一種適用于生物電信號處理的全集成五階Gm?C低通濾波器

李春龍+徐衛(wèi)林+韋保林+喬帥領(lǐng)+段吉海+韋雪明

摘 要： 傳統(tǒng)的Gm?C濾波器OTA輸入晶體管大多工作在飽和區(qū)，存在輸入動態(tài)范圍較小和跨導(dǎo)值較大等不足，難以滿足生物醫(yī)學(xué)電信號處理濾波器所要求的超低截止頻率、低功耗與大輸入動態(tài)范圍等要求，采用將輸入晶體管鉗位到線性工作區(qū)的方法，設(shè)計了跨導(dǎo)線性可調(diào)的OTA以提高濾波器能夠處理的信號幅度。并應(yīng)用該OTA綜合了一種五階Gm?C超低頻低通濾波器。仿真結(jié)果表明，該濾波器在1.8 V電源，800 mVpp輸入條件下實現(xiàn)了283 Hz的超低低通角頻率，-6.4 dB的帶內(nèi)增益，51 dB的三次諧波失真，功耗僅為22 μW，適用于可穿戴式生物醫(yī)學(xué)電信號讀取電路。

關(guān)鍵詞： 跨導(dǎo)?電容低通濾波器； 運算跨導(dǎo)放大器； 線性可調(diào)； 生物醫(yī)學(xué)信號； 輸入動態(tài)范圍； 低功耗

中圖分類號： TN713+.4?34； TN43?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）04?0083?05

Abstract： As the OTA input transistors of traditional Gm?C filter usually operate in the saturated zone and have the disadvantages of small input dynamic range and large transconductance value， it is difficult to meet the requirements of ultra?low cut?off frequency， low power consumption， and large input dynamic range required by biomedical electrical signal processing filter. Therefore， a linear and tunable transconductance OTA was designed with the method of clamping the input transistor to the linear operation zone to improve the signal amplitude that the filter can process. The OTA is utilized to synthesize a fifth?order Gm?C low?pass filter with ultra?low frequency. The simulation results show that the filter can achieve 283 Hz ultra?low?pass angle frequency， -6.4 dB in?band gain， and 51 dB third harmonic distortion under the input condition of 1.8 V power supply and 800 mVpp. The power consumption of the filter is only 22 μW which is suitable for the wearable biomedical electrical signal readout circuit.

Keywords： Gm?C low?pass filter； OTA； linear tunableness； biomedical signal； input dynamic range； low power consumption

0 引 言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對自身的健康狀況的關(guān)注愈加密切，這給可穿戴醫(yī)學(xué)監(jiān)控設(shè)備帶來了廣闊的發(fā)展空間。生物電信號采集電路的典型構(gòu)架是前端采用斬波運放對生物電信號進(jìn)行采集和放大；然后使用低通濾波器濾除斬波運放輸出信號中的噪聲，實現(xiàn)信號整形；然后通過可變增益放大器對信號進(jìn)行進(jìn)一步放大，最后通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對信號進(jìn)行量化。濾波器在斬波運放之后，要求具有較大的輸入動態(tài)范圍。

通常的生物電信號如心電信號等，其帶寬僅有幾十到幾百赫茲，若采用有源RC濾波器、MOSFET?C濾波器進(jìn)行處理，需要較大的芯片面積；采用開關(guān)電容濾波器則不僅電路較為復(fù)雜，并且對時鐘及其相位精度有較高要求，全片內(nèi)集成較為困難。Gm?C濾波器則可以在有限的芯片面積下實現(xiàn)超低帶寬濾波器的片上全集成。

超低跨導(dǎo)值的跨導(dǎo)運放是Gm?C濾波器設(shè)計當(dāng)中的難點，目前較多地采用電流分流、源級負(fù)反饋、電流對消等解決方案[1?4]。這些方案中OTA輸入晶體管大多工作在飽和區(qū)，僅能處理小于輸入晶體管過驅(qū)電壓的信號，因此其輸入動態(tài)范圍較小。而本文設(shè)計的OTA電路輸入晶體管工作在線性區(qū)，相應(yīng)地提高了濾波器處理大幅度輸入信號的能力。

1 電路設(shè)計

有源濾波器可以采用傳統(tǒng)的無源RLC濾波器進(jìn)行分析與電路綜合[1]。首先建立歸一化的無源梯形濾波器模型；其次根據(jù)需要綜合的濾波器頻率，確定無源器件的參數(shù)。無源梯形濾波器模型如圖1所示，最終得到的濾波器的器件參數(shù)如表1所示。

所設(shè)計的濾波器電路如圖2所示，包含OTA、自適應(yīng)偏置和偏置電路三個模塊。利用OTA可以模擬電阻、電感等無源器件；由于OTA輸入晶體管處于線性工作區(qū)，其對電流的需求跟隨輸入變化，因此需要使用自適應(yīng)偏置電路對OTA進(jìn)行偏置，保證OTA的正常工作；偏置電路為OTA和自適應(yīng)偏置電路提供參考電流和參考電壓。

1.1 OTA電路

所設(shè)計的偽差分結(jié)構(gòu)跨導(dǎo)線性可調(diào)的OTA利用regulated?cascode技術(shù)將輸入晶體管的漏極連接至運放的級聯(lián)（cascode）輸出端[2]，使OTA電路中輸入晶體管的漏電壓被鉗位到能讓其工作在線性區(qū)的電壓上。輸出支路采用cascode結(jié)構(gòu)提高OTA的輸出阻抗；可通過調(diào)節(jié)Vtune的電壓即調(diào)節(jié)輸入晶體管的漏端電壓來調(diào)節(jié)OTA的跨導(dǎo)值，實現(xiàn)OTA的跨導(dǎo)線性可調(diào)；自適應(yīng)偏置電路為OTA共模反饋電路提供偏置，并為輸入晶體管提供自適應(yīng)的電流偏置。endprint

由式（2）可知，跨導(dǎo)值與晶體管的漏源電壓成線性關(guān)系，因此可以通過調(diào)節(jié)晶體管的漏源電壓線性地調(diào)節(jié)跨導(dǎo)值。從而采用輸入晶體管工作在線性區(qū)的OTA電路具有的線性可調(diào)的特點。

OTA電路的仿真結(jié)果如圖3所示，仿真結(jié)果驗證了跨導(dǎo)和Vds之間的線性關(guān)系，并且OTA的跨導(dǎo)可通過Vtune進(jìn)行調(diào)節(jié)。OTA電路的跨導(dǎo)和輸入差模信號的關(guān)系如圖4所示，可以看出輸入晶體管工作在線性區(qū)的 OTA電路能夠處理大幅度的輸入信號，提高了輸入動態(tài)范圍。

1.2 自適應(yīng)偏置電路

由式（1）可知，輸入晶體管消耗的電流跟隨輸入信號的變化而變化，需采用如圖5所示的自適應(yīng)偏置電路對電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

自適應(yīng)偏置電路的結(jié)構(gòu)和OTA的單邊電路相同，另外增加了電流鏡像支路。Vcm端口接入OTA電路的共模電壓，所接入晶體管的漏端電壓同樣被鉗位在Vtune端口電壓上，因此該支路所產(chǎn)生的電流即為OTA輸入支路所需的電流。偏置電壓Vbp由該電流鏡像形成。Vbp信號經(jīng)由電流鏡電路通過共模反饋控制OTA電路中輸入支路的電流，實現(xiàn)自適應(yīng)偏置功能。

1.3 偏置電路

偏置電路采用圖6所示的電路結(jié)構(gòu)[3]。偏置電路加入補償電容C1，提高了三支路電流源的穩(wěn)定性。電路共產(chǎn)生5種不同的電壓，供自適應(yīng)偏置電路和OTA電路使用。

1.4 濾波器電路

濾波器電路根據(jù)圖1的RLC模型進(jìn)行綜合，利用OTA可以實現(xiàn)模擬電阻、模擬電感等，將圖1中的對應(yīng)器件進(jìn)行替換，可以完成濾波器的電路綜合，綜合后的電路如圖7所示。

2 結(jié)果與分析

本文使用0.18 μm CMOS混合信號工藝對濾波器進(jìn)行設(shè)計和仿真。在電路采用全差分結(jié)構(gòu)的同時，版圖采用多種匹配技術(shù)，以減少工藝誤差對電路造成的影響。經(jīng)設(shè)計，濾波器的版圖如圖11所示，版圖的核心面積僅為460 μm×440 μm。

濾波器通過Cadence spectre仿真器和HSpice仿真器共同驗證。幅頻響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖12所示，低通濾波器的轉(zhuǎn)角頻率為283 Hz，帶內(nèi)衰減為-6.4 dB；輸出信號的頻譜分析如圖13所示，在峰峰值800 mV輸入情況下獲得51 dB的三次諧波失真，且電路功耗僅為22 μW。濾波器的綜合性能比較如表2所示。

3 結(jié) 論

本文采用輸入管工作在線性區(qū)的OTA，設(shè)計了一種適用于生物電信號讀取電路的五階Gm?C巴特沃斯低通濾波器。濾波器使用0.18 μm CMOS混合信號工藝進(jìn)行設(shè)計仿真。仿真結(jié)果表明在1.8 V電源電壓800 mV輸入情況下，3 dB帶寬為283 Hz，三次諧波失真為-51 dB，帶內(nèi)衰減為-6.4 dB，且功耗僅為22 μW，芯片核心面積僅為0.19 mm2，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的濾波器的線性度、功耗、面積等指標(biāo)較優(yōu)，適合便攜式生物電信號處理系統(tǒng)應(yīng)用的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] WILLAMS A B， TAYLOR F J. Electronic filter design handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2006.

[2] GALAN J， PEDRO M， SANCHEZ?RODRIGUEZ T， et al. A very linear low?pass filter with automatic frequency tuning [J]. IEEE transactions on very large scale integration systems， 2013， 21（1）： 182?187.

[3] 段吉海，郝強宇，徐衛(wèi)林，等.一種適用于心電信號檢測的斬波前置放大器[J].微電子學(xué)，2016（1）：29?33.

DUAN Jihai， HAO Qiangyu， XU Weilin， et al. A chopper stabilized preamplifier for ECG signal acquisition [J]. Microelectronics， 2016（1）： 29?33.

[4] SCHAUMANN R， XIAO H， VAN VALKENBURG M E. Design of analog filters [M]. Oxford： Oxford University Press， 2001.

[5] DE LIMA J A， DUALIBLE C. A linearly tunable low?voltage CMOS transconductor with improved common?mode stability and its application to Gm?C filters [J]. IEEE transactions on circuits & systems II analog & digital signal processing， 2001， 48（7）： 649?660.

[6] DUAN Jihai， LAN Chuang， XU Weilin. An OTA?C filter for ECG acquisition systems with highly linear range and less pass?band attenuation [J]. Journal of semiconductors， 2015， 36（5）： 120?125.

[7] SOLIS?BUSTOS S， SILVA?Mart?nez J， MALOBERTI F. A 60?dB dynamic?range CMOS sixth?order 2.4 Hz low?pass filter for medical application [J]. IEEE transactions on circuits systems II analog & digital signal processing， 2000， 47（12）： 1391?1398.

[8] LASANEN K， KOSTAMOVAARA J. A 1?V analog CMOS front?end for detecting QRS complexes in a cardiac signal [J]. IEEE transactions on circuits & systems I： regular papers， 2005， 52（12）： 2584?2594.

[9] LEE S Y， CHENG C J. Systematic design and modeling of a OTA?C filter for portable ECG detection [J]. IEEE transactions on biomedical circuits & systems， 2009， 3（1）： 53?64.

[10] MAHMOUD S A， BAMAKHRAMAH A， AL?TUNAIJI S A. Low?noise low?pass filter for ECG portable detection systems with digitally programmable range [J]. Circuits systems and signal processing， 2013， 32（5）： 2029?2045.

[11] 周德福，張勇虎，葛銳，等.可變帶寬OTA?C連續(xù)時間低通濾波器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（6）：157?159.

ZHOU Defu， ZHANG Yonghu， GE Rui， et al. Design of variable?bandwidth OTA?C continuous?time low?pass filter [J]. Modern electronics technique， 2011， 34（6）： 157?159.endprint