阅读说明：本技术 一种反双曲正切预失真电路、跨导器及gm-c低通滤波器 (Inverse hyperbolic tangent predistortion circuit, transconductor and GM-C low-pass filter ) 是由 李娅妮 张腾飞 朱樟明 杨银堂 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种反双曲正切预失真电路、跨导器及GM-C低通滤波器。该反双曲正切预失真电路包括：第一偏置电流单元(1)、第二偏置电流单元(2)、第一电阻(Rx1)、第一PMOS管(PM1)、第二PMOS管(PM2)、第一电流-电压转换单元(3)、第二电流-电压转换单元(4)。该反双曲正切预失真电路通过将电压转换为电流,电流再转换为电压的调整方式使得输入端电压差和输出端电压差满足反双曲正切关系,可以连接在输入差分对工作在亚阈值区的跨导器之前用来扩展跨导器的输入线性范围,降低跨导单元的功耗,从而有利于GM-C低通滤波器低压低功耗的设计。(The invention relates to an inverse hyperbolic tangent predistortion circuit, a transconductor and a GM-C low pass filter. The inverse hyperbolic tangent predistortion circuit comprises: the circuit comprises a first bias current unit (1), a second bias current unit (2), a first resistor (Rx1), a first PMOS (P-channel metal oxide semiconductor) tube (PM1), a second PMOS tube (PM2), a first current-voltage conversion unit (3) and a second current-voltage conversion unit (4). The inverse hyperbolic tangent predistortion circuit has the advantages that the voltage is converted into the current, the current is converted into the voltage, the voltage difference of the input end and the voltage difference of the output end meet the inverse hyperbolic tangent relation, the inverse hyperbolic tangent predistortion circuit can be connected to an input differential pair before a transconductor working in a subthreshold region to expand the input linear range of the transconductor, the power consumption of a transconductance unit is reduced, and therefore the low-voltage and low-power consumption design of a GM-C low-pass filter is facilitated.)

一种反双曲正切预失真电路、跨导器及GM-C低通滤波器

技术领域

本发明属于生物医疗电子技术领域，具体涉及一种反双曲正切预失真电路、跨导器及GM-C低通滤波器。

背景技术

低通滤波器是生物信号获取模拟前端电路中不可或缺的模块，主要用于滤除低噪声仪表放大器输出噪声中的高频噪声与干扰。

为保证输出信号的质量，滤波器须具备低的截止频率，大的输入线性范围，同时具备较小的功耗。

由于GM-C滤波器中的输入GM单元工作在开环状态，因此需要扩展其输入线性范围。然而传统的输入线性范围扩展措施都是针对于GM单元中工作在饱和区的晶体管，但是晶体管工作在饱和区会具有较大的功耗，一个滤波器一般会达到数十微瓦甚至达到上百微瓦，不利于低功耗的设计。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种反双曲正切预失真电路、跨导器及GM-C低通滤波器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种反双曲正切预失真电路，包括：第一偏置电流单元、第二偏置电流单元、第一电阻、第一PMOS管、第二PMOS管、第一电流-电压转换单元、第二电流-电压转换单元，其中，

所述第一偏置电流单元连接在电压源和所述第一PMOS管的源极之间，所述第一PMOS管的栅极连接至电压输入端的第一电极，所述第一电流-电压转换单元连接在所述第一PMOS管的漏极和接地端之间；

所述第二偏置电流单元连接在电压源和所述第二PMOS管的源极之间，所述第二PMOS管的栅极连接至电压输入端的第二电极，所述第二电流-电压转换单元连接在所述第二PMOS管的漏极和接地端之间；

所述第一电阻连接在所述第一PMOS管的源极和所述第二PMOS管的源极之间；

所述第一PMOS管的衬底连接所述第二PMOS管的衬底且共同连接电压源；

所述第一电流-电压转换单元与所述第一PMOS管的漏极之间连接有第一电压输出端，所述第二电流-电压转换单元与所述第二PMOS管的漏极之间连接有第二电压输出端。

在本发明的一个实施例中，所述第一偏置电流单元包括第一电流源，所述第二偏置电流单元包括第二电流源，其中，

所述第一电流源的负极连接电压源，所述第一电流源的正极连接所述第一PMOS管的源极；

所述第二电流源的负极连接电压源，所述第二电流源的正极连接所述第二PMOS管的源极。

在本发明的一个实施例中，所述第一偏置电流单元包括第三PMOS管，所述第二偏置电流单元包括第四PMOS管，其中，

所述第三PMOS管的源极和衬底均连接电压源，所述第三PMOS管的漏极连接所述第一PMOS管的源极，所述第三PMOS管的栅极连接所述第四PMOS管的栅极且共同输入第一偏置电压；

所述第四PMOS管的源极和衬底均连接电压源，所述第四PMOS管的漏极连接所述第二PMOS管的源极。

在本发明的一个实施例中，所述第一电流-电压转换单元包括第一二极管，所述第二电流-电压转换单元包括第二二极管，其中，

所述第一二极管的正极连接所述第一PMOS管的漏极，负极连接接地端；

所述第二二极管的正极连接所述第二PMOS管的漏极，负极连接接地端。

在本发明的一个实施例中，所述第一电流-电压转换单元包括第一三极管，所述第二电流-电压转换单元包括第二三极管，其中，

所述第一三极管的发射极连接所述第一PMOS管的漏极，所述第一三极管的集电极连接接地端；

所述第二三极管的发射极连接所述第二PMOS管的漏极，所述第二三极管的集电极连接接地端；

所述第一三极管的基极连接所述第二三极管的基极且二者共同连接接地端。

本发明的另一个实施例提供了一种跨导器，包括预失真电路和跨导单元，其中，

所述预失真电路包括本发明实施例中所述的反双曲正切预失真电路；

所述预失真电路的电压输入端的第一电极连接所述跨导器的同相输入端，所述预失真电路的电压输入端的第二电极连接所述跨导器的反相输入端；

所述预失真电路的第一电压输出端连接所述跨导单元的反相输入端，所述预失真电路的第二电压输出端连接所述跨导单元的同相输入端；

所述跨导单元的同相输出端连接所述跨导器的同相输出端，所述跨导单元的反相输出端连接所述跨导器的反相输出端。

在本发明的一个实施例中，所述跨导单元包括第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，其中，

所述第五PMOS管的衬底、所述第六PMOS管的衬底、所述第七PMOS管的衬底、所述第八PMOS管的衬底和所述第九PMOS管的衬底均连接至电压源，所述第五PMOS管的源极、所述第八PMOS管的源极和所述第九PMOS管的源极均连接电压源，所述第五PMOS管的栅极输入第二偏置电压，所述第六PMOS管的源极连接至所述第七PMOS管的源极和所述第五PMOS管的漏极；

所述第六PMOS管的栅极连接所述预失真电路的第一电压输出端，所述第七PMOS管的栅极连接所述预失真电路的第二电压输出端，所述第六PMOS管的漏极连接至所述第一NMOS管的漏极，所述第一NMOS管的漏极连接至其栅极，所述第七PMOS管的漏极连接至所述第二NMOS管的漏极，所述第二NMOS管的漏极连接至其栅极，所述第三NMOS管的栅极连接至所述第一NMOS管的栅极，所述第四NMOS管的栅极连接至所述第二NMOS管的栅极；所述第一NMOS管的衬底和源极均连接接地端，所述第二NMOS管的衬底和源极均连接接地端，所述第三NMOS管的衬底和源极均连接接地端，所述第四NMOS管的衬底和源极均连接接地端；所述第三NMOS管的漏极连接至所述第八PMOS管的漏极和所述跨导器的反相输出端，所述第四NMOS管的漏极连接至所述第九PMOS管的漏极和所述跨导器的同相输出端；所述第八PMOS管的栅极与所述第九PMOS管的栅极连接并且共同输入第一共模反馈电压。

本发明的又一个实施例提供了一种GM-C低通滤波器，包括第一跨导器、第二跨导器、第三跨导器、第四跨导器、第一电容、第二电容，其中，

所述第一跨导器、所述第二跨导器、所述第三跨导器、所述第四跨导器中的至少一个采用如本发明实施例中所述的跨导器；

所述第一跨导器的同相输入端连接所述滤波器的第一输入端，所述第一跨导器的反相输入端连接所述滤波器的第二输入端，所述第一跨导器的同相输出端连接所述第二跨导器的同相输出端，所述第一跨导器的反相输出端连接所述第二跨导器的反相输出端；

所述第二跨导器的同相输出端连接所述第三跨导器的同相输入端，所述第二跨导器的反相输出端连接所述第三跨导器的反相输入端；

所述第一电容跨接在所述第二跨导器的同相输出端和反相输出端之间；

所述第三跨导器的同相输出端连接所述第四跨导器的反相输入端，所述第三跨导器的反相输出端连接所述第四跨导器的同相输入端；

所述第四跨导器的同相输出端连接其反相输入端和所述第二跨导器的反相输入端，且所述第四跨导器的同相输出端连接所述滤波器的第一输出端；所述第四跨导器的反相输出端连接其同相输入端和所述第二跨导器的同相输入端，且所述第四跨导器的同相输出端连接所述滤波器的第二输出端；

所述第二电容跨接在所述第四跨导器的同相输出端和反相输出端之间。

在本发明的一个实施例中，所述第一电容为可调电容，所述第二电容为可调电容。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的预失真电路通过采用PMOS管将电压转换为电流、再利用电流-电压转换单元将电流转换为电压的调整方式，使得输入端电压差和输出端电压差满足反双曲正切关系，可以连接在工作在亚阈值区的跨导器之前用来扩展跨导器的输入线性范围，降低跨导单元的功耗，从而有利于GM-C低通滤波器低压低功耗的设计。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为现有技术提供的一种晶体管工作在亚阈值区的输入差分对结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种反双曲正切预失真电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种反双曲正切预失真电路的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的再一种反双曲正切预失真电路的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种跨导器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种跨导器的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种标准180nm CMOS工艺下跨导单元加入反双曲正切预失真电路前后等效跨导与输入差模电压的关系仿真图；

图8为本发明实施例提供的一种GM-C低通滤波器的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种GM-C低通滤波器的信号流示意图；

图10为本发明实施例提供的一种标准180nm CMOS工艺下GM-C低通滤波器的传输特性仿真图；

图11为本发明实施例提供的一种标准180nm CMOS工艺下，截止频率为180.6Hz时GM-C低通滤波器总谐波失真与输入电压之间的关系仿真图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为现有技术提供的一种晶体管工作在亚阈值区的输入差分对结构示意图。图1中，假设晶体管PM10、PM11均工作在于亚阈值区，则根据亚阈值区漏电流和栅源电压的关系有：

在式(1)中，μ为载流子迁移率，W为MOS管的栅宽，L为MOS管的栅长，C_ox为氧化层电容，

k为玻尔兹曼常数，q为单位电荷，T为开氏温度，η为亚阈值斜率，V_GS和V_TH分别为MOS管的栅源电压和阈值电压。

令

则

因此，

所以

又因为I₁+I₂＝I_SS(7)，其中I₁、I₂、I_SS分别表示PM10、PM11和PM12的漏电流，V_GS10，V_GS11分别为PM10和PM11的栅源电压。

所以

输出电流差值：

因此当MOS管工作在亚阈值区时，输出电流与输入差分电压满足双曲正切关系。

而为实现跨导器的低功耗，需使得跨导器的晶体管工作在亚阈值区域，限制了跨导器的输入线性范围。基于上述MOS管工作在亚阈值区时，输出电流与输入差分电压满足双曲正切关系，本实施例提出一种反双曲正切预失真电路以扩展输入差分对工作在亚阈值区的跨导器的输入线性范围，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种反双曲正切预失真电路的结构示意图，该反双曲正切预失真电路包括第一偏置电流单元1、第二偏置电流单元2、第一电阻Rx1、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第一电流-电压转换单元3、第二电流-电压转换单元4。

其中，第一偏置电流单元1连接在电压源Vdd和第一PMOS管PM1的源极之间，第一PMOS管PM1的栅极连接至电压输入端Vin的第一电极，第一电流-电压转换单元3连接在第一PMOS管PM1的漏极和接地端之间；第二偏置电流单元2连接在电压源Vdd和第二PMOS管PM2的源极之间，第二PMOS管PM2的栅极连接至电压输入端Vin的第二电极，第二电流-电压转换单元4连接在第二PMOS管PM2的漏极和接地端之间；第一电阻Rx1连接在第一PMOS管PM1的源极和第二PMOS管PM2的源极之间；第一PMOS管PM1的衬底连接第二PMOS管PM2的衬底且共同连接电压源Vdd；第一电流-电压转换单元3与第一PMOS管PM1的漏极之间连接有第一电压输出端V_D1，第二电流-电压转换单元4与第二PMOS管PM2的漏极之间连接有第二电压输出端V_D2。

在一个具体实施例中，请参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种反双曲正切预失真电路的结构示意图。该预失真电路中，第一偏置电流单元1可以为第一电流源IDC1，第二偏置电流单元2可以为第二电流源IDC2，第一电流-电压转换单元3可以为第一二极管D1，第二电流-电压转换单元4可以为第二二极管D2。图3中，第一电流源IDC1的负极连接电压源Vdd，正极连接第一PMOS管PM1的源极；第二电流源IDC2的负极连接电压源Vdd，正极连接第二PMOS管PM2的源极；第一二极管D1的正极连接第一PMOS管PM1的漏极，负极连接接地端；第二二极管D2的正极连接第二PMOS管PM2的漏极，负极连接接地端。

具体地，图3中的预失真电路的原理为：第一电流源IDC1、第二电流源IDC2的作用为提供稳定的偏置电流，第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第一电阻Rx1共同将电压输入端Vin的输入电压转换为电流即图3中的I1和I2，第一二极管D1、第二二极管D2再将电流I1和I2转换成电压使得第一二极管D1、第二二极管D2的输出电压差Vd和输入电压Vin呈反双曲正切关系。

进一步地，电压输入端Vin的电压为：V_in＝V_GS1-V_GS2+I_XR_X1(11)，如果满足I_XR_X1＞＞V_GS1-V_GS2，则：

I_XR_X1≈V_in (12)

若I_o1＝I_o2＝I_o(16)，则

其中，V_GS1为第一PMOS管PM1的栅源电压，V_GS2为第二PMOS管PM2的栅源电压，I_X为第一电阻Rx1的电流，I_o1为第一电流源IDC1的偏置电流，I_o2为第二电流源IDC2的偏置电流。I₁，I₂分别为流过第一二极管D1和第二二极管D2的电流。

由式(17)可知，第一二极管D1、第二二极管D2的输出电压差V_d和输入电压Vin呈反双曲正切关系。

在另一个具体实施例中，请参见图4，图4为本发明实施例提供的再一种反双曲正切预失真电路的结构示意图。该预失真电路中，第一偏置电流单元1可以为第三PMOS管PM3，第二偏置电流单元2可以为第四PMOS管PM4，PM3、PM4的作用为提供稳定的偏置电流；第一电流-电压转换单元3可以为第一三极管Q1，第二电流-电压转换单元4可以为第二三极管Q2，Q1、Q2的作用为将电流转换成电压使得Q1、Q2的输出电压差Vd和输入电压Vin呈反双曲正切关系。图4中，第三PMOS管PM3的源极和衬底均连接电压源Vdd，第三PMOS管PM3的漏极连接第一PMOS管PM1的源极，第三PMOS管PM3的栅极连接第四PMOS管PM4的栅极且共同输入第一偏置电压Vb1；第四PMOS管PM4的源极和衬底均连接电压源Vdd，第四PMOS管PM4的漏极连接第二PMOS管PM2的源极；第一三极管Q1的发射极连接第一PMOS管PM1的漏极，第一三极管Q1的集电极连接接地端；第二三极管Q2的发射极连接第二PMOS管PM2的漏极，第二三极管Q2的集电极连接接地端；第一三极管Q1的基极连接第二三极管Q2的基极且二者共同连接接地端。

本发明的预失真电路通过PMOS管以及电阻将输入差分电压转换为电流，再通过电流-电压转换单元的调整，使得输入端电压和输出端电压差满足反双曲正切关系，反双曲正切关系的预失真电路可以应用在后级电路例如输入差分对工作在亚阈值区的跨导器之前起到预失真作用，以扩展后级电路的输入线性范围。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例提供了一种线性范围扩展的跨导器。

请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种跨导器的结构示意图。图5中的跨导器由预失真电路5和跨导单元6形成；其中，预失真电路的电路结构请参见实施例一；预失真电路5的电压输入端Vin的第一电极连接跨导器的同相输入端，预失真电路5的电压输入端Vin的第二电极连接跨导器的反相输入端；预失真电路5的第一电压输出端V_D1连接跨导单元6的反相输入端，预失真电路5的第二电压输出端V_D2连接跨导单元6的同相输入端；跨导单元6的同相输出端连接跨导器的同相输出端，跨导单元6的反相输出端连接跨导器的反相输出端。

在一个具体实施例中，请参见图6，图6为本发明实施例提供的另一种跨导器的结构示意图。

图6中，预失真电路采用图4中的预失真电路。

图6中的跨导单元6包括第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第九PMOS管PM9、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4；其中，第五PMOS管PM5的衬底、第六PMOS管PM6的衬底、第七PMOS管PM7的衬底、第八PMOS管PM8的衬底和第九PMOS管PM9的衬底均连接至电压源Vdd，第五PMOS管PM5的源极、第八PMOS管PM8的源极和第九PMOS管PM9的源极均连接电压源Vdd，第五PMOS管PM5的栅极输入第二偏置电压Vb2，第六PMOS管PM6的源极连接至第七PMOS管PM7的源极和第五PMOS管PM5的漏极；第六PMOS管PM6的栅极连接预失真电路5的第一电压输出端V_D1，第七PMOS管PM7的栅极连接预失真电路5的第二电压输出端V_D2，第六PMOS管PM6的漏极连接至第一NMOS管NM1的漏极，第一NMOS管NM1的漏极连接至其栅极，第七PMOS管PM7的漏极连接至第二NMOS管NM2的漏极，第二NMOS管NM2的漏极连接至其栅极，第三NMOS管NM3的栅极连接至第一NMOS管NM1的栅极，第四NMOS管NM4的栅极连接至第二NMOS管NM2的栅极；第一NMOS管NM1的衬底和源极均连接接地端，第二NMOS管NM2的衬底和源极均连接接地端，第三NMOS管NM3的衬底和源极均连接接地端，第四NMOS管NM4的衬底和源极均连接接地端；第三NMOS管NM3的漏极连接至第八PMOS管PM8的漏极和跨导器的反相输出端，第四NMOS管NM4的漏极连接至第九PMOS管PM9的漏极和跨导器的同相输出端；第八PMOS管PM8的栅极与第九PMOS管PM9的栅极连接并且共同输入第一共模反馈电压VCMFB1。

请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种标准180nm CMOS工艺下跨导单元加入反双曲正切预失真电路前后等效跨导与输入差模电压的关系仿真图。从图7中可以看出，跨导单元之前加入反双曲正切预失真电路后器输入线性范围有明显的扩展。

本实施例中，在跨导单元之前反双曲正切预失真电路，使得输入差分对工作在亚阈值区的跨导器的输入线性范围得到扩展，进而可以降低跨导器的功耗。

实施例三

在实施例一和实施例二的基础上，本实施例提供了一种低功耗的GM-C低通滤波器。

请参见图8，图8为本发明实施例提供的一种GM-C低通滤波器的结构示意图。该GM-C低通滤波器包括第一跨导器GM1、第二跨导器GM2、第三跨导器GM3、第四跨导器GM4、第一电容C1、第二电容C2。其中，第一跨导器GM1、第二跨导器GM2、第三跨导器GM3、第四跨导器GM4中的至少一个采用如实施例二的跨导器，优选的，四个跨导器的结构相同，均采用实施例二中的跨导器以最大程度的减小滤波器的功耗。

进一步地，第一跨导器GM1的同相输入端连接滤波器的第一输入端，第一跨导器GM1的反相输入端连接滤波器的第二输入端，第一跨导器GM1的同相输出端连接第二跨导器GM2的同相输出端，第一跨导器GM1的反相输出端连接第二跨导器GM2的反相输出端；第二跨导器GM2的同相输出端连接第三跨导器GM3的同相输入端，第二跨导器GM2的反相输出端连接第三跨导器GM3的反相输入端；第一电容C1跨接在第二跨导器GM2的同相输出端和反相输出端之间；第三跨导器GM3的同相输出端连接第四跨导器GM4的反相输入端，第三跨导器GM3的反相输出端连接第四跨导器GM4的同相输入端；第四跨导器GM4的同相输出端连接其反相输入端和第二跨导器GM2的反相输入端且连接滤波器的第一输出端，第四跨导器GM4的反相输出端连接其同相输入端和第二跨导器GM2的同相输入端且连接滤波器的第二输出端；第二电容C2跨接在第四跨导器GM4的同相输出端和反相输出端之间。

优选的，第一电容C1、第二电容C2均采用可调电容，可以通过调节可调电容的电容值，改变滤波器的截止频率，从而用于检测不同类型的生物电信号。

在一个具体实施例中，当四个跨导器的结构均采用实施例二中的跨导器、两个电容均采用可调电容时，该滤波器的信号流如图9所示，图9为本发明实施例提供的一种GM-C低通滤波器的信号流示意图。根据图9中的信号流，结合梅森公式可写出该滤波器的传输函数：

从而得到该滤波器的截止频率为：

由于不同类型的生物信号的频率范围有差异，因此为了检测多种生物信号滤波器的截止频率将电容设置为可调电容。请参见图10，图10为本发明实施例提供的一种标准180nm CMOS工艺下GM-C低通滤波器的传输特性仿真图。图10中，通过改变不同的电容值改变滤波器的截止频率检测不同类型的生物信号；四个截止频率从低至高依次为180.6Hz、231.4Hz、349.5Hz、676.2Hz。图10表明，本实施例的滤波器可以在低功耗的条件下实现多种生物信号的检测。

请参见图11，图11为本发明实施例提供的一种标准180nm CMOS工艺下，截止频率为180.6Hz时GM-C低通滤波器总谐波失真与输入电压之间的关系仿真图。图11中，输入信号为幅度变化，频率为50Hz的正弦波，由图知V_pp[email protected]％THD即总谐波失真是百分之一的时候输入电压峰峰值是220mV，可见预失真电路的加入扩展了滤波器的输入线性范围。

本实施例中，将加入预失真电路的输入线性范围扩展的跨导器应用在GM-C低通滤波器中，扩展了GM-C低通滤波器的输入线性范围，从而有利于滤波器的低压低功耗的实现。

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。