阅读说明：本技术 一种用于传感器模拟前端的跨导运算放大器 (Transconductance operational amplifier for analog front end of sensor ) 是由 朱樟明 王凌 刘术彬 王静宇 刘帘曦 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于传感器模拟前端的跨导运算放大器,其特征在于,包括：依次连接的浮地电压源模块、输入分流模块和负载电流镜输出模块,其中,浮地电压源模块为翻转电压跟随器结构；输入分流模块根据输入的差分电压信号产生小信号电流,并将小信号电流进行分流,其中较大比例的电流导入接地端,较小比例的电流输入至负载电流镜输出模块；负载电流镜输出模块根据输入的较小比例的电流产生相应的镜像输出电流。本发明的跨导运算放大器,通过输入分流模块和负载电流镜输出模块将输入差分管的等效跨导减小至原来的<Image he="150" wi="233" file="DDA0002541812110000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>在合适的直流偏置下,当N和M取到足够大时,放大器的跨导值的数量级可以降低到nS级,而且在实现低跨导的同时具有高的线性度。(The invention relates to a transconductance operational amplifier for an analog front end of a sensor, which is characterized by comprising the following components: the load current mirror output module is connected with the input shunt module and the input shunt module in sequence, wherein the floating ground voltage source module is of an overturning voltage follower structure; the input shunt module generates small-signal current according to the input differential voltage signal and shunts the small-signal current, wherein the current with a larger proportion is led into a grounding terminal, and the current with a smaller proportion is input into the load current mirror output module; the load current mirror output module generates corresponding mirror output current according to the input current with smaller proportion. The transconductance operational amplifier reduces the equivalent transconductance of the input differential tube to the original value through the input shunt module and the load current mirror output module When N and M are sufficiently large, under appropriate dc bias, the transconductance of the amplifier can be reduced to nS level,and has high linearity while achieving low transconductance.)

一种用于传感器模拟前端的跨导运算放大器

技术领域

本发明属于传感器模拟前端设计技术领域，具体涉及一种用于传感器模拟前端的跨导运算放大器。

背景技术

目前，用于医疗领域的集成电路受到越来越多的关注和研究，可以实时监测生理信号的可穿戴设备更是最具潜力的发展方向之一。其中，传感器的前端处理电路在一定程度上决定了所获取信号的质量以及最终的监测结果。而将滤波器用于去除目标信号以外的干扰信号，是模拟前端电路中的重要一环。

在常见生理信号中，光电容积脉搏波信号的频率为0.6～16Hz，呼吸的频率为0.1～10Hz，心电信号的频率约为0.01～250Hz，心音信号的频率为5～2kHz。可见，生理信号频率处于低频范围。传统的滤波器若要实现较低的截止频率，需要较大的无源器件(主要是电阻和电容)，这在集成电路中实现起来成本较高。

目前，已有多种方案试图实现全集成低截止频率滤波器，Gm-C滤波器在中高频的应用已经很成熟，但是对于处理低频的生理信号，虽然已有一些研究成果，却缺乏稳定的放大器结构和成熟的设计方法，仍然有待进一步探索。对于Gm-C滤波器，决定其截止频率的关键部分是Gm/C，Gm即为放大器的等效跨导值。

因此，提供一种具有极低跨导值、高线性度的跨导运算放大器以实现低截止频率的Gm-C滤波器是十分必要的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于传感器模拟前端的跨导运算放大器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种用于传感器模拟前端的跨导运算放大器，包括：依次连接的浮地电压源模块、输入分流模块和负载电流镜输出模块，其中，

所述浮地电压源模块为翻转电压跟随器结构，用于提供所述输入分流模块的输入管栅极及其对管源极之间的恒定电压差；

所述输入分流模块根据输入的差分电压信号产生小信号电流，并将所述小信号电流进行分流，其中较大比例的电流导入接地端，较小比例的电流输入至所述负载电流镜输出模块；

所述负载电流镜输出模块根据输入的所述较小比例的电流产生相应的镜像输出电流；

其中，所述较小比例的电流为所述小信号电流的

所述镜像输出电流为所述小信号电流的

M表示所述输入分流模块中两个MOS管宽长比的比值，N表示所述负载电流镜输出模块中两个MOS管宽长比的比值，M、N为大于或等于1的整数，根据所需的所述跨导运算放大器的跨导值选择M、N的取值。

在本发明的一个实施例中，所述输入分流模块的输入管栅极及其对管源极通过所述浮地电压源模块交叉耦合。

在本发明的一个实施例中，所述浮地电压源模块包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和电流源，其中，

所述第一MOS管和所述第二MOS管均为PMOS管，所述第三MOS管和所述第四MOS管均为NMOS管；

所述第一MOS管的源极与所述第二MOS管的源极均连接模拟电压；

所述第一MOS管的漏极连接所述第三MOS管的源极，栅极连接所述第三MOS管的漏极；

所述第二MOS管的漏极连接所述第四MOS管的源极，栅极连接所述第四MOS管的漏极；

所述第三MOS管和所述第四MOS管的漏极均连接所述电流源的第一端，所述电流源的第二端连接接地端；

所述第一MOS管的漏极、所述第二MOS管的漏极、所述第三MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极作为所述浮地电压源模块的差分电压信号输出端。

在本发明的一个实施例中，所述输入分流模块包括第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管和第八MOS管，其中，

所述第五MOS管、所述第六MOS管、所述第七MOS管和所述第八MOS管均为PMOS管，所述第五MOS管与所述第六MOS管的宽长比的比值、所述第八MOS管与所述第七MOS管的宽长比的比值均为M；

所述第五MOS管的源极和所述第六MOS管的源极均连接所述第一MOS管的漏极，所述第五MOS管的栅极和所述第六MOS管的栅极均连接所述第四MOS管的栅极；

所述第七MOS管的源极和所述第八MOS管的源极均连接所述第二MOS管的漏极，所述第七MOS管的栅极和所述第八MOS管的栅极均连接所述第三MOS管的栅极；

所述第五MOS管和所述第八MOS管的漏极均连接所述接地端；

所述第六MOS管和所述第七MOS管的漏极作为所述输入分流模块的较小比例的电流输出端。

在本发明的一个实施例中，所述负载电流镜输出模块包括第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、第十三MOS管和第十四MOS管，其中，

所述第九MOS管、所述第十MOS管、所述第十一MOS管和所述第十二MOS管均为NMOS管，所述第十三MOS管和第十四MOS管均为PMOS管；

所述第十MOS管与所述第九MOS管的宽长比的比值、所述第十一MOS管与所述第十二MOS管的宽长比的比值均为N；

所述第九MOS管、所述第十MOS管、所述第十一MOS管和所述第十二MOS管的源极均连接所述接地端；

所述第九MOS管的漏极连接所述第十三MOS管的漏极，栅极连接所述第十MOS管的栅极；

所述第十MOS管的漏极分别连接其栅极和所述第六MOS管的漏极；

所述第十一MOS管的漏极分别连接其栅极和所述第七MOS管的漏极；

所述第十二MOS管的漏极连接所述第十四MOS管的漏极，栅极连接所述第十一MOS管的栅极；

所述第十三MOS管和第十四MOS管的源极均连接所述接地端，栅极均连接共模反馈电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的用于传感器模拟前端的跨导运算放大器，输入分流模块的输入管栅极及其对管源极通过浮地电压源模块交叉耦合，相对于传统的源耦差动对，其传输特性线性度大大提高，扩展了其线性输入范围；

2、本发明的用于传感器模拟前端的跨导运算放大器，通过输入分流模块和负载电流镜输出模块将输入差分管的等效跨导减小至原来的在合适的直流偏置下，当N和M取到足够大时，放大器的跨导值的数量级可以降低到nS级，而且在实现低跨导的同时具有高的线性度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于传感器模拟前端的跨导运算放大器的模块示意图；

图2是本发明实施例提供的浮地电压源模块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种用于传感器模拟前端的跨导运算放大器的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种用于传感器模拟前端的跨导运算放大器进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种用于传感器模拟前端的跨导运算放大器的模块示意图。如图所示，本实施例的用于传感器模拟前端的跨导运算放大器，包括：依次连接的浮地电压源模块1、输入分流模块2和负载电流镜输出模块3。其中，浮地电压源模块1为翻转电压跟随器结构，用于提供输入分流模块2的输入管栅极及其对管源极之间的恒定电压差；输入分流模块2根据输入的差分电压信号产生小信号电流，并将小信号电流进行分流，其中较大比例的电流导入接地端，较小比例的电流输入至负载电流镜输出模块3；负载电流镜输出模块3根据输入的较小比例的电流产生相应的镜像输出电流。

其中，较小比例的电流为小信号电流的

镜像输出电流为小信号电流的

M表示输入分流模块2中两个MOS管宽长比的比值，N表示负载电流镜输出模块3中两个MOS管宽长比的比值，M、N为大于或等于1的整数，根据所需的所述跨导运算放大器的跨导值选择M、N的取值。

在本实施例中，输入分流模块2的输入管栅极及其对管源极通过所述浮地电压源模块1交叉耦合，相对于传统的源耦差动对，其传输特性线性度大大提高，扩展了其线性输入范围。

浮地电压源模块1采用翻转电压跟随器结构，忽视了短沟道效应和体效应，可以提供稳定的电压差以及超低的输出阻抗，相较于传统的源级跟随器，该结构可以在非常低的电源电压下正常工作，更适用于低电压供电的电路。

本实施例的用于传感器模拟前端的跨导运算放大器，通过输入分流模块2和负载电流镜输出模块3将输入差分管的等效跨导减小至原来的1/(N(M+1))，在合适的直流偏置下，当N和M取到足够大时，放大器的跨导值的数量级可以降低到nS级，而且在实现低跨导的同时具有高的线性度。

请结合参见图2和图3，图2是本发明实施例提供的浮地电压源模块的结构示意图，图3是本发明实施例提供的一种用于传感器模拟前端的跨导运算放大器的结构示意图。如图所示，本实施例的浮地电压源模块1包括：第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4和电流源I_B。其中，第一MOS管M1和第二MOS管M2均为PMOS管，第三MOS管M3和第四MOS管M4均为NMOS管。

第一MOS管M1的源极与第二MOS管M2的源极均连接模拟电压AVDD；第一MOS管M1的漏极连接第三MOS管M3的源极，栅极连接第三MOS管M3的漏极；第二MOS管M2的漏极连接第四MOS管M4的源极，栅极连接第四MOS管M4的漏极；第三MOS管M3和第四MOS管M4的漏极均连接电流源I_B的第一端，电流源I_B的第二端连接接地端AGND；第一MOS管M1的漏极、第二MOS管M2的漏极、第三MOS管M3的栅极和第四MOS管M4的栅极作为浮地电压源模块1的差分电压信号输出端。

进一步地，输入分流模块2包括第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8。其中，第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8均为PMOS管，第五MOS管M5与第六MOS管M6的宽长比的比值、第八MOS管M8与第七MOS管M7的宽长比的比值均为M。

第五MOS管M5的源极和第六MOS管M6的源极均连接第一MOS管M1的漏极，第五MOS管M5的栅极和第六MOS管M6的栅极均连接第四MOS管M4的栅极；第七MOS管M7的源极和第八MOS管M8的源极均连接第二MOS管M2的漏极，第七MOS管M7的栅极和第八MOS管M8的栅极均连接第三MOS管M3的栅极；第五MOS管M5和第八MOS管M8的漏极均连接接地端AGND；第六MOS管M6和第七MOS管M7的漏极作为输入分流模块2的较小比例的电流输出端。

进一步地，负载电流镜输出模块3包括第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第十三MOS管M13和第十四MOS管M14。其中，第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11和第十二MOS管M12均为NMOS管，第十三MOS管M13和第十四MOS管M14均为PMOS管。第十MOS管M10与第九MOS管M9的宽长比的比值、第十一MOS管M11与第十二MOS管M12的宽长比的比值均为N。第九MOS管M9和第十MOS管M10，以及第十一MOS管M11和第十二MOS管M12分别组成电流镜结构，第十三MOS管M13和第十四MOS管M14分别作为电流镜结构的负载。

第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11和第十二MOS管M12的源极均连接接地端AGND；第九MOS管M9的漏极连接第十三MOS管M13的漏极，栅极连接第十MOS管M10的栅极；第十MOS管M10的漏极分别连接其栅极和第六MOS管M6的漏极；第十一MOS管M11的漏极分别连接其栅极和第七MOS管M7的漏极；第十二MOS管M12的漏极连接第十四MOS管M14的漏极，栅极连接第十一MOS管M11的栅极；第十三MOS管M13和第十四MOS管M14的源极均连接接地端AGND，栅极均连接共模反馈电压CMFB。

在本实施例中，共模反馈电压CMFB由共模反馈电路提供，共模反馈电路检测输出共模电平并与参考电压进行比较，产生共模反馈电压CMFB信号从而控制跨导运算放大器的输出共模电平，提高放大器共模抑制比。

值得说明的是，本实施例跨导运算放大器的电路结构中的MOS管均处于饱和区。本实施例的跨导运算放大器，可以根据期望得到的跨导值，调整输入分流模块2中两个MOS管宽长比的比值M，以及负载电流镜输出模块3中两个MOS管宽长比的比值N的大小。在本实施例中当M＝10N＝10时，所述跨导运算放大器的等效跨导值数量级为为nS级。

具体地，对本发明实施例的用于传感器模拟前端的跨导运算放大器，实现低跨导高线性度的原理具体描述如下：

如图3所示，输入的差分电压信号连接到输入分流模块2的VIN和VIP端口，以输入到VIN端口的信号为例，产生的小信号电流被第五MOS管M5和第六MOS管M6分流，比例为第五MOS管M5和第六MOS管M6宽长比的比值M，大比例的电流被导入地，小比例的电流I_O1输入至负载电流镜输出模块3的输入端。由于等效跨导为输出电流与输入电压的比值，因此等效跨导与分流之前相比就减少到原来的负载电流镜输出模块3根据输入的电流产生相应的镜像电流I_O2，产生的镜像电流I_O2由第十MOS管M10与第九MOS管M9的宽长比的比值N决定，此时，等效跨导降低到原来的当N和M取到足够大时，跨导运算放大器的跨导值的数量级可以降低到nS级。

输入分流模块2的输入管的栅极及其对管的源级通过浮地电压源模块1交叉耦合，浮地电压源模块1产生的电压为Ve+Vt。

第六MOS管M6和第七MOS管M7匹配且工作在饱和区，那么，流过第六MOS管M6的电流I₁、第六MOS管M6的源栅电压V_sg1、流过第七MOS管M7的电流I₂、第七MOS管M7的源栅电压V_sg2，分别为：

I₁＝β(V_sg1+V_t)² (式1)；

I₂＝β(V_sg2+V_t)² (式2)；

V_sg1＝V_e+V_t+V_id (式3)；

V_sg2＝V_e+V_t-V_id (式4)；

其中，β表示MOS管的电流增益因子，V_id表示输入差分信号。

由上式可得：

I₁＝β(V_e+V_id)² (式5)；

I₂＝β(V_e-V_id)² (式6)；

I_d＝4βV_eV_id (式7)；

其中，I_d表示第六MOS管M6和第七MOS管M7产生的差分电流。

而传统的采用源级退化结构改善跨导运算放大器线性度的方式中，

其中，κ表示亚阈值斜率因子，ξ表示输入管与用作于源极退化的晶体管的宽长比，I_b表示MOS管的直流偏置电流，V_T表示热电压，V_Δ表示衬底偏置效应对阈值电压的影响。

由式7可知，输入分流模块2的输出电流是输入电压的线性函数，跨导g_m＝4V_e，相较于传统的源级退化方式，引入交叉耦合的浮地电压源模块1，跨导运算放大器的线性度大为提升，仿真得到输出信号的THD参数值降低了一倍以上。

如图2所示，浮地电压源模块1为翻转电压跟随器结构，其具体原理如下：

相较于传统的CMOS源级跟随器结构，该结构降低了电路复杂度，且适用于低电压供电的电路。该电压源的输出阻抗R₀为：

其中，g_m3表示第一MOS管M1的跨导值，g_m4表示第三MOS管M3的跨导值，g_mb4表示第三MOS管M3的背栅跨导，r_o4为第三MOS管M3的输出电阻。

从式9可以看出，其输出阻抗R₀远远小于源级跟随器的输出阻抗，因此，该结构更接近于一个理想的浮地电压源。

当输入电压发生变化时，第三MOS管M3和第四MOS管M4的栅源电压保持恒定。第六MOS管M6、第七MOS管M7、第三MOS管M3和第四MOS管M4匹配，那么，

线性输入范围为

通过调节电流源I_B的值即可调节跨导运算放大器的跨导值以及线性输入范围的大小。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。