一种适用于生物电信号处理的全集成五阶Gm?C低通滤波器

李春龙+徐卫林+韦保林+乔帅领+段吉海+韦雪明

摘 要： 传统的Gm?C滤波器OTA输入晶体管大多工作在饱和区，存在输入动态范围较小和跨导值较大等不足，难以满足生物医学电信号处理滤波器所要求的超低截止频率、低功耗与大输入动态范围等要求，采用将输入晶体管钳位到线性工作区的方法，设计了跨导线性可调的OTA以提高滤波器能够处理的信号幅度。并应用该OTA综合了一种五阶Gm?C超低频低通滤波器。仿真结果表明，该滤波器在1.8 V电源，800 mVpp输入条件下实现了283 Hz的超低低通角频率，-6.4 dB的带内增益，51 dB的三次谐波失真，功耗仅为22 μW，适用于可穿戴式生物医学电信号读取电路。

关键词： 跨导?电容低通滤波器； 运算跨导放大器； 线性可调； 生物医学信号； 输入动态范围； 低功耗

中图分类号： TN713+.4?34； TN43?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着人们生活水平的不断提高，人们对自身的健康状况的关注愈加密切，这给可穿戴医学监控设备带来了广阔的发展空间。生物电信号采集电路的典型构架是前端采用斩波运放对生物电信号进行采集和放大；然后使用低通滤波器滤除斩波运放输出信号中的噪声，实现信号整形；然后通过可变增益放大器对信号进行进一步放大，最后通过模/数转换器对信号进行量化。滤波器在斩波运放之后，要求具有较大的输入动态范围。

通常的生物电信号如心电信号等，其带宽仅有几十到几百赫兹，若采用有源RC滤波器、MOSFET?C滤波器进行处理，需要较大的芯片面积；采用开关电容滤波器则不仅电路较为复杂，并且对时钟及其相位精度有较高要求，全片内集成较为困难。Gm?C滤波器则可以在有限的芯片面积下实现超低带宽滤波器的片上全集成。

超低跨导值的跨导运放是Gm?C滤波器设计当中的难点，目前较多地采用电流分流、源级负反馈、电流对消等解决方案[1?4]。这些方案中OTA输入晶体管大多工作在饱和区，仅能处理小于输入晶体管过驱电压的信号，因此其输入动态范围较小。而本文设计的OTA电路输入晶体管工作在线性区，相应地提高了滤波器处理大幅度输入信号的能力。

1 电路设计

有源滤波器可以采用传统的无源RLC滤波器进行分析与电路综合[1]。首先建立归一化的无源梯形滤波器模型；其次根据需要综合的滤波器频率，确定无源器件的参数。无源梯形滤波器模型如图1所示，最终得到的滤波器的器件参数如表1所示。

所设计的滤波器电路如图2所示，包含OTA、自适应偏置和偏置电路三个模块。利用OTA可以模拟电阻、电感等无源器件；由于OTA输入晶体管处于线性工作区，其对电流的需求跟随输入变化，因此需要使用自适应偏置电路对OTA进行偏置，保证OTA的正常工作；偏置电路为OTA和自适应偏置电路提供参考电流和参考电压。

1.1 OTA电路

所设计的伪差分结构跨导线性可调的OTA利用regulated?cascode技术将输入晶体管的漏极连接至运放的级联（cascode）输出端[2]，使OTA电路中输入晶体管的漏电压被钳位到能让其工作在线性区的电压上。输出支路采用cascode结构提高OTA的输出阻抗；可通过调节Vtune的电压即调节输入晶体管的漏端电压来调节OTA的跨导值，实现OTA的跨导线性可调；自适应偏置电路为OTA共模反馈电路提供偏置，并为输入晶体管提供自适应的电流偏置。endprint

由式（2）可知，跨导值与晶体管的漏源电压成线性关系，因此可以通过调节晶体管的漏源电压线性地调节跨导值。从而采用输入晶体管工作在线性区的OTA电路具有的线性可调的特点。

OTA电路的仿真结果如图3所示，仿真结果验证了跨导和Vds之间的线性关系，并且OTA的跨导可通过Vtune进行调节。OTA电路的跨导和输入差模信号的关系如图4所示，可以看出输入晶体管工作在线性区的 OTA电路能够处理大幅度的输入信号，提高了输入动态范围。

1.2 自适应偏置电路

由式（1）可知，输入晶体管消耗的电流跟随输入信号的变化而变化，需采用如图5所示的自适应偏置电路对电流进行调节。

自适应偏置电路的结构和OTA的单边电路相同，另外增加了电流镜像支路。Vcm端口接入OTA电路的共模电压，所接入晶体管的漏端电压同样被钳位在Vtune端口电压上，因此该支路所产生的电流即为OTA输入支路所需的电流。偏置电压Vbp由该电流镜像形成。Vbp信号经由电流镜电路通过共模反馈控制OTA电路中输入支路的电流，实现自适应偏置功能。

1.3 偏置电路

偏置电路采用图6所示的电路结构[3]。偏置电路加入补偿电容C1，提高了三支路电流源的稳定性。电路共产生5种不同的电压，供自适应偏置电路和OTA电路使用。

1.4 滤波器电路

滤波器电路根据图1的RLC模型进行综合，利用OTA可以实现模拟电阻、模拟电感等，将图1中的对应器件进行替换，可以完成滤波器的电路综合，综合后的电路如图7所示。

2 结果与分析

本文使用0.18 μm CMOS混合信号工艺对滤波器进行设计和仿真。在电路采用全差分结构的同时，版图采用多种匹配技术，以减少工艺误差对电路造成的影响。经设计，滤波器的版图如图11所示，版图的核心面积仅为460 μm×440 μm。

滤波器通过Cadence spectre仿真器和HSpice仿真器共同验证。幅频响应的仿真结果如图12所示，低通滤波器的转角频率为283 Hz，带内衰减为-6.4 dB；输出信号的频谱分析如图13所示，在峰峰值800 mV输入情况下获得51 dB的三次谐波失真，且电路功耗仅为22 μW。滤波器的综合性能比较如表2所示。

3 结 论

本文采用输入管工作在线性区的OTA，设计了一种适用于生物电信号读取电路的五阶Gm?C巴特沃斯低通滤波器。滤波器使用0.18 μm CMOS混合信号工艺进行设计仿真。仿真结果表明在1.8 V电源电压800 mV输入情况下，3 dB带宽为283 Hz，三次谐波失真为-51 dB，带内衰减为-6.4 dB，且功耗仅为22 μW，芯片核心面积仅为0.19 mm2，仿真结果表明，所设计的滤波器的线性度、功耗、面积等指标较优，适合便携式生物电信号处理系统应用的要求。

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