用于多種生理信號處理的低跨導放大器設計*

（北京信息科技大學，北京100192）

1 引言

目前，用于醫療領域的集成電路受到越來越多的關注和研究[1-2]。其中，可以實時監測生理信號的可穿戴設備更是最具潛力的發展方向之一。生理信號的前端處理電路在一定程度上決定了所獲取信號的質量以及最終的監測結果。而將濾波器用于去除目標信號以外的干擾信號，是前端處理電路中的重要一環。

在常見生理信號中，光電容積脈搏波信號的頻率為 0.6～16Hz，呼吸的頻率為 0.1～10Hz，心電信號的頻率約為0.01～250Hz，心音信號的頻率為5～2kHz?？梢姡硇盘栴l率處于低頻范圍[3]，對于不同種類的信號，頻段寬窄差異很大，而且即使是同一種生理信號，不同測試對象也會有所差別。傳統的濾波器若要實現較低的截止頻率，需要較大的無源器件（主要是電阻和電容），這在集成電路中實現起來成本較高。目前，已有多種方案試圖實現全集成低截止頻率，用于生理信號的處理。Gm-C濾波器在中高頻的應用已經很成熟，但是對于處理低頻的生理信號，雖然已有一些研究成果[4-6]，卻缺乏穩定的放大器結構和成熟的設計方法，仍然有待進一步探索。對于Gm-C濾波器，決定其截止頻率的關鍵部分是Gm/C，Gm即為放大器的等效跨導值。也就是說，要實現低截止頻率的濾波器，就要設計具有極低跨導值的放大器，并且為了適應不同對象以及不同種類生理信號的監測，還需要實現頻率可調、可控。

故此，設計了一種基于分流結構的跨導放大器。其等效跨導值可達10-12S量級，相應的Gm-C濾波器的截止頻率可達0.01Hz。利用跨導控制邏輯，將不同MOS管接入電路的輸入端，可實現跨導范圍的選擇；通過調節偏置電流，可以精調等效跨導值，將其用于Gm-C濾波器中，相應的就可以實現濾波器頻段選擇和截止頻率調節，特別適合于生理信號的前端處理。

2 電路結構

2.1 分流結構跨導放大器

本設計采用的分流結構電路如圖1所示[7]。在此結構中，小信號電流被M1與MM1分流，比例為兩MOS管的寬長比的比值，大比例的電流被導入地，小比例電流體現在輸出。由于等效跨導為輸出電流與輸入電壓的比值，因此，等效跨導與分流之前相比就減少到原來的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，因此比值會有一定偏移，但偏移仍在可接受的范圍內。

圖1 分流結構電路圖

圖2為采用分流結構的跨導放大器[7]。Vin、Vip為輸入差分電壓信號，通過將輸入電壓信號連接到MOS管的柵極完成對電流信號的控制；虛線框及其右側對稱部分即為分流結構，最終可以實現ns級的等效跨導值Gm。Ibias為電流源，其內部結構如圖3所示[8]，可見電流值由外部電壓VC控制，當改變Ibias時，放大器的等效跨導會隨之改變，由此即可設計不同截止頻率的濾波器。

圖2 帶有分流結構的跨導放大器電路圖

圖3 電流源電路內部結構

常見生理信號的頻率范圍一般認為是接近DC到幾kHz，基于同一跨導放大器，為適應這種比較寬的信號范圍，以適用于更多生理信號，基于圖2的結構，將虛線所框的部分用圖4所示的結構替代，并將M2、MM2做與之對稱的同樣改變。這一設計實現了跨導范圍可控的放大器，其中，MMA-MMD（對應于圖2的MM1）、MMa-MMd（對應于圖2的M1）具有不同的寬長比，通過選擇將其中一個或者幾個MOS管接入電路的輸入端，可以調節導入地的電流和輸出電流的比值，從而實現不同的跨導范圍。再結合可控偏置電流，又可以實現等效跨導的精細調節。圖5為對應的跨導控制邏輯，對MMA-MMD的控制邏輯電路和對MMa-MMd的控制邏輯電路結構相同，VINAVIND、VINa-VINd均為可選輸入端，其是/否被使能是由控制信號CA-CD、Ca-Cd來控制的：控制信號為高電平時，電路的信號通過S端接入到相應輸入端VINAVIND、VINa-VINd；控制信號為低電平時，相應輸入端接VDD，輸入MOS管截止，不參與實現電路功能。

圖4 實現等效跨導可控的輸入端結構圖

圖5 等效跨導控制邏輯結構圖

2.2 基于分流結構的頻率可控Gm-C濾波器

由于所設計的放大器具有較低的等效跨導值，因此由它得到的Gm-C濾波器可以達到很低的截止頻率，非常適用于低頻生理信號的處理。圖6為二階Gm-C濾波器電路結構。通過設置VA、VB、VC為輸入信號、偏置電壓或零電位，可相應地作為高通、低通、帶通或陷波濾波器來使用[9]，其中，跨導控制邏輯（GmControlling Logic）的電路結構如圖5所示。當VB接輸入信號，VA與VC接地時，該電路結構可以構成帶通濾波器。濾波器中的兩個放大器的等效跨導不同，分別實現濾波器的高通、低通截止頻率。高通截止頻率由Gm1決定，即fHP=Gm1/2πC，其中Gm1的具體數值可通過跨導控制邏輯選擇；低通截止頻率由Gm2決定，即fLP=Gm2/2πC，Gm2的具體數值也通過跨導控制邏輯選擇。當VB接地，VA與VC接輸入信號時，該電路結構還可構成陷波器，當兩個跨導值相等，即Gm1=Gm2=Gm時，陷波效果最好，陷波頻率為f=Gm/C。陷波器在心電信號的前端處理中具有重要應用，正常工作狀態下可以濾除50Hz的工頻干擾信號，從而保證所得信號的質量。

圖6 截止頻率可控的Gm-C濾波器電路圖

3 仿真結果及分析

所設計的跨導放大器中各MOS管選用的尺寸如表1所示。圖4中的 MMA、MMB、MMC、MMD被分別設置為 Ma、Mb、Mc、Md的不同倍數。通過控制信號CA、CB、CC、CD、Ca、Cb、Cc、Cd選擇將不同的 MOS 管接入電路的輸入端，實現不同的跨導范圍，配合可控電流源，精確調節跨導值。對于圖3的電流源，R取為300kΩ，流過R的電流設置為3μA，各個MOS管的過驅動電壓為0.2V，即可得出MC1-MC4的寬長比。

表1 各MOSFET的選用尺寸

基于標準的0.18μm CMOS工藝，在電源電壓值為1.8V時，設置跨導放大器的CA=VDD，CB=0，CC=0，CD=0，Ca1=VDD，Cb1=0，Cc1=0，Cd1=0（即 MMA和 Ma接入電路），在正負輸入端加±0.5幅度的交流信號，輸出端接負載電阻RL，進行交流仿真。由于此時電路的增益為Gm·RL，已知RL，則可以根據仿真得到的增益值計算出放大器的等效跨導值。需要說明的是，仿真得到的放大器等效跨導會受負載的影響，而負載又與應用相關。在本設計中，Gm-C濾波器中的跨導放大器的輸出端為MOS管的柵極，此柵極電阻極大，所以仿真時，選取RL=1GΩ。當偏置電流分別為1nA、0.1μA、1μA、2.5μA、5μA 時，所得的仿真曲線如圖7所示，求得放大器的等效跨導值變化范圍約為 4.8×10-12～3.2×10-8S。

圖7 帶負載的跨導放大器小信號增益仿真曲線

基于圖6所示的電路，將VA與VC接地，VB作為輸入信號，即得到帶通結構。Gm1的偏置電流調節為 1nA，Gm1的控制信號 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的偏置電流調節為5μA，Gm2的控制信號 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，截止頻率分別為 0.01Hz、1.2Hz、5.8Hz、24.9Hz、89.4Hz，相應的幅頻特性曲線如圖9所示。由圖9的結果可知，當 Gm1偏置電流分別為 1nA、0.1μA、1μA、2.5μA、5μA 時，放大器 Gm1的等效跨導 Gm1=2πCfLP，范圍為 6.3×10-12～5.3×10-8S，與圖7所示的等效跨導的仿真結果數量級一致，但略有偏差，這主要是因為跨導仿真時與濾波器中跨導放大器的負載情況不完全一致。

圖9 不同Gm1偏置電流下Gm-C帶通濾波器幅頻特性

同樣，設置Gm1的偏置電流不變，改變Gm2的偏置電流，可達到調節低通截止頻率的目的。相應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的前端處理，通過跨導控制邏輯 （設置 CA、CB、CC、CD、Ca、Cb、Cc、Cd的值）可在較寬的范圍選擇頻段；通過改變Gm1、Gm2的偏置電流，還可精細調節高通、低通截止頻率，從而使濾波器適應不同類型（不同頻率范圍）的生理信號。

若將圖6中的電路VB接地，VA與VC接輸入信號，則得到陷波結構。兩個跨導放大器的偏置電流設置為3.4μA，控制信號為CA1=CA2=VDD，CB1=CB2=0，CC1=CC2=0，CD1=CD2=0，Ca1=Ca2=VDD，Cb1=Cb2=0，Cc1=Cc2=0，Cd1=Cd2=0，即兩個跨導放大器都將MMA、Ma接入電路，此時得到50Hz陷波器。其幅頻特性曲線如圖11所示。陷波器對于處理心電等生物電信號時濾除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 結束語

本設計實現了一種具有極低跨導值的放大器，采用分流結構，等效跨導可以達到10-12S，相應截止頻率可達0.01Hz。基于此放大器設計的Gm-C濾波器，通過選擇將不同的MOS管接入電路，可靈活選擇不同的等效跨導范圍；再通過調節其偏置電流，可以對等效跨導進行精調，以此得到處于低頻段、可控、可調的截止頻率，特別適合生理信號前端處理，其中的陷波器特別適用于去除50Hz工頻干擾。所設計的跨導放大器及Gm-C濾波器為低頻生理信號前端處理電路的集成化提供了可行方案和有價值的參考，在未來有望被用在面向生理信號監測的可穿戴式醫療儀器中，具有很好的應用前景。