵活度的特性。于此,本文提出了基于电流模结构的电路设计方法,并实现了基于此结构的低压低功耗助听器前端信号处理电路,并在电压模结构后端驱动电路的辅助下,实现了完整的助听器系统。与传统的模拟助听器相比,课题设计的模拟助听器具有以下优点:提供了4个离散的压缩拐点以及4个离散的压缩比,具有高度的灵活性;具有呈指数特性的连续增益,提高了验配的适应性及聆听的舒适性;不仅具有幅度补偿的功能,而且实现了频率补偿的功能,该功能一般只能在数字助听器中通过DSP模块实现,使得模拟助听器可以对常见低频听力缺陷患者进行频率补偿。
助听器前端电路主要包括自动增益控制(AGC)电路和滤波器电路(Filter)。电路的核心MOS管均工作在基于SD驱动模式的亚阂值区,静态电流很小,且由于电流模技术的压缩特性,输入电流信号被对数比例压缩为电压信号来进行处理,然后再释放为电流信号。因此,前端电路在高阈值电压的工艺中可以实现低电压低功耗的电路。
AGC电路中,根据电流模结构中MOS管的电流和相应控制端口电压呈指数的特性,通过连续改变控制端的电压,即可实现与控制电压呈指数特性的连续增益,此指数特性的增益与声学中声压强度的衡量标准相匹配,当声音急剧变化时可导致聆听舒适度的提高。
在Filter电路的设计中,针对电流模结构中MOS管电流与电压的指数特性,文章提出了一种基于状态空间的滤波器设计方法。由于状态变量可观测的特性,采用此方法设计的滤波器,可以相对方便地实现频率补偿的功能,即对于常见的低频听力缺陷患者,当输入声音信号频率较低时,滤波器增益较高,使患者能够聆听到较微弱的声音,当输入频率较高时,增益降低,可防止刺耳声音的出现,提高舒适度。
助听器后端电路采用电压模结构设计,内嵌二阶Rauch滤波器,可弥补频率补偿滤波器对通带外噪声抑制能力不足的缺陷。此外,为降低系统的失真度,后端电路采用了功耗较高的AB类输出级电路结构。
整个助听器系统的工作电压为1.4V,前端电路最低功耗仅为40μW,后端电路约为1.9mW,THD值低于-40dB,系统的负载电阻为16Ω。