用于多种生理信号处理的低跨导放大器设计*

（北京信息科技大学，北京100192）

1 引言

目前，用于医疗领域的集成电路受到越来越多的关注和研究[1-2]。其中，可以实时监测生理信号的可穿戴设备更是最具潜力的发展方向之一。生理信号的前端处理电路在一定程度上决定了所获取信号的质量以及最终的监测结果。而将滤波器用于去除目标信号以外的干扰信号，是前端处理电路中的重要一环。

在常见生理信号中，光电容积脉搏波信号的频率为 0.6～16Hz，呼吸的频率为 0.1～10Hz，心电信号的频率约为0.01～250Hz，心音信号的频率为5～2kHz。可见，生理信号频率处于低频范围[3]，对于不同种类的信号，频段宽窄差异很大，而且即使是同一种生理信号，不同测试对象也会有所差别。传统的滤波器若要实现较低的截止频率，需要较大的无源器件（主要是电阻和电容），这在集成电路中实现起来成本较高。目前，已有多种方案试图实现全集成低截止频率，用于生理信号的处理。Gm-C滤波器在中高频的应用已经很成熟，但是对于处理低频的生理信号，虽然已有一些研究成果[4-6]，却缺乏稳定的放大器结构和成熟的设计方法，仍然有待进一步探索。对于Gm-C滤波器，决定其截止频率的关键部分是Gm/C，Gm即为放大器的等效跨导值。也就是说，要实现低截止频率的滤波器，就要设计具有极低跨导值的放大器，并且为了适应不同对象以及不同种类生理信号的监测，还需要实现频率可调、可控。

故此，设计了一种基于分流结构的跨导放大器。其等效跨导值可达10-12S量级，相应的Gm-C滤波器的截止频率可达0.01Hz。利用跨导控制逻辑，将不同MOS管接入电路的输入端，可实现跨导范围的选择；通过调节偏置电流，可以精调等效跨导值，将其用于Gm-C滤波器中，相应的就可以实现滤波器频段选择和截止频率调节，特别适合于生理信号的前端处理。

2 电路结构

2.1 分流结构跨导放大器

本设计采用的分流结构电路如图1所示[7]。在此结构中，小信号电流被M1与MM1分流，比例为两MOS管的宽长比的比值，大比例的电流被导入地，小比例电流体现在输出。由于等效跨导为输出电流与输入电压的比值，因此，等效跨导与分流之前相比就减少到原来的1/(M+1)。虽然由于两MOS管的栅源电压、阈值电压等并不能完全匹配，因此比值会有一定偏移，但偏移仍在可接受的范围内。

图1 分流结构电路图

图2为采用分流结构的跨导放大器[7]。Vin、Vip为输入差分电压信号，通过将输入电压信号连接到MOS管的栅极完成对电流信号的控制；虚线框及其右侧对称部分即为分流结构，最终可以实现ns级的等效跨导值Gm。Ibias为电流源，其内部结构如图3所示[8]，可见电流值由外部电压VC控制，当改变Ibias时，放大器的等效跨导会随之改变，由此即可设计不同截止频率的滤波器。

图2 带有分流结构的跨导放大器电路图

图3 电流源电路内部结构

常见生理信号的频率范围一般认为是接近DC到几kHz，基于同一跨导放大器，为适应这种比较宽的信号范围，以适用于更多生理信号，基于图2的结构，将虚线所框的部分用图4所示的结构替代，并将M2、MM2做与之对称的同样改变。这一设计实现了跨导范围可控的放大器，其中，MMA-MMD（对应于图2的MM1）、MMa-MMd（对应于图2的M1）具有不同的宽长比，通过选择将其中一个或者几个MOS管接入电路的输入端，可以调节导入地的电流和输出电流的比值，从而实现不同的跨导范围。再结合可控偏置电流，又可以实现等效跨导的精细调节。图5为对应的跨导控制逻辑，对MMA-MMD的控制逻辑电路和对MMa-MMd的控制逻辑电路结构相同，VINAVIND、VINa-VINd均为可选输入端，其是/否被使能是由控制信号CA-CD、Ca-Cd来控制的：控制信号为高电平时，电路的信号通过S端接入到相应输入端VINAVIND、VINa-VINd；控制信号为低电平时，相应输入端接VDD，输入MOS管截止，不参与实现电路功能。

图4 实现等效跨导可控的输入端结构图

图5 等效跨导控制逻辑结构图

2.2 基于分流结构的频率可控Gm-C滤波器

由于所设计的放大器具有较低的等效跨导值，因此由它得到的Gm-C滤波器可以达到很低的截止频率，非常适用于低频生理信号的处理。图6为二阶Gm-C滤波器电路结构。通过设置VA、VB、VC为输入信号、偏置电压或零电位，可相应地作为高通、低通、带通或陷波滤波器来使用[9]，其中，跨导控制逻辑（GmControlling Logic）的电路结构如图5所示。当VB接输入信号，VA与VC接地时，该电路结构可以构成带通滤波器。滤波器中的两个放大器的等效跨导不同，分别实现滤波器的高通、低通截止频率。高通截止频率由Gm1决定，即fHP=Gm1/2πC，其中Gm1的具体数值可通过跨导控制逻辑选择；低通截止频率由Gm2决定，即fLP=Gm2/2πC，Gm2的具体数值也通过跨导控制逻辑选择。当VB接地，VA与VC接输入信号时，该电路结构还可构成陷波器，当两个跨导值相等，即Gm1=Gm2=Gm时，陷波效果最好，陷波频率为f=Gm/C。陷波器在心电信号的前端处理中具有重要应用，正常工作状态下可以滤除50Hz的工频干扰信号，从而保证所得信号的质量。

图6 截止频率可控的Gm-C滤波器电路图

3 仿真结果及分析

所设计的跨导放大器中各MOS管选用的尺寸如表1所示。图4中的 MMA、MMB、MMC、MMD被分别设置为 Ma、Mb、Mc、Md的不同倍数。通过控制信号CA、CB、CC、CD、Ca、Cb、Cc、Cd选择将不同的 MOS 管接入电路的输入端，实现不同的跨导范围，配合可控电流源，精确调节跨导值。对于图3的电流源，R取为300kΩ，流过R的电流设置为3μA，各个MOS管的过驱动电压为0.2V，即可得出MC1-MC4的宽长比。

表1 各MOSFET的选用尺寸

基于标准的0.18μm CMOS工艺，在电源电压值为1.8V时，设置跨导放大器的CA=VDD，CB=0，CC=0，CD=0，Ca1=VDD，Cb1=0，Cc1=0，Cd1=0（即 MMA和 Ma接入电路），在正负输入端加±0.5幅度的交流信号，输出端接负载电阻RL，进行交流仿真。由于此时电路的增益为Gm·RL，已知RL，则可以根据仿真得到的增益值计算出放大器的等效跨导值。需要说明的是，仿真得到的放大器等效跨导会受负载的影响，而负载又与应用相关。在本设计中，Gm-C滤波器中的跨导放大器的输出端为MOS管的栅极，此栅极电阻极大，所以仿真时，选取RL=1GΩ。当偏置电流分别为1nA、0.1μA、1μA、2.5μA、5μA 时，所得的仿真曲线如图7所示，求得放大器的等效跨导值变化范围约为 4.8×10-12～3.2×10-8S。

图7 带负载的跨导放大器小信号增益仿真曲线

基于图6所示的电路，将VA与VC接地，VB作为输入信号，即得到带通结构。Gm1的偏置电流调节为 1nA，Gm1的控制信号 CA1=VDD，CB1=0，CC1=0，CD1=0，Ca1=VDD，Cb1=0，Cc1=0，Cd1=0（即 MMA和 Ma接入电路）；Gm2的偏置电流调节为5μA，Gm2的控制信号 CA2=0，CB2=0，CC2=VDD，CD2=0，Ca1=0，Cb1=0，Cc1=0，Cd1=VDD（即MMC和Md接入电路），C=100pF。得到的带通滤波器的幅频特性曲线如图8所示，其中高通及低通截止频率分别为0.01Hz和4.2kHz。

图8 Gm-C带通滤波器幅频特性

当保持Gm2的偏置电流为5μA不变，Gm1的偏置电流分别为 1nA、0.1μA、1μA、2.5μA、5μA 时，截止频率分别为 0.01Hz、1.2Hz、5.8Hz、24.9Hz、89.4Hz，相应的幅频特性曲线如图9所示。由图9的结果可知，当 Gm1偏置电流分别为 1nA、0.1μA、1μA、2.5μA、5μA 时，放大器 Gm1的等效跨导 Gm1=2πCfLP，范围为 6.3×10-12～5.3×10-8S，与图7所示的等效跨导的仿真结果数量级一致，但略有偏差，这主要是因为跨导仿真时与滤波器中跨导放大器的负载情况不完全一致。

图9 不同Gm1偏置电流下Gm-C带通滤波器幅频特性

同样，设置Gm1的偏置电流不变，改变Gm2的偏置电流，可达到调节低通截止频率的目的。相应的幅频特性曲线如图10所示。

图10 不同Gm2偏置电流下Gm-C带通滤波器幅频特性

此滤波器适合用于生理信号的前端处理，通过跨导控制逻辑 （设置 CA、CB、CC、CD、Ca、Cb、Cc、Cd的值）可在较宽的范围选择频段；通过改变Gm1、Gm2的偏置电流，还可精细调节高通、低通截止频率，从而使滤波器适应不同类型（不同频率范围）的生理信号。

若将图6中的电路VB接地，VA与VC接输入信号，则得到陷波结构。两个跨导放大器的偏置电流设置为3.4μA，控制信号为CA1=CA2=VDD，CB1=CB2=0，CC1=CC2=0，CD1=CD2=0，Ca1=Ca2=VDD，Cb1=Cb2=0，Cc1=Cc2=0，Cd1=Cd2=0，即两个跨导放大器都将MMA、Ma接入电路，此时得到50Hz陷波器。其幅频特性曲线如图11所示。陷波器对于处理心电等生物电信号时滤除50Hz的工频干扰具有十分重要的作用。

图11 Gm-C陷波器幅频特性

4 结束语

本设计实现了一种具有极低跨导值的放大器，采用分流结构，等效跨导可以达到10-12S，相应截止频率可达0.01Hz。基于此放大器设计的Gm-C滤波器，通过选择将不同的MOS管接入电路，可灵活选择不同的等效跨导范围；再通过调节其偏置电流，可以对等效跨导进行精调，以此得到处于低频段、可控、可调的截止频率，特别适合生理信号前端处理，其中的陷波器特别适用于去除50Hz工频干扰。所设计的跨导放大器及Gm-C滤波器为低频生理信号前端处理电路的集成化提供了可行方案和有价值的参考，在未来有望被用在面向生理信号监测的可穿戴式医疗仪器中，具有很好的应用前景。