一種對數(shù)域差分低通濾波器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對數(shù)域差分低通濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的進(jìn)步，電子醫(yī)療儀器正被廣泛的使用，電子醫(yī)療儀器使用時需要獲取 生物電信號，而由于生物電信號的頻率非常低，一般低于lk赫茲。因此對生物電信號的濾 波處理往往需要較大的電容電阻來得到大的充放電時間常數(shù)，從而得到很低的截止頻率。 然而便攜式信號采集系統(tǒng)要求芯片面積小，這對大電容的集成是一個嚴(yán)峻的考驗，同時，便 攜式信號采集系統(tǒng)對電源電壓和功耗的要求也非常高，為滿足信號擺幅的要求，電壓型濾 波器的電源電壓往往很高，而傳統(tǒng)的工作于飽和區(qū)的電流型濾波器電流電壓也較大，不利 于便攜式系統(tǒng)的使用。模擬信號的對數(shù)壓擴(kuò)技術(shù)可以很好的解決低電源電壓下仍具有較大 動態(tài)范圍的問題：電流信號先經(jīng)過對數(shù)壓縮得到小擺幅的電壓信號，經(jīng)過濾波處理后再經(jīng) 過指數(shù)擴(kuò)展還原回電流信號。目前對于生物電信號濾波的主要方法仍是采用電壓模式濾波 電路，而近年來出現(xiàn)了采用BJT雙極型晶體管對數(shù)濾波電路。
[0003] 但在傳統(tǒng)電壓模式電路中，由于電源電壓和輸入信號擺幅的固有矛盾，使得該類 濾波器的線性工作范圍受到約束。而且對生物信號來說都是對低頻信號的處理，濾波器要 獲得大的時間常數(shù)，就需要很大的電阻和電容值，難以集成，即使采用M0S管做虛電阻，電 容也較大；而BJT雙極型晶體管其不宜集成，而且由于其速度快的特點，更適合在高頻信號 領(lǐng)域使用。此外，采用單端輸入的方式對共模噪聲的抑制不理想；而雙端輸入時又采用了兩 個電容實現(xiàn)，集成難度增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服上述缺陷，本發(fā)明的目的即在于提供一種對數(shù)域差分低通濾波器。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明是一種對數(shù)域差分低通濾波器，包括：兩個結(jié)構(gòu)相同的對數(shù)壓縮單元，每個 所述對數(shù)壓縮單元的輸入端與差分輸入電流中的一路相接，所述對數(shù)壓縮單元對所輸入的 電流進(jìn)行對數(shù)壓縮轉(zhuǎn)換得到壓縮后的電壓信號，并將壓縮后的電壓信號輸入至低通濾波單 元中；
[0007] 所述低通濾波單元的輸入端分別與兩個對數(shù)壓縮單元的輸出端相連接，其將兩路 壓縮后的電壓信號進(jìn)行濾波和處理后，得到輸出電壓信號，并將該輸出電壓信號輸出至指 數(shù)擴(kuò)展單元中；
[0008] 所述指數(shù)擴(kuò)展單元的結(jié)構(gòu)與所述對數(shù)壓縮單元的結(jié)構(gòu)鏡像對稱，其對輸出電壓信 號進(jìn)行擴(kuò)展轉(zhuǎn)換得到輸出的電流信息并進(jìn)行輸出。
[0009] 進(jìn)一步，所述對數(shù)壓縮單元、低通濾波單元、指數(shù)擴(kuò)展單元中均設(shè)有個M0S管，且 每個M0S管均工作在亞閾值區(qū)。
[0010] 進(jìn)一步，所述對數(shù)壓縮單元、低通濾波單元、指數(shù)擴(kuò)展單元中分別接有第一、第二、 第三偏置電流源。
[0011] 作為一種改進(jìn)，所述對數(shù)壓縮單元中的M0S管均為PM0S管，其分別為第一、第二、 第三PM0S管；所述第二PM0S管的柵極連接參考電壓輸入端，第二PM0S管的源極分別與第 三PM0S的源極、第一PM0S的漏極相連接，第二PM0S管的漏極與第一偏置電流源、第一PM0S 的柵極以及電流輸入端連接；第三PM0S管的柵極與漏極相短接，同時第三PM0S管的柵極作 為電流壓縮為電壓后的輸出端；第一PM0S管的源極接第一偏置電流源，且三個PM0S管的襯 底與源極均短接。
[0012] 作為另一種改進(jìn)，所述對數(shù)壓縮單元中的M0S管均為NM0S管，其分別為第三、第 四、第五NM0S管；所述第四NM0S管的柵極連接參考電壓輸入端，第四NM0S管的源極與第 五NM0S管的源極、第三NM0S管的漏極相連接，第四NM0S管的漏極與第一偏置電流源、第三 NM0S管的柵極以及電流輸入端連接；第五NM0S管的柵極與漏極相短接，同時第五NM0S管 的柵極作為電流壓縮為電壓后的輸出端；第三NM0S管的源極接地。
[0013] 本發(fā)明采用差分輸入的結(jié)構(gòu)，可以很好地抑制共模噪聲，且不需要分別對兩路信 號進(jìn)行低通濾波處理再作差，而是通過采用跨導(dǎo)濾波的方法，在作差的同時完成濾波，減少 了一個電容的使用，體積小更容易集成。
【附圖說明】
[0014] 為了易于說明，本發(fā)明由下述的較佳實施例及附圖作詳細(xì)描述。
[0015] 圖1為本發(fā)明的電路邏輯結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明中一個對數(shù)壓縮單元實施例的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖3為本發(fā)明低通濾波單元的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖4為本發(fā)明指數(shù)擴(kuò)展單元的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0019] 圖5為本發(fā)明中另一個對數(shù)壓縮單元實施例的電路結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0020] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用 于限定本發(fā)明。
[0021] 請參閱圖1至圖5,本發(fā)明是一種對數(shù)域差分低通濾波器，兩個結(jié)構(gòu)相同的對數(shù)壓 縮單元，每個所述對數(shù)壓縮單元的輸入端與差分輸入電流中的一路相接，所述對數(shù)壓縮單 元對所輸入的電流進(jìn)行對數(shù)壓縮轉(zhuǎn)換得到壓縮后的電壓信號，并將壓縮后的電壓信號輸入 至低通濾波單元中；
[0022] 所述低通濾波單元的輸入端分別與兩個對數(shù)壓縮單元的輸出端相連接，其將兩路 壓縮后的電壓信號進(jìn)行濾波和處理后，得到輸出電壓信號，并將該輸出電壓信號輸出至指 數(shù)擴(kuò)展單元中；
[0023] 所述指數(shù)擴(kuò)展單元的結(jié)構(gòu)與所述對數(shù)壓縮單元的結(jié)構(gòu)鏡像對稱，其對輸出電壓信 號進(jìn)行擴(kuò)展轉(zhuǎn)換得到輸出的電流信息并進(jìn)行輸出。
[0024] 本發(fā)明的工作原理主要包括如下步驟：
[0025] 第一步：兩路差分輸入電流ip、in經(jīng)過同樣的對數(shù)壓縮單元將電流壓縮為小擺幅 的差分電壓信號vp、vn。
[0026] 第二步：將得到的差分電壓信號作為低通濾波單元的輸入信號，實現(xiàn)電壓的低通 濾波v〇。
[0027] 第三步：對得到的輸出電壓進(jìn)行指數(shù)擴(kuò)展單元還原為電流信號io。
[0028] 第四步：偏置電流IB和IR可以分別實現(xiàn)對截止頻率和增益的調(diào)節(jié)。
[0029] 進(jìn)一步，所述對數(shù)壓縮單元、低通濾波單元、指數(shù)擴(kuò)展單元中均設(shè)有個M0S管，且 每個M0S管均工作在亞閾值區(qū)。由于低通濾波單元的M0S管都選擇工作在亞閾值區(qū)，而且， 工作在亞閾區(qū)的M0S管漏極電流一般為pA級別或是nA級別，這就使得電流對電容的充電 能力很小，從而可以在很小的電容的條件下實現(xiàn)較低的截止頻率；同時，亞閾區(qū)的M0S管響 應(yīng)速度慢，這恰恰適合在低頻的系統(tǒng)中工作，因此非常適合生物電信號處理系統(tǒng)。本發(fā)明工 作于亞閾區(qū)使得功耗和電源電壓大大降低。
[0030] 進(jìn)一步，所述對數(shù)壓縮單元、低通濾波單元、指數(shù)擴(kuò)展單元中分別接有第一、第二、 第三偏置電流源IA、IB、IR。指數(shù)擴(kuò)展單元可通過偏置電流的調(diào)節(jié)實現(xiàn)增益可調(diào)；而低通濾 波單元可通過偏置電流的調(diào)節(jié)實現(xiàn)截止頻率可調(diào)。
[0031] 作為一種改進(jìn)，所述對數(shù)壓縮單元中的M0S管均為PM0S管，其分別為第一、第二、 第三PM0S管；所述第二PM0S管（PM0S2)的柵極連接參考電壓輸入端，第二PM0S管（PM0S2) 的源極分別與第三PM0S的源極、第一PM0S的漏極相連接，第二PM0S管（PM0S2)的漏極與 第一偏置電流源、第一PM0S的柵極以及電流輸入端連接；第三PM0S管（PM0S3)的柵極與漏 極相短接，同時第三PM0S管（PM0S3)的柵極作為電流壓縮為電壓后的輸出端；第一PM0S管 (PM0S1)的源極接第一偏置電流源，且三個PM0S管的襯底與源極均短接。
[0032] 以本連接方式為例，在本發(fā)明中，對數(shù)壓縮單元中3個PM0S管均工作在亞閾值區(qū) 且源極與襯底短接，實現(xiàn)精確的漏極電流與柵源電壓的對數(shù)運算，從而實現(xiàn)電流到電壓的 對數(shù)壓縮變換。Vref作為共模電