一种适用于心电信号检测的高阶连续时间OTA-C滤波器设计*

段吉海，郝强宇，徐卫林，韦保林

(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004)



一种适用于心电信号检测的高阶连续时间OTA-C滤波器设计*

段吉海，郝强宇，徐卫林*，韦保林

(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004)

摘要:提出一种适合心电信号(ECG)检测的OTA-C滤波器。为了达到低功耗、低截止频率、高直流增益、高阻带衰减、低谐波失真的目的，滤波器采用五阶巴特沃斯全差分低通滤波结构和高增益的两级单端输出OTA，其中OTA电路采用亚阈值区驱动、电流分流和源极负反馈等技术。采用SMIC 0.18-μm 1P6M CMOS工艺进行电路、版图设计及优化。仿真结果表明，滤波器在静态功耗为17.6 μW，截止频率为240 Hz，直流增益为－6 dB，阻带衰减大于72 dB每五倍频，三次谐波失真小于－62 dB在400 mV时，适合应用于心电信号检测模拟前端。

关键词:低通滤波器;心电信号检测; OTA-C;亚阈值区;源极负反馈

随着生物医学的发展和心脏疾病的发病率不断上升，心电信号检测变的尤为重要。心电信号具有幅度低、频率低、信噪比低的特点。信号幅度在0.5 mV 到4 mV之间，经过前置运放放大后约为50 mV～400 mV，频率在0.1 Hz到250 Hz之间［1］。基本的心电信号检测模拟前端主要包括前置运放、低通滤波器、PGA、ADC［2］。本文主要研究其中的低通滤波器。

低通滤波器作为心电信号检测模拟前端的重要部分，可以有效地滤除有用心电信号以外的噪声。一些文献采用斩波技术［3］或嵌套斩波技术［4］来设计前置放大器以将低频1/f噪声调制到高频，然后通过低通滤波器消除这些高频噪声。这就要求设计的滤波器具有低截止频率、高阻带衰减、低谐波失真等特点;同时，从现代心电监测设备的无线便携需求考虑，电路还需兼顾低功耗与较小的芯片面积。

在多种滤波器结构中，开关电容滤波器虽然适合工作在低频，但是其电容面积过大，开关消耗额外的功耗，并且时钟馈通效应导致动态范围减小; MOSFET-C连续时间滤波器的MOS电阻存在着严重的非线性效应;而OTA-C连续时间滤波器集成度最高、电容很小、适用性也较强，成为近年来心电信号检测模拟前端设计的研究热点。

在低跨导值OTA-C滤波器设计中，有电流分流、浮栅级、衬底驱动等多种技术，相应的性能也被深入研究［5］。文献［6］中提出一种采用电流分流和电流抵消技术的低通滤波器，滤波器工作在亚阈值区，具有低功耗、低噪声、高动态范围等特点，适用于生物医学，但是由于是单端结构，二次谐波失真较大;文献［7－10］提出的全差分结构消除了二次谐波失真，并针对该结构进行了详细的理论分析，在此基础上设计了完整的心电信号检测模拟前端，取得了较好的测试结果;文献［11］中提出了一种差分输入单端输出OTA，并将其转化为全差分滤波器，无需共模反馈电路，并使用了电容倍乘电路达到了较宽的跨导调节范围。但是，后两种电路都采用了电流抵消技术，其中的局部正反馈结构会使电路对MOS管的失配十分敏感［12］。

本文在上述要求和研究的基础上，提出一种适合心电信号(ECG)检测的低功耗、低截止频率、高直流增益、高阻带衰减、低谐波失真的OTA-C滤波器。该滤波器采用新的两级OTA、单端输出和源极负反馈结构，以使电路在无需采用电流抵消技术的情况下，也能得到更低的恒定跨导值、更宽的线性范围、更低的通带衰减和谐波失真。

1　滤波器结构

为了获得更好的通带平坦度，以及适应斩波前置运放的高阻带衰减需求，本文采用五阶巴特沃斯滤波器，截止频率选择为250 Hz左右。滤波器结构如图1所示，其等效RLC模型如图2所示。利用本文的低等效跨导值OTA结构和差分结构的双倍等效电容效应，无需电容倍乘电路，即可满足设计要求的，甚至更低的截止频率。

图1　五阶全差分巴特沃斯低通滤波器结构

图2　等效RLC无源滤波器结构

2　OTA设计

一般的低跨导值OTA如图3所示［8］。这种OTA工作在亚阈值区，采用电流分流、电流抵消技术，达到低跨导值的设计要求，跨导为:

式中:M、N分别为MM、MN管的并联数量，gMR代表MR管的小信号漏源跨导，其值为:

式中:vSG、vSD分别为MR管的栅源电压和漏源电压。

图3　一般低跨导值OTA结构

而系统的三次谐波失真为［8］:

式中:φF为费米势，γ代表一个带单位的负数。由式(3)可以看出，vSG减小时，跨导减小，谐波失真增加;增大时，跨导增加，谐波失真减小;二者相互制约。同时，由于OTA为单级结构，输出阻抗较低，最终获得的滤波器直流增益较低。

在此基础上，本文提出的OTA结构如图4所示。OTA工作在亚阈值区，第1级采用全差分结构，通过不同并联数的MM、MN将电流分流，源极负反馈采用两个截止区PMOS串联，得到了更小的跨导值和更宽的线性范围;第2级采用Cascode结构的共源极电路和电流镜将差分输出转换为单端输出，增加输出阻抗，得到了更小的通带衰减，即更高的直流增益。

图4　本文提出的低跨导值OTA结构

为了更好的说明本文OTA与上述其他OTA的区别，下面将进行理论分析。由于多种非理想效应，P沟道电流公式可表示为［13］:

式中:

将式(4)中vSD的3/2次方项用泰勒级数展开后，可得到:

本文中作为源极负反馈的PMOS管工作在截止区，VSG约等于0，因此一次项系数a0≈－Vth，与上述其他OTA相比具有更好的线性度与线性范围。另外，系统的三次谐波失真可表示为:

由式(6)可以看出，三次谐波失真不再受vSG的制约，又由于PMOS工作在截止区，具有很小的跨导，因此本文可通过优化得到一个低等效跨导值低谐波失真的OTA电路。

3　结果与分析

本电路在SMIC 0.18-μm 1P6M CMOS工艺下设计、优化与仿真，版图如图5所示，芯片面积(不包含ESD与Pad)约为0.15 mm2。电源电压为1.8 V，总功耗为17.6 μW。

图5　滤波器的版图

图6显示了在近似的条件下，一般OTA与本文提出的OTA的跨导与电流曲线图。从图6(a)可以看出，一般OTA线性范围在300 mV左右，没有达到心电信号400 mV的幅度要求，而在图6(b)中，本文提出的OTA具有更宽的跨导线性范围(－1 V～+1 V)，满足了400 mV的幅度要求，且线性度也更好。图7显示了在不同M:N下，OTA跨导值的变化情况，其中M、N分别为图4中MM、MN管的并联数。图中跨导值有较宽的变化范围，为0.2 nA/V～13.0 nA/V，而且能保持良好的线性度，说明本滤波器根据用途需要可改进为截止频率可调型滤波器。

图6　OTA的跨导与输出电流曲线

图7　不同M:N时OTA跨导的变化

图8显示了滤波器的频率特性。从图中看到，截止频率为240 Hz，直流增益为－6 dB，在1 kHz时有72.4 dB衰减。

图8　滤波器的频率特性

图9显示了在900 mV共模电压下，分别输入100 Hz频率、100 mV幅值信号和100 Hz频率、400 mV幅值信号时，滤波器的谐波失真。可以看出虽然OTA为单端输出结构，但滤波器仍然有很小的二次谐波失真;同时，图9(a)表明在输入信号为100 mV时，三次谐波失真仅为－77 dB，在图9(b)中，有很大的输入信号幅度(400 mV)的情况下，三次谐波失真仍然较小，为－62 dB。

图9　滤波器的谐波失真

表1列出了本文设计的OTA-C滤波器的性能参数与其他参考文献研究结果的对比。可以看出，本文设计的滤波器在较小的芯片面积下，有着较高的直流增益、阻带衰减和较低的谐波失真，综合指标也与相关文献有较好的可比性。

表1　本文提出的滤波器与参考文献中滤波器的对比

4　结论

本文提出的高阶连续时间OTA-C滤波器采用了单端输出两级OTA结构和新的源极负反馈结构。电路在SMIC 0.18-μm 1P6M CMOS工艺下设计，芯片面积仅为0.15 mm2。运放工作在1.8 V电源电压下，功耗为17.6 μW，截止频率为240 Hz，直流增益为－6 dB，阻带衰减大于72 dB每五倍频，三次谐波失真小于－62 dB@400 mV，具有低功耗、低截止频率、高直流增益、高阻带衰减、低谐波失真的特点，满足心电信号检测和前置斩波运放的要求。

该滤波器的设计只针对于特定频率的心电信号检测，因此截止频率固定为240 Hz，在后续的研究中可根据需要将此类滤波器改进为截止频率可调的滤波器。

参考文献:

［1］Webster J G.Medical Instrumentation:Application and Design ［M］.New York:Wiley，1995.

［2］Liu Xin，Yuanjin Zheng，Myint Wai Phyu，et al.An Ultra-Low Power ECG Acquisition and Monitoring ASIC System for WBAN Applications［J］.IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems，2012，2(1):60－70.

［3］张云福，吕梦琴，罗亮，等.电容式微机械陀螺仪信号检测电路［J］.传感技术学报，2013，26(6):878－882.

［4］杨银堂，贺斌，朱樟明.CMOS斩波稳定放大器的分析与研究［J］.电子器件，2005，28(1):167－171.

［5］Anand Veeravalli，Edgar Sánchez-Sinencio，José Silva-Martínez.Transconductance Amplifier Structures with Very Small Transconductances:A Comparative Design Approach［J］.IEEE J Solid State Circuits，2002，37(6):770－775.

［6］Sergio Solís-Bustos，José Silva-Martínez，Franco Maloberti，et al.A 60-dB Dynamic-Range CMOS Sixth-Order 2.4-Hz Low-Pass Filter for Medical Applications［J］.IEEE Transactions on Circuits andSystems，2000，42(12):1391－1398.

［7］Lee Shuenn-Yuh，Cheng Chih-Jen，Wang Cheng-Pin，et al.Low-Power Signal Processing Devices for Portable ECG Detection ［C］//30th Annual International IEEE EMBS Conference.Vancouver，2008:1683－1686.

［8］Lee Shuenn-Yuh，Cheng Chih-Jen.Systematic Design and Modeling of a OTA-C Filter for Portable ECG Detection［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems，2009，3(1):53－63.

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［11］Chen Chang-Hao，Mak Pui-In，Zhang Tan-Tan，et al.A 2.4 Hz-to-100 kHz-Tunable Biopotential Filter Using a Novel Capacitor Multiplier［C］//Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in Microelectronics and Electronics.Shanghai，2009:372－375.

［12］Silva-Martinez J，Salcedo-Suiier J.IC Voltage to Current; Transducers with Very Small Transconductaince［J］.Analog Integrated Circuits and Signal processing，1997，13:285－293.

［13］Laker K R，Sansen W M C.Design of Analog Integrated Circuits and Systems［M］.New York:McGraw-Hill，1994.

段吉海(1964－)，男，汉族，广西桂林人，博士，桂林电子科技大学信息与通信学院教授，研究生导师，主要从事射频集成电路研究，djh@guet.edu.cn;

徐卫林(1976－)，男，汉族，湖南邵阳人，博士，桂林电子科技大学信息与通信学院副教授，研究生导师，主要从事集成电路研究，xwl@guet.edu.cn。

郝强宇(1989－)，男，汉族，河南南阳人，桂林电子科技大学信息与通信学院硕士生，主要从事集成电路研究，113263709@qq.com;

Realizationof SOI Fully Intergrated HighlyLinearity Gm－C Filter for Temperature Compensation

SUN Shulong，LIN Min
(The Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of ChineseAcademy of Sciences，Shanghai 200050，China)

Abstract:A fully differential Operational Amplifier is proposed，which is adopted the voltage feedback technology to stablize the common mode output voltage，the Vthcan be adjusted according to the substrate bias on the input differential pairs，resulting in the change of the Gm of the amplifier as well as the cut-off frequency of the filter，which can be untilized to compensate the frequency offset caused by the temperature fly.The 3th order Chebyshev low pass filter is complemented on the 0.13 μm SOI GSMC technics，source voltage is 1.2 V and consists of 6 layermetals.The filter can achieve 0 dB voltage gain in the pass-band，8 MHz cut-off frequency－1 dB gain and 35 dB attenuation at 38 MHz，the ripple within band achieves 0.5 dB，when 1 MHz，400 mV Vpp sine signal applied into the circuit，the THD can reach－57 dB，and consumes 7 mW power from the source，In special application，it takes remarkable advantage.

Key words:Gm－C filter; threshold voltage offset; substrate bias; temperature compensation

doi:EEACC:1270; 7320R10.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.013

收稿日期:2014－10－10修改日期:2014－11－01

中图分类号:TN713

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0774－05

项目来源:国家自然科学基金项目(61161003，61264001，61166004);广西自然科学基金项目(2013GXNSFAA019333)