(57)【要約】【課題】信号抽出回路が集積されるデバイスの製造偏差、温度変化、経年変化又は入力信号のオフセットに起因する信号抽出装置の動作の不都合を軽減する。【解決手段】動作点電圧発生回路１で発生した直流電圧ＶQは、３段逆相コンバータ回路５の第１段目のインバータの動作点を自動設定することができる。オフセット除去回路４は、スイッチトキャパシタ技術で構成された低域通過フィルタであり、センサ信号を増幅した差動増幅器の出力Ｖｓｉｇに含まれるオフセット信号を抽出し、それを、減算回路３から出力されるＶ’ｏｕｔに加算することによって、オフセット成分を除去する役割を果たしている。このようにして、３段逆相コンパレータ回路５の入力には、オフセット成分が除去された正味のＶｓｉｇの振動成分が動作点ＶＱの位置で印加され、３段逆相コンパレータ回路５で設定されたレベルを下回る信号成分のみが上向きパルスとして検出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のインバータを有する電圧コンパレータ回路と、
前記電圧コンパレータ回路の動作点電圧を設定する動作点設定回路と、
前記動作点電圧と、センサによって検出された信号との和又は差を取る加算又は減算回路と、
前記センサによって検出された信号から直流又は低周波オフセット電圧成分を、スイッチトキャパシタ技術を用いて自動的に除去するオフセット除去回路とを具えることを特徴とする信号抽出回路。
【請求項２】
前記信号抽出回路で発生する１／ｆ雑音をチョッパ周波数で変調する±１チョッパを更に具えることを特徴とする請求項１記載の信号抽出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、雑音信号及びスパイクパルス信号が重畳した信号（例えば、呼吸パルス信号、心拍パルス信号、心電パルス信号）に対し、雑音信号を抑制し、高レベルのスパイクパルス信号のみを抽出する信号抽出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電圧コンパレータ回路を基本回路とする信号抽出回路（例えば、血圧信号検出回路）では、コンパレータは単に平均信号と瞬時信号を比較してＲ波の到来時間を特定するのに用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６１−６８０２７号公報（第５頁右上欄第１３行〜左下欄第２行、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の電圧コンパレータ回路では、回路を集積化するとデバイスの製造偏差、温度変化、経年変化又は入力信号のオフセットのために、信号を比較弁別するための動作点が設計値からずれ、正常な動作ができなくなるおそれがある。
【０００４】
本発明の目的は、信号抽出回路が集積されるデバイスの製造偏差、温度変化、経年変化又は入力信号のオフセットに起因する信号抽出装置の動作の不都合を軽減することができる信号抽出回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による信号抽出回路は、
複数のインバータを有する電圧コンパレータ回路と、
前記電圧コンパレータ回路の動作点電圧を設定する動作点設定回路と、
前記動作点電圧と、センサによって検出された信号との和又は差を取る加算又は減算回路と、
前記センサによって検出された信号から直流又は低周波オフセット電圧成分を、スイッチトキャパシタ技術を用いて自動的に除去するオフセット除去回路とを具えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、電圧コンパレータ回路の強い非線形特性を利用して、低レベルの雑音を振幅圧縮操作によってレベル抑圧するとともに、スパイクパルス信号が振幅伸張操作によりレベル拡大して、高レベルのスパイクパルス信号のみを抽出する処理を実現する。
【０００７】
かかる操作を電圧コンパレータ回路によって実現するためには、センサによって検出された信号の適切な増幅と、電圧コンパレータ回路のしきい値電圧の適切な設定が必要となるが、信号抽出回路が集積されるデバイスの製造偏差や温度変動を予め予測することが不可能であり、かつ、信号抽出回路をデバイスに実装した後には特性のトリミングが不可能であるため、製造時の素子値のばらつきや温度変化を自動的に自己補償する必要がある。
【０００８】
このように、電圧コンパレータ回路の適切な動作点電圧を自動設定し、センサによって検出された信号から直流又は低周波オフセット電圧成分を、スイッチトキャパシタ技術を用いて自動的に除去することによって、信号抽出回路が集積されるデバイスの製造偏差、温度変化、経年変化又は入力信号のオフセットに起因する信号抽出装置の動作の不都合を軽減することができる。
【０００９】
また、前記信号抽出回路で発生する１／ｆ雑音をチョッパ周波数で変調し、１／ｆ雑音を高域にシフトさせて信号対雑音比を改善して、雑音による回路の誤判断を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明による信号抽出回路の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明による信号波形抽出回路の実施の形態の一例を示す図である。この信号波形抽出回路は、例えば、生体埋め込み用超小型スマートチップ内にセンサと一緒に実装でき、マイクロ圧力センサからの心拍パルス信号又は心電パルス信号のみを抽出し、動作点電圧発生回路１と、増幅器２と、減算回路３と、オフセット除去回路４と、３段逆相コンパレータ５とを具える。
【００１１】
動作点電圧発生回路１は、２個のＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２を有し、減算回路３は、４個のＭＯＳトランジスタＭ７，Ｍ８，Ｍ９，Ｍ１０を有し、オフセット除去回路４は、２個のキャパシタＣＦ，ＣＳと、互いに重なり合わない２相クロックφ１，φ２で駆動される４個のＣＭＯＳアナログスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４とを有し、３段逆相コンパレータ回路５は、６個のＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６を有する。
【００１２】
本実施の形態において、ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ３，Ｍ５，Ｍ１１は、同一のデバイス寸法を有し、互いに整合するように設計され、ＭＯＳトランジスタＭ２，Ｍ４，Ｍ６，Ｍ１２は、同一のデバイス寸法を有し、互いに整合するように設計される。その結果、ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２；Ｍ３，Ｍ４；Ｍ５，Ｍ６；Ｍ１１，Ｍ１２の各トランジスタ対で構成される４個のインバータは、同一のバイアス電圧ＶＢの下で整合した特性を有するようになる。したがって、後に詳しく説明するように、動作点電圧発生回路１で発生した直流電圧ＶQは、後段の３段逆相コンバータ回路５の第１段目のインバータ（ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２のトランジスタ対）の動作点（バイアス点）を自動設定することができる。
【００１３】
また、オフセット除去回路４は、スイッチトキャパシタ技術で構成された低域通過フィルタであり、後に説明するセンサ信号を増幅した差動増幅器の出力Ｖｓｉｇに含まれるオフセット信号（低周波同相信号）を抽出し、それを、減算回路３から出力されるＶ’ｏｕｔ（＝VQ−Ｖｓｉｇ）に加算することによって、オフセット成分を除去する役割を果たしている。このようにして、３段逆相コンパレータ回路５の入力には、オフセット成分が除去された正味のＶｓｉｇの振動成分が動作点ＶＱの位置で印加され、３段逆相コンパレータ回路５で設定されたレベルを下回る信号成分のみが上向きパルスとして検出される。
【００１４】
図２は、図１の増幅器の等価回路の一例を示す図である。この場合、増幅器２は、８個のＭＯＳトランジスタＭ１３，Ｍ１４，Ｍ１５，Ｍ１６，Ｍ１７，Ｍ１８，Ｍ１９，Ｍ２０を有する。増幅器２としては低利得の増幅器を実現する必要があるため、入力ＶＸをＭＯＳトランジスタＭ１３のソース・ゲート間電圧ＶＤＤ−ＶＢ１だけレベルシフトしてＭＯＳトランジスタＭ１６のゲートに印加し、ＭＯＳトランジスタＭ１６で電圧―電流変換して、ＭＯＳトランジスタＭ１５，Ｍ１７，Ｍ１８からなる電流ミラーでＡ倍の増幅度を取得し、ＭＯＳトランジスタＭ１９，Ｍ２０からなるＭＯＳ抵抗によって電流−電圧変換して、Ａ倍の電圧増幅器を実現している。
【００１５】
図３は、図１の信号抽出回路に適用される圧力センサ及び差動増幅器の一例を示す図である。この場合、圧力センサ１１は、ピエゾ抵抗１１ａ，１１ｃと抵抗１１ｂ，１１ｄを有し、圧力センサ１１によって検出されたセンサ信号Ｖｓｅｎは、差動増幅器１２によって増幅されＶｓｉｇが出力される。
【００１６】
図４は、バイアス電圧発生回路を示す図である。このバイアス電圧発生回路は、２個のダイオード２１，２２と、ＭＯＳトランジスタＭ２１とを具え、図１の３段逆相コンバータ回路５の（ｐチャネル）ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ３，Ｍ５と同図の動作点電圧発生回路の（ｐチャネル）ＭＯＳトランジスタＭ１１に必要なバイアス電圧ＶＢ及び図２の増幅器２の（ｐチャネル）ＭＯＳトランジスタＭ１３に必要なバイアス電圧ＶＢ１を発生する。
【００１７】
図５は、図１の３段逆相コンパレータ回路５の動作点の自動設定を説明するための図である。図５において、Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔはそれぞれ、３段逆相コンパレータ回路５の入力電圧及び各インバータの出力電圧を表す。Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ／２の特性線は、ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２（図１）のインバータにおいてその出力をＡ（この場合、２）倍に増幅して帰還した特性を示している。このように増幅器２（図１）を通じてＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２（図１）のインバータに帰還をかけると、ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２（図１）の１段目インバータ、ＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ４（図１）の２段目インバータ、及びＭＯＳトランジスタＭ５，Ｍ６（図１）の３段目インバータの出力はそれぞれ、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ／Ａの特性線と１段目インバータの出力特性曲線との交点で決まるＶｉｎ＝ＶＱの位置に入力動作点が自動的に設定される。
【００１８】
図５の場合、３段逆相コンパレータ回路５（図１）の動作点を、そのしきい値の少し右のＶｏｕｔが低レベルの位置に設定している。動作点をしきい値の少し左のＶｏｕｔの高レベルの位置に設定したい場合、増幅器２（図１）の代わりに減衰器を使用する。この場合には、３段逆相コンパレータ回路５で設定されたレベルを上回る信号成分のみが下向きパルスとして検出される。
【００１９】
図６Ａ〜Ｆは、図１の信号抽出回路をマウスの生体用心拍センサに適用した場合の電圧Ｖｘ，ＶＱ，Ｖｓｉｇ，Ｖ’ｏｕｔ，ＶＯＳ，Ｖｏｕｔの波形図をそれぞれ示す。電圧ＶＯＳ（図６Ｅ）の波形からわかるように、オフセット除去回路４（図１）は３０ミリ秒程度でオフセットの変化に対応できることがわかる。また、電圧Ｖｓｉｇ（図６Ｃ）の波形と電圧Ｖｏｕｔ（図６Ｆ）の波形とを比較すると、実際のマウスの心音波形である電圧Ｖｓｉｇ（図６Ｃ）中のスパイク信号（心音スパイク信号）がほぼ忠実に検出されていることがわかる。
【００２０】
図７は、図６Ｆに示す電圧Ｖｏｕｔの波形をＦＦＴ解析した結果を示す図である。図７において、マウスの心音である１２Ｈｚのスペクトルが捕らえられていることがわかる。元の信号に対応する電圧Ｖｓｉｇを直接ＦＦＴ解析しても上記スペクトルを捕らえることができないため、図１に示すような本発明による信号抽出回路がスパイクパルス信号を抽出するのに非常に有効であることがわかる。
【００２１】
なお、図１に示すような本発明による信号抽出回路によれば、電源電圧ＶＤＤが３Ｖであれば動作することができ、この場合の消費電力が７５０μＷであるため、低電圧低消費電力の信号抽出回路を構成することができる。
【００２２】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
例えば、動作点電圧発生回路、増幅器、減算回路、オフセット除去回路及び３段逆相コンパレータ回路は、他の構成をとることもでき、３段逆相コンパレータの代わりに任意の複数段数の多段コンパレータ回路を用いることもできる。
【００２３】
また、差動増幅器の直前と３段逆相コンパレータ回路のような多段コンパレータ回路の直後に±１チョッパを設ける、すなわち、本発明による信号抽出回路を±１チョッパによって挟むことによって、両±１チョッパに挟まれた回路部分で発生する１／ｆ雑音をチョッパ周波数で変調し、１／ｆ雑音を高域にシフトさせて信号対雑音比を改善して、雑音による回路の誤判断を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
生体用心拍センサ、衝撃パルス信号センサ、光パルス信号センサ、音響エコーパルス信号センサ等の低レベル雑音信号が重畳したスパイクパルス信号から高レベルのスパイクパルス信号のみを抽出する処理を必要とする電子装置。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による信号波形抽出回路の実施の形態の一例を示す図である。
【図２】図１の増幅器２の等価回路の一例を示す図である。
【図３】図１の信号抽出回路に適用される圧力センサ及び差動増幅器の一例を示す図である。
【図４】バイアス電圧発生回路を示す図である。
【図５】図１の３段逆相コンパレータ回路５の入力動作点の自動設定を説明するための図である。
【図６】図１の信号抽出回路をマウスの生体用心拍センサに適用した場合の電圧Ｖｘ，ＶＱ，Ｖｓｉｇ，Ｖ’ｏｕｔ，ＶＯＳ，Ｖｏｕｔの波形図である。
【図７】図６Ｆに示す電圧Ｖｏｕｔの波形をＦＦＴ解析した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  動作点電圧発生回路
２  増幅器
３  減算回路
４  オフセット除去回路
５  ３段逆相コンパレータ回路
１１  圧力センサ
１１ａ，１１ｃ  ピエゾ抵抗
１１ｂ，１１ｄ  抵抗
１２  差動増幅器
ＣＦ，ＣＳ  キャパシタ
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７，Ｍ８，Ｍ９，Ｍ１０，Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４，Ｍ１５，Ｍ１６，Ｍ１７，Ｍ１８，Ｍ１９，Ｍ２０，Ｍ２１  ＭＯＳトランジスタ
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４  ＣＭＯＳアナログスイッチ
φ１，φ２  ２相クロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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