一種對數域差分低通濾波器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電子電路技術領域，具體涉及一種對數域差分低通濾波器。
【背景技術】
[0002] 隨著科技的進步，電子醫療儀器正被廣泛的使用，電子醫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，從而得到很低的截止頻率。 然而便攜式信號采集系統要求芯片面積小，這對大電容的集成是一個嚴峻的考驗，同時，便 攜式信號采集系統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，而傳統的工作于飽和區的電流型濾波器電流電壓也較大，不利 于便攜式系統的使用。模擬信號的對數壓擴技術可以很好的解決低電源電壓下仍具有較大 動態范圍的問題：電流信號先經過對數壓縮得到小擺幅的電壓信號，經過濾波處理后再經 過指數擴展還原回電流信號。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，而近年來出現了采用BJT雙極型晶體管對數濾波電路。
[0003] 但在傳統電壓模式電路中，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，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，集成難度增加。
【發明內容】
[0004] 為克服上述缺陷，本發明的目的即在于提供一種對數域差分低通濾波器。
[0005] 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：
[0006] 本發明是一種對數域差分低通濾波器，包括：兩個結構相同的對數壓縮單元，每個 所述對數壓縮單元的輸入端與差分輸入電流中的一路相接，所述對數壓縮單元對所輸入的 電流進行對數壓縮轉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壓縮單元的輸出端相連接，其將兩路 壓縮后的電壓信號進行濾波和處理后，得到輸出電壓信號，并將該輸出電壓信號輸出至指 數擴展單元中；
[0008] 所述指數擴展單元的結構與所述對數壓縮單元的結構鏡像對稱，其對輸出電壓信 號進行擴展轉換得到輸出的電流信息并進行輸出。
[0009] 進一步，所述對數壓縮單元、低通濾波單元、指數擴展單元中均設有個M0S管，且 每個M0S管均工作在亞閾值區。
[0010] 進一步，所述對數壓縮單元、低通濾波單元、指數擴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，所述對數壓縮單元中的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，所述對數壓縮單元中的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] 本發明采用差分輸入的結構，可以很好地抑制共模噪聲，且不需要分別對兩路信 號進行低通濾波處理再作差，而是通過采用跨導濾波的方法，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，本發明由下述的較佳實施例及附圖作詳細描述。
[0015] 圖1為本發明的電路邏輯結構示意圖；
[0016] 圖2為本發明中一個對數壓縮單元實施例的電路結構圖；
[0017] 圖3為本發明低通濾波單元的電路結構圖；
[0018] 圖4為本發明指數擴展單元的電路結構圖；
[0019] 圖5為本發明中另一個對數壓縮單元實施例的電路結構圖。
【具體實施方式】
[0020] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用 于限定本發明。
[0021] 請參閱圖1至圖5,本發明是一種對數域差分低通濾波器，兩個結構相同的對數壓 縮單元，每個所述對數壓縮單元的輸入端與差分輸入電流中的一路相接，所述對數壓縮單 元對所輸入的電流進行對數壓縮轉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壓縮單元的輸出端相連接，其將兩路 壓縮后的電壓信號進行濾波和處理后，得到輸出電壓信號，并將該輸出電壓信號輸出至指 數擴展單元中；
[0023] 所述指數擴展單元的結構與所述對數壓縮單元的結構鏡像對稱，其對輸出電壓信 號進行擴展轉換得到輸出的電流信息并進行輸出。
[0024] 本發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經過同樣的對數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，實現電壓的低通 濾波v〇。
[0027] 第三步：對得到的輸出電壓進行指數擴展單元還原為電流信號io。
[0028] 第四步：偏置電流IB和IR可以分別實現對截止頻率和增益的調節。
[0029] 進一步，所述對數壓縮單元、低通濾波單元、指數擴展單元中均設有個M0S管，且 每個M0S管均工作在亞閾值區。由于低通濾波單元的M0S管都選擇工作在亞閾值區，而且， 工作在亞閾區的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較低的截止頻率；同時，亞閾區的M0S管響 應速度慢，這恰恰適合在低頻的系統中工作，因此非常適合生物電信號處理系統。本發明工 作于亞閾區使得功耗和電源電壓大大降低。
[0030] 進一步，所述對數壓縮單元、低通濾波單元、指數擴展單元中分別接有第一、第二、 第三偏置電流源IA、IB、IR。指數擴展單元可通過偏置電流的調節實現增益可調；而低通濾 波單元可通過偏置電流的調節實現截止頻率可調。
[0031] 作為一種改進，所述對數壓縮單元中的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，在本發明中，對數壓縮單元中3個PM0S管均工作在亞閾值區 且源極與襯底短接，實現精確的漏極電流與柵源電壓的對數運算，從而實現電流到電壓的 對數壓縮變換。Vref作為共模電