用于多種生理信號(hào)處理的低跨導(dǎo)放大器設(shè)計(jì)*

（北京信息科技大學(xué)，北京100192）

1 引言

目前，用于醫(yī)療領(lǐng)域的集成電路受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究[1-2]。其中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生理信號(hào)的可穿戴設(shè)備更是最具潛力的發(fā)展方向之一。生理信號(hào)的前端處理電路在一定程度上決定了所獲取信號(hào)的質(zhì)量以及最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果。而將濾波器用于去除目標(biāo)信號(hào)以外的干擾信號(hào)，是前端處理電路中的重要一環(huán)。

在常見(jiàn)生理信號(hào)中，光電容積脈搏波信號(hào)的頻率為 0.6～16Hz，呼吸的頻率為 0.1～10Hz，心電信號(hào)的頻率約為0.01～250Hz，心音信號(hào)的頻率為5～2kHz?？梢?jiàn)，生理信號(hào)頻率處于低頻范圍[3]，對(duì)于不同種類(lèi)的信號(hào)，頻段寬窄差異很大，而且即使是同一種生理信號(hào)，不同測(cè)試對(duì)象也會(huì)有所差別。傳統(tǒng)的濾波器若要實(shí)現(xiàn)較低的截止頻率，需要較大的無(wú)源器件（主要是電阻和電容），這在集成電路中實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本較高。目前，已有多種方案試圖實(shí)現(xiàn)全集成低截止頻率，用于生理信號(hào)的處理。Gm-C濾波器在中高頻的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，但是對(duì)于處理低頻的生理信號(hào)，雖然已有一些研究成果[4-6]，卻缺乏穩(wěn)定的放大器結(jié)構(gòu)和成熟的設(shè)計(jì)方法，仍然有待進(jìn)一步探索。對(duì)于Gm-C濾波器，決定其截止頻率的關(guān)鍵部分是Gm/C，Gm即為放大器的等效跨導(dǎo)值。也就是說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)低截止頻率的濾波器，就要設(shè)計(jì)具有極低跨導(dǎo)值的放大器，并且為了適應(yīng)不同對(duì)象以及不同種類(lèi)生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)，還需要實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)、可控。

故此，設(shè)計(jì)了一種基于分流結(jié)構(gòu)的跨導(dǎo)放大器。其等效跨導(dǎo)值可達(dá)10-12S量級(jí)，相應(yīng)的Gm-C濾波器的截止頻率可達(dá)0.01Hz。利用跨導(dǎo)控制邏輯，將不同MOS管接入電路的輸入端，可實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)范圍的選擇；通過(guò)調(diào)節(jié)偏置電流，可以精調(diào)等效跨導(dǎo)值，將其用于Gm-C濾波器中，相應(yīng)的就可以實(shí)現(xiàn)濾波器頻段選擇和截止頻率調(diào)節(jié)，特別適合于生理信號(hào)的前端處理。

2 電路結(jié)構(gòu)

2.1 分流結(jié)構(gòu)跨導(dǎo)放大器

本設(shè)計(jì)采用的分流結(jié)構(gòu)電路如圖1所示[7]。在此結(jié)構(gòu)中，小信號(hào)電流被M1與MM1分流，比例為兩MOS管的寬長(zhǎng)比的比值，大比例的電流被導(dǎo)入地，小比例電流體現(xiàn)在輸出。由于等效跨導(dǎo)為輸出電流與輸入電壓的比值，因此，等效跨導(dǎo)與分流之前相比就減少到原來(lái)的1/(M+1)。雖然由于兩MOS管的柵源電壓、閾值電壓等并不能完全匹配，因此比值會(huì)有一定偏移，但偏移仍在可接受的范圍內(nèi)。

圖1 分流結(jié)構(gòu)電路圖

圖2為采用分流結(jié)構(gòu)的跨導(dǎo)放大器[7]。Vin、Vip為輸入差分電壓信號(hào)，通過(guò)將輸入電壓信號(hào)連接到MOS管的柵極完成對(duì)電流信號(hào)的控制；虛線框及其右側(cè)對(duì)稱(chēng)部分即為分流結(jié)構(gòu)，最終可以實(shí)現(xiàn)ns級(jí)的等效跨導(dǎo)值Gm。Ibias為電流源，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示[8]，可見(jiàn)電流值由外部電壓VC控制，當(dāng)改變Ibias時(shí)，放大器的等效跨導(dǎo)會(huì)隨之改變，由此即可設(shè)計(jì)不同截止頻率的濾波器。

圖2 帶有分流結(jié)構(gòu)的跨導(dǎo)放大器電路圖

圖3 電流源電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)生理信號(hào)的頻率范圍一般認(rèn)為是接近DC到幾kHz，基于同一跨導(dǎo)放大器，為適應(yīng)這種比較寬的信號(hào)范圍，以適用于更多生理信號(hào)，基于圖2的結(jié)構(gòu)，將虛線所框的部分用圖4所示的結(jié)構(gòu)替代，并將M2、MM2做與之對(duì)稱(chēng)的同樣改變。這一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了跨導(dǎo)范圍可控的放大器，其中，MMA-MMD（對(duì)應(yīng)于圖2的MM1）、MMa-MMd（對(duì)應(yīng)于圖2的M1）具有不同的寬長(zhǎng)比，通過(guò)選擇將其中一個(gè)或者幾個(gè)MOS管接入電路的輸入端，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)入地的電流和輸出電流的比值，從而實(shí)現(xiàn)不同的跨導(dǎo)范圍。再結(jié)合可控偏置電流，又可以實(shí)現(xiàn)等效跨導(dǎo)的精細(xì)調(diào)節(jié)。圖5為對(duì)應(yīng)的跨導(dǎo)控制邏輯，對(duì)MMA-MMD的控制邏輯電路和對(duì)MMa-MMd的控制邏輯電路結(jié)構(gòu)相同，VINAVIND、VINa-VINd均為可選輸入端，其是/否被使能是由控制信號(hào)CA-CD、Ca-Cd來(lái)控制的：控制信號(hào)為高電平時(shí)，電路的信號(hào)通過(guò)S端接入到相應(yīng)輸入端VINAVIND、VINa-VINd；控制信號(hào)為低電平時(shí)，相應(yīng)輸入端接VDD，輸入MOS管截止，不參與實(shí)現(xiàn)電路功能。

圖4 實(shí)現(xiàn)等效跨導(dǎo)可控的輸入端結(jié)構(gòu)圖

圖5 等效跨導(dǎo)控制邏輯結(jié)構(gòu)圖

2.2 基于分流結(jié)構(gòu)的頻率可控Gm-C濾波器

由于所設(shè)計(jì)的放大器具有較低的等效跨導(dǎo)值，因此由它得到的Gm-C濾波器可以達(dá)到很低的截止頻率，非常適用于低頻生理信號(hào)的處理。圖6為二階Gm-C濾波器電路結(jié)構(gòu)。通過(guò)設(shè)置VA、VB、VC為輸入信號(hào)、偏置電壓或零電位，可相應(yīng)地作為高通、低通、帶通或陷波濾波器來(lái)使用[9]，其中，跨導(dǎo)控制邏輯（GmControlling Logic）的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)VB接輸入信號(hào)，VA與VC接地時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成帶通濾波器。濾波器中的兩個(gè)放大器的等效跨導(dǎo)不同，分別實(shí)現(xiàn)濾波器的高通、低通截止頻率。高通截止頻率由Gm1決定，即fHP=Gm1/2πC，其中Gm1的具體數(shù)值可通過(guò)跨導(dǎo)控制邏輯選擇；低通截止頻率由Gm2決定，即fLP=Gm2/2πC，Gm2的具體數(shù)值也通過(guò)跨導(dǎo)控制邏輯選擇。當(dāng)VB接地，VA與VC接輸入信號(hào)時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)還可構(gòu)成陷波器，當(dāng)兩個(gè)跨導(dǎo)值相等，即Gm1=Gm2=Gm時(shí)，陷波效果最好，陷波頻率為f=Gm/C。陷波器在心電信號(hào)的前端處理中具有重要應(yīng)用，正常工作狀態(tài)下可以濾除50Hz的工頻干擾信號(hào)，從而保證所得信號(hào)的質(zhì)量。

圖6 截止頻率可控的Gm-C濾波器電路圖

3 仿真結(jié)果及分析

所設(shè)計(jì)的跨導(dǎo)放大器中各MOS管選用的尺寸如表1所示。圖4中的 MMA、MMB、MMC、MMD被分別設(shè)置為 Ma、Mb、Mc、Md的不同倍數(shù)。通過(guò)控制信號(hào)CA、CB、CC、CD、Ca、Cb、Cc、Cd選擇將不同的 MOS 管接入電路的輸入端，實(shí)現(xiàn)不同的跨導(dǎo)范圍，配合可控電流源，精確調(diào)節(jié)跨導(dǎo)值。對(duì)于圖3的電流源，R取為300kΩ，流過(guò)R的電流設(shè)置為3μA，各個(gè)MOS管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為0.2V，即可得出MC1-MC4的寬長(zhǎng)比。

表1 各MOSFET的選用尺寸

基于標(biāo)準(zhǔn)的0.18μm CMOS工藝，在電源電壓值為1.8V時(shí)，設(shè)置跨導(dǎo)放大器的CA=VDD，CB=0，CC=0，CD=0，Ca1=VDD，Cb1=0，Cc1=0，Cd1=0（即 MMA和 Ma接入電路），在正負(fù)輸入端加±0.5幅度的交流信號(hào)，輸出端接負(fù)載電阻RL，進(jìn)行交流仿真。由于此時(shí)電路的增益為Gm·RL，已知RL，則可以根據(jù)仿真得到的增益值計(jì)算出放大器的等效跨導(dǎo)值。需要說(shuō)明的是，仿真得到的放大器等效跨導(dǎo)會(huì)受負(fù)載的影響，而負(fù)載又與應(yīng)用相關(guān)。在本設(shè)計(jì)中，Gm-C濾波器中的跨導(dǎo)放大器的輸出端為MOS管的柵極，此柵極電阻極大，所以仿真時(shí)，選取RL=1GΩ。當(dāng)偏置電流分別為1nA、0.1μA、1μA、2.5μA、5μA 時(shí)，所得的仿真曲線如圖7所示，求得放大器的等效跨導(dǎo)值變化范圍約為 4.8×10-12～3.2×10-8S。

圖7 帶負(fù)載的跨導(dǎo)放大器小信號(hào)增益仿真曲線

基于圖6所示的電路，將VA與VC接地，VB作為輸入信號(hào)，即得到帶通結(jié)構(gòu)。Gm1的偏置電流調(diào)節(jié)為 1nA，Gm1的控制信號(hào) CA1=VDD，CB1=0，CC1=0，CD1=0，Ca1=VDD，Cb1=0，Cc1=0，Cd1=0（即 MMA和 Ma接入電路）；Gm2的偏置電流調(diào)節(jié)為5μA，Gm2的控制信號(hào) CA2=0，CB2=0，CC2=VDD，CD2=0，Ca1=0，Cb1=0，Cc1=0，Cd1=VDD（即MMC和Md接入電路），C=100pF。得到的帶通濾波器的幅頻特性曲線如圖8所示，其中高通及低通截止頻率分別為0.01Hz和4.2kHz。

圖8 Gm-C帶通濾波器幅頻特性

當(dāng)保持Gm2的偏置電流為5μA不變，Gm1的偏置電流分別為 1nA、0.1μA、1μA、2.5μA、5μA 時(shí)，截止頻率分別為 0.01Hz、1.2Hz、5.8Hz、24.9Hz、89.4Hz，相應(yīng)的幅頻特性曲線如圖9所示。由圖9的結(jié)果可知，當(dāng) Gm1偏置電流分別為 1nA、0.1μA、1μA、2.5μA、5μA 時(shí)，放大器 Gm1的等效跨導(dǎo) Gm1=2πCfLP，范圍為 6.3×10-12～5.3×10-8S，與圖7所示的等效跨導(dǎo)的仿真結(jié)果數(shù)量級(jí)一致，但略有偏差，這主要是因?yàn)榭鐚?dǎo)仿真時(shí)與濾波器中跨導(dǎo)放大器的負(fù)載情況不完全一致。

圖9 不同Gm1偏置電流下Gm-C帶通濾波器幅頻特性

同樣，設(shè)置Gm1的偏置電流不變，改變Gm2的偏置電流，可達(dá)到調(diào)節(jié)低通截止頻率的目的。相應(yīng)的幅頻特性曲線如圖10所示。

圖10 不同Gm2偏置電流下Gm-C帶通濾波器幅頻特性

此濾波器適合用于生理信號(hào)的前端處理，通過(guò)跨導(dǎo)控制邏輯 （設(shè)置 CA、CB、CC、CD、Ca、Cb、Cc、Cd的值）可在較寬的范圍選擇頻段；通過(guò)改變Gm1、Gm2的偏置電流，還可精細(xì)調(diào)節(jié)高通、低通截止頻率，從而使濾波器適應(yīng)不同類(lèi)型（不同頻率范圍）的生理信號(hào)。

若將圖6中的電路VB接地，VA與VC接輸入信號(hào)，則得到陷波結(jié)構(gòu)。兩個(gè)跨導(dǎo)放大器的偏置電流設(shè)置為3.4μA，控制信號(hào)為CA1=CA2=VDD，CB1=CB2=0，CC1=CC2=0，CD1=CD2=0，Ca1=Ca2=VDD，Cb1=Cb2=0，Cc1=Cc2=0，Cd1=Cd2=0，即兩個(gè)跨導(dǎo)放大器都將MMA、Ma接入電路，此時(shí)得到50Hz陷波器。其幅頻特性曲線如圖11所示。陷波器對(duì)于處理心電等生物電信號(hào)時(shí)濾除50Hz的工頻干擾具有十分重要的作用。

圖11 Gm-C陷波器幅頻特性

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種具有極低跨導(dǎo)值的放大器，采用分流結(jié)構(gòu)，等效跨導(dǎo)可以達(dá)到10-12S，相應(yīng)截止頻率可達(dá)0.01Hz。基于此放大器設(shè)計(jì)的Gm-C濾波器，通過(guò)選擇將不同的MOS管接入電路，可靈活選擇不同的等效跨導(dǎo)范圍；再通過(guò)調(diào)節(jié)其偏置電流，可以對(duì)等效跨導(dǎo)進(jìn)行精調(diào)，以此得到處于低頻段、可控、可調(diào)的截止頻率，特別適合生理信號(hào)前端處理，其中的陷波器特別適用于去除50Hz工頻干擾。所設(shè)計(jì)的跨導(dǎo)放大器及Gm-C濾波器為低頻生理信號(hào)前端處理電路的集成化提供了可行方案和有價(jià)值的參考，在未來(lái)有望被用在面向生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的可穿戴式醫(yī)療儀器中，具有很好的應(yīng)用前景。