段吉海，郝強(qiáng)宇，徐衛(wèi)林，韋保林

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004)

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一種適用于心電信號(hào)檢測(cè)的高階連續(xù)時(shí)間OTA-C濾波器設(shè)計(jì)*

段吉海，郝強(qiáng)宇，徐衛(wèi)林*，韋保林

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004)

摘要:提出一種適合心電信號(hào)(ECG)檢測(cè)的OTA-C濾波器。為了達(dá)到低功耗、低截止頻率、高直流增益、高阻帶衰減、低諧波失真的目的，濾波器采用五階巴特沃斯全差分低通濾波結(jié)構(gòu)和高增益的兩級(jí)單端輸出OTA，其中OTA電路采用亞閾值區(qū)驅(qū)動(dòng)、電流分流和源極負(fù)反饋等技術(shù)。采用SMIC 0.18-μm 1P6M CMOS工藝進(jìn)行電路、版圖設(shè)計(jì)及優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，濾波器在靜態(tài)功耗為17.6 μW，截止頻率為240 Hz，直流增益為－6 dB，阻帶衰減大于72 dB每五倍頻，三次諧波失真小于－62 dB在400 mV時(shí)，適合應(yīng)用于心電信號(hào)檢測(cè)模擬前端。

關(guān)鍵詞:低通濾波器;心電信號(hào)檢測(cè); OTA-C;亞閾值區(qū);源極負(fù)反饋

隨著生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展和心臟疾病的發(fā)病率不斷上升，心電信號(hào)檢測(cè)變的尤為重要。心電信號(hào)具有幅度低、頻率低、信噪比低的特點(diǎn)。信號(hào)幅度在0.5 mV 到4 mV之間，經(jīng)過(guò)前置運(yùn)放放大后約為50 mV～400 mV，頻率在0.1 Hz到250 Hz之間［1］?；镜男碾娦盘?hào)檢測(cè)模擬前端主要包括前置運(yùn)放、低通濾波器、PGA、ADC［2］。本文主要研究其中的低通濾波器。

低通濾波器作為心電信號(hào)檢測(cè)模擬前端的重要部分，可以有效地濾除有用心電信號(hào)以外的噪聲。一些文獻(xiàn)采用斬波技術(shù)［3］或嵌套斬波技術(shù)［4］來(lái)設(shè)計(jì)前置放大器以將低頻1/f噪聲調(diào)制到高頻，然后通過(guò)低通濾波器消除這些高頻噪聲。這就要求設(shè)計(jì)的濾波器具有低截止頻率、高阻帶衰減、低諧波失真等特點(diǎn);同時(shí)，從現(xiàn)代心電監(jiān)測(cè)設(shè)備的無(wú)線便攜需求考慮，電路還需兼顧低功耗與較小的芯片面積。

在多種濾波器結(jié)構(gòu)中，開(kāi)關(guān)電容濾波器雖然適合工作在低頻，但是其電容面積過(guò)大，開(kāi)關(guān)消耗額外的功耗，并且時(shí)鐘饋通效應(yīng)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍減小; MOSFET-C連續(xù)時(shí)間濾波器的MOS電阻存在著嚴(yán)重的非線性效應(yīng);而OTA-C連續(xù)時(shí)間濾波器集成度最高、電容很小、適用性也較強(qiáng)，成為近年來(lái)心電信號(hào)檢測(cè)模擬前端設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)。

在低跨導(dǎo)值OTA-C濾波器設(shè)計(jì)中，有電流分流、浮柵級(jí)、襯底驅(qū)動(dòng)等多種技術(shù)，相應(yīng)的性能也被深入研究［5］。文獻(xiàn)［6］中提出一種采用電流分流和電流抵消技術(shù)的低通濾波器，濾波器工作在亞閾值區(qū)，具有低功耗、低噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，適用于生物醫(yī)學(xué)，但是由于是單端結(jié)構(gòu)，二次諧波失真較大;文獻(xiàn)［7－10］提出的全差分結(jié)構(gòu)消除了二次諧波失真，并針對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了完整的心電信號(hào)檢測(cè)模擬前端，取得了較好的測(cè)試結(jié)果;文獻(xiàn)［11］中提出了一種差分輸入單端輸出OTA，并將其轉(zhuǎn)化為全差分濾波器，無(wú)需共模反饋電路，并使用了電容倍乘電路達(dá)到了較寬的跨導(dǎo)調(diào)節(jié)范圍。但是，后兩種電路都采用了電流抵消技術(shù)，其中的局部正反饋結(jié)構(gòu)會(huì)使電路對(duì)MOS管的失配十分敏感［12］。

本文在上述要求和研究的基礎(chǔ)上，提出一種適合心電信號(hào)(ECG)檢測(cè)的低功耗、低截止頻率、高直流增益、高阻帶衰減、低諧波失真的OTA-C濾波器。該濾波器采用新的兩級(jí)OTA、單端輸出和源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，以使電路在無(wú)需采用電流抵消技術(shù)的情況下，也能得到更低的恒定跨導(dǎo)值、更寬的線性范圍、更低的通帶衰減和諧波失真。

1　濾波器結(jié)構(gòu)

為了獲得更好的通帶平坦度，以及適應(yīng)斬波前置運(yùn)放的高阻帶衰減需求，本文采用五階巴特沃斯濾波器，截止頻率選擇為250 Hz左右。濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其等效RLC模型如圖2所示。利用本文的低等效跨導(dǎo)值OTA結(jié)構(gòu)和差分結(jié)構(gòu)的雙倍等效電容效應(yīng)，無(wú)需電容倍乘電路，即可滿足設(shè)計(jì)要求的，甚至更低的截止頻率。

圖1　五階全差分巴特沃斯低通濾波器結(jié)構(gòu)

圖2　等效RLC無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)

2　OTA設(shè)計(jì)

一般的低跨導(dǎo)值OTA如圖3所示［8］。這種OTA工作在亞閾值區(qū)，采用電流分流、電流抵消技術(shù)，達(dá)到低跨導(dǎo)值的設(shè)計(jì)要求，跨導(dǎo)為:

式中:M、N分別為MM、MN管的并聯(lián)數(shù)量，gMR代表MR管的小信號(hào)漏源跨導(dǎo)，其值為:

式中:vSG、vSD分別為MR管的柵源電壓和漏源電壓。

圖3　一般低跨導(dǎo)值OTA結(jié)構(gòu)

而系統(tǒng)的三次諧波失真為［8］:

式中:φF為費(fèi)米勢(shì)，γ代表一個(gè)帶單位的負(fù)數(shù)。由式(3)可以看出，vSG減小時(shí)，跨導(dǎo)減小，諧波失真增加;增大時(shí)，跨導(dǎo)增加，諧波失真減小;二者相互制約。同時(shí)，由于OTA為單級(jí)結(jié)構(gòu)，輸出阻抗較低，最終獲得的濾波器直流增益較低。

在此基礎(chǔ)上，本文提出的OTA結(jié)構(gòu)如圖4所示。OTA工作在亞閾值區(qū)，第1級(jí)采用全差分結(jié)構(gòu)，通過(guò)不同并聯(lián)數(shù)的MM、MN將電流分流，源極負(fù)反饋采用兩個(gè)截止區(qū)PMOS串聯(lián)，得到了更小的跨導(dǎo)值和更寬的線性范圍;第2級(jí)采用Cascode結(jié)構(gòu)的共源極電路和電流鏡將差分輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出，增加輸出阻抗，得到了更小的通帶衰減，即更高的直流增益。

圖4　本文提出的低跨導(dǎo)值OTA結(jié)構(gòu)

為了更好的說(shuō)明本文OTA與上述其他OTA的區(qū)別，下面將進(jìn)行理論分析。由于多種非理想效應(yīng)，P溝道電流公式可表示為［13］:

式中:

將式(4)中vSD的3/2次方項(xiàng)用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)后，可得到:

本文中作為源極負(fù)反饋的PMOS管工作在截止區(qū)，VSG約等于0，因此一次項(xiàng)系數(shù)a0≈－Vth，與上述其他OTA相比具有更好的線性度與線性范圍。另外，系統(tǒng)的三次諧波失真可表示為:

由式(6)可以看出，三次諧波失真不再受vSG的制約，又由于PMOS工作在截止區(qū)，具有很小的跨導(dǎo)，因此本文可通過(guò)優(yōu)化得到一個(gè)低等效跨導(dǎo)值低諧波失真的OTA電路。

3　結(jié)果與分析

本電路在SMIC 0.18-μm 1P6M CMOS工藝下設(shè)計(jì)、優(yōu)化與仿真，版圖如圖5所示，芯片面積(不包含ESD與Pad)約為0.15 mm2。電源電壓為1.8 V，總功耗為17.6 μW。

圖5　濾波器的版圖

圖6顯示了在近似的條件下，一般OTA與本文提出的OTA的跨導(dǎo)與電流曲線圖。從圖6(a)可以看出，一般OTA線性范圍在300 mV左右，沒(méi)有達(dá)到心電信號(hào)400 mV的幅度要求，而在圖6(b)中，本文提出的OTA具有更寬的跨導(dǎo)線性范圍(－1 V～+1 V)，滿足了400 mV的幅度要求，且線性度也更好。圖7顯示了在不同M:N下，OTA跨導(dǎo)值的變化情況，其中M、N分別為圖4中MM、MN管的并聯(lián)數(shù)。圖中跨導(dǎo)值有較寬的變化范圍，為0.2 nA/V～13.0 nA/V，而且能保持良好的線性度，說(shuō)明本濾波器根據(jù)用途需要可改進(jìn)為截止頻率可調(diào)型濾波器。

圖6　OTA的跨導(dǎo)與輸出電流曲線

圖7　不同M:N時(shí)OTA跨導(dǎo)的變化

圖8顯示了濾波器的頻率特性。從圖中看到，截止頻率為240 Hz，直流增益為－6 dB，在1 kHz時(shí)有72.4 dB衰減。

圖8　濾波器的頻率特性

圖9顯示了在900 mV共模電壓下，分別輸入100 Hz頻率、100 mV幅值信號(hào)和100 Hz頻率、400 mV幅值信號(hào)時(shí)，濾波器的諧波失真。可以看出雖然OTA為單端輸出結(jié)構(gòu)，但濾波器仍然有很小的二次諧波失真;同時(shí)，圖9(a)表明在輸入信號(hào)為100 mV時(shí)，三次諧波失真僅為－77 dB，在圖9(b)中，有很大的輸入信號(hào)幅度(400 mV)的情況下，三次諧波失真仍然較小，為－62 dB。

圖9　濾波器的諧波失真

表1列出了本文設(shè)計(jì)的OTA-C濾波器的性能參數(shù)與其他參考文獻(xiàn)研究結(jié)果的對(duì)比?？梢钥闯觯疚脑O(shè)計(jì)的濾波器在較小的芯片面積下，有著較高的直流增益、阻帶衰減和較低的諧波失真，綜合指標(biāo)也與相關(guān)文獻(xiàn)有較好的可比性。

表1　本文提出的濾波器與參考文獻(xiàn)中濾波器的對(duì)比

4　結(jié)論

本文提出的高階連續(xù)時(shí)間OTA-C濾波器采用了單端輸出兩級(jí)OTA結(jié)構(gòu)和新的源極負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。電路在SMIC 0.18-μm 1P6M CMOS工藝下設(shè)計(jì)，芯片面積僅為0.15 mm2。運(yùn)放工作在1.8 V電源電壓下，功耗為17.6 μW，截止頻率為240 Hz，直流增益為－6 dB，阻帶衰減大于72 dB每五倍頻，三次諧波失真小于－62 dB@400 mV，具有低功耗、低截止頻率、高直流增益、高阻帶衰減、低諧波失真的特點(diǎn)，滿足心電信號(hào)檢測(cè)和前置斬波運(yùn)放的要求。

該濾波器的設(shè)計(jì)只針對(duì)于特定頻率的心電信號(hào)檢測(cè)，因此截止頻率固定為240 Hz，在后續(xù)的研究中可根據(jù)需要將此類濾波器改進(jìn)為截止頻率可調(diào)的濾波器。

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段吉海(1964－)，男，漢族，廣西桂林人，博士，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院教授，研究生導(dǎo)師，主要從事射頻集成電路研究，djh@guet.edu.cn;

徐衛(wèi)林(1976－)，男，漢族，湖南邵陽(yáng)人，博士，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院副教授，研究生導(dǎo)師，主要從事集成電路研究，xwl@guet.edu.cn。

郝強(qiáng)宇(1989－)，男，漢族，河南南陽(yáng)人，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院碩士生，主要從事集成電路研究，113263709@qq.com;

Realizationof SOI Fully Intergrated HighlyLinearity Gm－C Filter for Temperature Compensation

SUN Shulong，LIN Min
(The Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of ChineseAcademy of Sciences，Shanghai 200050，China)

Abstract:A fully differential Operational Amplifier is proposed，which is adopted the voltage feedback technology to stablize the common mode output voltage，the Vthcan be adjusted according to the substrate bias on the input differential pairs，resulting in the change of the Gm of the amplifier as well as the cut-off frequency of the filter，which can be untilized to compensate the frequency offset caused by the temperature fly.The 3th order Chebyshev low pass filter is complemented on the 0.13 μm SOI GSMC technics，source voltage is 1.2 V and consists of 6 layermetals.The filter can achieve 0 dB voltage gain in the pass-band，8 MHz cut-off frequency－1 dB gain and 35 dB attenuation at 38 MHz，the ripple within band achieves 0.5 dB，when 1 MHz，400 mV Vpp sine signal applied into the circuit，the THD can reach－57 dB，and consumes 7 mW power from the source，In special application，it takes remarkable advantage.

Key words:Gm－C filter; threshold voltage offset; substrate bias; temperature compensation

doi:EEACC:1270; 7320R10.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.013

收稿日期:2014－10－10修改日期:2014－11－01

中圖分類號(hào):TN713

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0774－05

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61161003，61264001，61166004);廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFAA019333)