CN101226936A - 开关电流小波变换器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关电流小波变换器件。它采用函数逼近的系统算法，根据小波函数的特征参数构造小波最优逼近网络，将基本小波函数综合为有理分式之和，在半导体衬底上制作一列开关电流并联滤波器组及其外围电路实现该基本小波函数滤波器，将小波函数滤波器按常规半导体器件工艺封装。本发明与已有开关电流模拟小波变换器件相比，本发明的系统逼近精度高，小波变换实现误差小，性能稳定，故障率低，不同信道间的尺度关系恒定；根据本发明所采用的并联电路处理速度以及串联电路的最快速度，本发明的反应速度随着电路复杂度的增加比已有开关电流模拟小波变换器件快两个数量级以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种小波变换器件，特别涉及一种集成电路开关电流小波变换器件。
背景技术
小波变换器件分为数字型和模拟型两大类。由于数字型小波变换器件具有制作工艺复杂、生产成本高、功耗及运算量大、不适于实时应用等缺点，近些年来人们开始致力于小波变换模拟器件实现的研究。已出现的模拟小波变换器件主要包括连续时间模拟小波变换器件如声表面波器件和开关型模拟小波变换器件如开关电容及开关电流器件。连续时间模拟小波变换器件在实现不同尺度的小波变换时具有设计工作量大、实现过程复杂且小波实现种类单一等缺点；而开关电容小波变换器件则具有电路动态范围小、高频性能差且与标准CMOS工艺不兼容、不易集成等不足。利用开关电流器件的电流域模拟取样特性，通过构造冲激响应分别为基本小波函数及其膨胀函数的开关电流滤波器组来实现信号的小波变换，可克服上述模拟小波变换器件的不足。已有开关电流小波变换器件是利用Padé变换得到基本小波函数的有理分式逼近，再采用开关电流串联滤波器组逼近实现该基本小波函数滤波器，同时通过控制该滤波器的时钟频率精确实现模拟信号的小波变换，但这种小波变换器件存在逼近精度低、小波变换实现误差大、器件稳定性不强、处理速度慢、故障率高、不同信道的尺度关系难以维持等缺点。
发明内容
为了克服已有开关电流小波变换器件存在的上述技术问题，本发明提供一种处理速度快、动态范围大、电路实现误差小、故障率低、性能稳定、制作简单、用途广泛的开关电流小波变换器件。
本发明解决上述技术问题采用的解决方案是::采用函数逼近的系统算法，根据小波函数的特征参数构造小波最优逼近网络，将基本小波函数综合为有理分式之和，在半导体衬底上制作一列开关电流并联滤波器组及其外围电路实现该基本小波函数滤波器，通过调节该基本小波函数滤波器的时钟频率实现不同尺度的小波函数滤波器从而精确实现信号的小波变换。
上述的开关电流小波变换器件中，所述一列开关电流并联滤波器组及其外围电路为在P型衬底上制作六个第二代开关电流双二次滤波器构成的并联滤波器组，每个滤波器左侧设置一个输入电流镜，输入电流镜决定输入信号的权重，输入电流镜的左侧设置输入信号导流器，滤波器级间电流的权重由级间输出MOS晶体管的沟道宽长比定标。
上述的开关电流小波变换器件中，所述一列开关电流并联滤波器组及其外围电路为在P型衬底上制作5个第二代开关电流双二次滤波器和一个开关电流双线性映射有损积分器构成的并联滤波器组，每个滤波器左侧设置一个输入电流镜，输入电流镜决定输入信号的权重，输入电流镜的左侧设置输入信号导流器，滤波器级间电流的权重由级间输出MOS晶体管的沟道宽长比定标。
上述的开关电流小波变换器件中，所说的开关电流双二次滤波器由电流延迟单元级联组成，其互连开关由CMOS传输门实现，级间电流权重由级间输出MOS晶体管的沟道宽长比定标，输入信号分别为输入电流镜输出的三个不同权重的电流信号。
上述的开关电流小波变换器件中，所述的开关电流双线性映射有损积分器由电流延迟单元级联组成，其互连开关由CMOS传输门实现，级间电流权重由级间输出MOS晶体管的沟道宽长比定标，输入信号分别为输入电流镜输出的两个不同权重的电流信号。
上述的开关电流小波变换器件中，所述的输入信号导流器采用MOS管电流镜的并联结构，为各个输入电流镜提供等幅输入信号，其MOS晶体管的沟道宽长比均相同。
上述的开关电流小波变换器件中，所述的开关电流双二次滤波器对应的输入电流镜是三组MOS管电流镜的并联结构，所述的开关电流双线性映射有损积分器对应的输入电流镜是两组MOS管电流镜的并联结构。
上述的开关电流小波变换器件中，所述的输入电流镜中各组MOS管电流镜分别由单个MOS管电流镜或者两个MOS管电流镜级联组成；输入信号的不同权重通过调节各组MOS管电流镜的输出MOS管沟道宽长比决定。
上述的新型开关电流小波变换器件中，所述的输入信号导流器、输入电流镜、开关电流滤波器组的偏置电流源采用共源共栅结构P沟道电流源。
本发明的技术效果在于：1)根据本发明的延迟以及数字型小波变换器件的最快速度，对一维数字信号进行小波变换，根据A/D和D/A的延迟，速度能够达到三个数量级，对一维模拟信号进行小波变换，本发明的发应速度比数字型小波变换器件快四个数量级以上，对于二维信号本发明的反应速度比数字型小波变换器件快六个数量级。2)根据本发明所采用的开关电流器件的取样特性，只需设计基本小波函数滤波器，调节该器件的时钟频率即可精确实现不同尺度的小波变换，本发明的电路制作简单，器件面积小、设计工作量轻，具有可复制性。3)根据本发明所采用的开关电流器件的电流模型特性，具有高频性能好，动态范围大的优点，不需要线性浮置电容和电压运算放大器且与VLSI工艺兼容，器件面积小、适于低电压低功耗大规模集成。4)本发明采用系统函数逼近算法和开关电流电路并联结构，具有系统逼近精度高，小波变换实现误差小，性能稳定，故障率低的优点。
本发明可采用标准数字CMOS工艺制作，它具有处理速度快、动态范围大、电路实现误差小、故障率低、性能稳定、制作简单、器件面积小、用途广泛等优点，可应用于军事科学诸如雷达频谱分析，军事电子对抗与武器智能化；信息科学诸如信号处理与图像分析，信号检测与特征提取；工程技术如大型机械与电力设备的状态监控和故障诊断等众多领域。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明中开关电流双二次滤波器的结构示意图
图3是本发明实施例2的结构示意图。
图4是本发明中开关电流双线性映射有损积分器的结构示意图。
具体实施方式
第一个实施例。在图1中，本实施例的开关电流小波变换器件是用光刻工艺在P型衬底上制作一列由六个滤波器构成的并联滤波器组，从上至下分别为六个第二代开关电流双二次滤波器，排列在每个滤波器左侧的是实现输入信号权重的输入电流镜。本实施例的输入电流镜左侧为输入信号导流器。本实施例的偏置电流源均采用共源共栅结构P沟道电流源。本实施例的开关电流小波变换器件采用标准数字CMOS工艺制成，时钟频率设置为5Hz，六个滤波器制作在P型衬底上后，按常规半导体器件工艺封装。
图2是本实施例的开关电流双二次滤波器的通用结构示意图。在图2中，器件采用两相时钟1，2，互连开关用CMOS传输门完成，其沟道宽长比为19.8μm/1.2μm。系数α2，α3，α4为滤波器级间电流权重，由级间输出MOS晶体管的沟道宽长比定标。系数α1，α5，α6为输入电流信号的权重，由输入电流镜完成定标。
本实施例的输入信号导流器1是六个MOS管电流镜的垂直排列，分别为六个输入电流镜提供等幅输入信号，电流镜的MOS管沟道宽长比均为72.6μm/3.6μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器3的输入电流镜2是三组在垂直方向上顺序排列的MOS管电流镜，对导流器的输出信号进行权重定标。排列在上面的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α5的定标，其输出MOS管沟道宽长比为2.6μm/2.4μm。排列在中间的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α6的定标，其输出MOS管沟道宽长比为2.7μm/2.4μm。排列在下面的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α1的定标，其输出MOS管沟道宽长比为5.2μm/4.8μm。三组电流镜的其余MOS管的沟道宽长比均为96μm/1.2μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器3的MOS管M3的沟道宽长比为5.1μm/4.8μm，完成α3的定标。MOS管M7的沟道宽长比为59.9μm/1.2μm，完成α2的定标。MOS管M8的沟道宽长比为9.4μm/4.8μm，完成α4的定标。滤波器的其余MOS管的沟道宽长比均为24.9μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器5的输入电流镜4是三组在垂直方向上顺序排列的MOS管电流镜。排列在上面的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α5的定标，其输出MOS管沟道宽长比为4.9μm/1.2μm。排列在中间的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α6的定标，其输出MOS管沟道宽长比为8.7μm/4.8μm。排列在下面的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α1的定标，其输出MOS管沟道宽长比为11.6μm/1.2μm。三组电流镜的其余MOS管的沟道宽长比均为96μm/1.2μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器5的级间定标MOS管M3、M7和M8的沟道宽长比分别为5.1μm/4.8μm、78.1μm/1.2μm和19.6μm/4.8μm。滤波器的其余MOS管的沟道宽长比均为49.8μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器7的输入电流镜6是三组在垂直方向上顺序排列的MOS管电流镜。排列在上面的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α5的定标，其输出MOS管沟道宽长比为22.0μm/4.8μm。排列在中间的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α6的定标，其输出MOS管沟道宽长比为15.9μm/4.8μm。排列在下面的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α1的定标，其输出MOS管沟道宽长比为19.7μm/4.8μm。三组电流镜的其余MOS管的沟道宽长比均为96μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器7的级间定标MOS管M7和M8的沟道宽长比分别为19.3μm/4.8μm和19.9μm/4.8μm。滤波器的其余MOS管的沟道宽长比均为49.8μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器9的输入电流镜8是三组在垂直方向上顺序排列的MOS管电流镜。排列在上面的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α5的定标，其输出MOS管沟道宽长比为72.1μm/4.8μm。排列在中间的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α6的定标，其输出MOS管沟道宽长比为15.6μm/4.8μm。排列在下面的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α1的定标，其输出MOS管沟道宽长比为81.8μm/4.8μm。三组电流镜的其余MOS管的沟道宽长比均为96μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器9的级间定标MOS管M7和M8的沟道宽长比分别为10.7μm/4.8μm和19.7μm/4.8μm。滤波器的其余MOS管的沟道宽长比均为49.8μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器11的输入电流镜10是三组在垂直方向上顺序排列的MOS管电流镜。排列在上面的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α5的定标，其输出MOS管沟道宽长比为59.0μm/1.2μm。排列在中间的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α6的定标，其输出MOS管沟道宽长比为28.3μm/1.2μm。排列在下面的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α1的定标，其输出MOS管沟道宽长比为45.3μm/1.2μm。三组电流镜的其余MOS管的沟道宽长比均为96μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器11的级间定标MOS管M3、M7和M8的沟道宽长比分别为5.1μm/4.8μm、17.5μm/4.8μm和17.7μm/4.8μm。滤波器的其余MOS管的沟道宽长比均为49.8μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器13的输入电流镜12是三组在垂直方向上顺序排列的MOS管电流镜。排列在上面的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α5的定标，其输出MOS管沟道宽长比为20.4μm/1.2μm。排列在中间的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α6的定标，其输出MOS管沟道宽长比为8.9μm/1.2μm。排列在下面的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α1的定标，其输出MOS管沟道宽长比为52.0μm/1.2μm。三组电流镜的其余MOS管沟道宽长比均为48μm/9.6μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器13的级间定标MOS管M3、M7和M8的沟道宽长比分别为5.1μm/4.8μm、49.0μm/4.8μm和19.0μm/4.8μm。滤波器的其余MOS管的沟道宽长比均为49.8μm/4.8μm。
参见图3，图3为本发明实施例2的结构图。和实施例1相比，本实施例用一个开关电流双线性映射有损积分器14代替了实施例1的开关电流双二次滤波器13。本实施例的偏置电流源和输入信号导流器的电路结构、所用材料、MOS管沟道宽长比均与第一个实施例相同。本实施例的开关电流双二次滤波器的互连开关的工艺参数与第一个实施例相同。本实施例的开关电流小波变换器件采用标准数字CMOS工艺制成，时钟频率设置为5Hz，六个滤波器制作在P型衬底上后，按常规半导体器件工艺封装。
图4是本实施例的开关电流双线性映射有损积分器的通用结构示意图。在图4中，器件采用两相时钟，互连开关用CMOS传输门完成，其工艺参数与开关电流双二次滤波器的开关电路工艺参数相同。系数α4为器件级间电流权重，由级间输出MOS管的沟道宽长比定标。系数2/α为输入电流信号的权重，由输入电流镜完成定标。
本实施例的开关电流双二次滤波器3的输入电流镜2是三组在垂直方向上顺序排列的MOS管电流镜。排列在上面的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α5的定标，其输出MOS管沟道宽长比为2.7μm/2.4μm。排列在中间的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α6的定标，其输出MOS管沟道宽长比为2.6μm/2.4μm。排列在下面的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α1的定标，其输出MOS管沟道宽长比为10.1μm/1.2μm。三组电流镜的其余MOS管的沟道宽长比均为96μm/1.2μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器3的MOS管M3的沟道宽长比为5.0μm/4.8μm，完成α3的定标。MOS管M7的沟道宽长比为51.3μm/1.2μm，完成α2的定标。MOS管M8的沟道宽长比为8.0μm/4.8μm，完成α4的定标。滤波器的其余MOS管的沟道宽长比均为24.9μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器5的输入电流镜4是三组在垂直方向上顺序排列的MOS管电流镜。排列在上面的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α5的定标，其输出MOS管沟道宽长比为16.5μm/4.8μm。排列在中间的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α6的定标，其输出MOS管沟道宽长比为8.9μm/4.8μm。排列在下面的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α1的定标，其输出MOS管沟道宽长比为26.5μm/4.8μm。三组电流镜的其余MOS管的沟道宽长比均为96μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器5的级间定标MOS管M3、M7和M8的沟道宽长比分别为5.1μm/4.8μm、64.4μm/1.2μm和16.1μm/4.8μm。滤波器的其余MOS管的沟道宽长比均为49.8μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器7的输入电流镜6是三组在垂直方向上顺序排列的MOS管电流镜。排列在上面的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α5的定标，其输出MOS管沟道宽长比为7.2μm/4.8μm。排列在中间的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α6的定标，其输出MOS管沟道宽长比为14.5μm/4.8μm。排列在下面的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α1的定标，其输出MOS管沟道宽长比为43.4μm/4.8μm。三组电流镜的其余MOS管的沟道宽长比均为96μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器7的级间定标MOS管M7和M8的沟道宽长比分别为15.0μm/4.8μm和15.5μm/4.8μm。滤波器的其余MOS管的沟道宽长比均为49.8μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器9的输入电流镜8是三组在垂直方向上顺序排列的MOS管电流镜。排列在上面的一组电流镜为单个MOS管电流镜的级连，完成α5的定标，其输出MOS管沟道宽长比为27.3μm/1.2μm。排列在中间的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α6的定标，其输出MOS管沟道宽长比为41.2μm/4.8μm。排列在下面的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α1的定标，其输出MOS管沟道宽长比为54.0μm/4.8μm。三组电流镜的其余MOS管的沟道宽长比均为96μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器9的级间定标MOS管M7和M8的沟道宽长比分别为7.5μm/4.8μm和14.2μm/4.8μm。滤波器的其余MOS管的沟道宽长比均为49.8μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器11的输入电流镜10是三组在垂直方向上顺序排列的MOS管电流镜。排列在上面的一组电流镜为单个MOS管电流镜，完成α5的定标，其输出MOS管沟道宽长比为95.9μm/4.8μm。排列在中间的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α6的定标，其输出MOS管沟道宽长比为45.8μm/4.8μm。排列在下面的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，完成α1的定标，其输出MOS管沟道宽长比为8.5μm/4.8m。三组电流镜的其余MOS管的沟道宽长比均为96μm/4.8μm。
本实施例的开关电流双二次滤波器11的级间定标MOS管M7和M8的沟道宽长比分别为2.6μm/2.4μm和11.7μm/2.4μm。滤波器的其余MOS管的沟道宽长比均为49.8μm/2.4μm。
本实施例的开关电流双线性映射有损积分器13的输入电流镜12是两组在垂直方向上顺序排列的MOS管电流镜。排列在上面的一组电流镜为单个MOS管电流镜，排列在下面的一组电流镜为两个MOS管电流镜的级联，两组电流镜的输出MOS管沟道宽长比均为1.6μm/1.2μm。两组电流镜的其余MOS管的沟道宽长比均为96μm/1.2μm。
本实施例的开关电流双线性映射有损积分器13的级间定标MOS管M4的沟道宽长比为4.9μm/1.2μm。滤波器的其余MOS管的沟道宽长比均为96μm/1.2μm。
Claims (10)
1.开关电流小波变换器件，其特征在于：采用函数逼近的系统算法，根据小波函数的特征参数构造小波最优逼近网络，将基本小波函数综合为有理分式之和，在半导体衬底上制作一列开关电流并联滤波器组及其外围电路实现该基本小波函数滤波器，通过调节该基本小波函数滤波器的时钟频率实现不同尺度的小波函数滤波器从而精确实现信号的小波变换。
2.根据权利要求1所述的开关电流小波变换器件，其特征在于：所述一列开关电流并联滤波器组及其外围电路为在P型衬底上制作六个第二代开关电流双二次滤波器构成的并联滤波器组，每个滤波器左侧设置一个输入电流镜，输入电流镜决定输入信号的权重，输入电流镜的左侧设置输入信号导流器，滤波器级间电流的权重由级间输出MOS晶体管的沟道宽长比定标。
3.根据权利要求1所述的开关电流小波变换器件，其特征在于：所述一列开关电流并联滤波器组及其外围电路为在P型衬底上制作5个第二代开关电流双二次滤波器和一个开关电流双线性映射有损积分器构成的并联滤波器组，每个滤波器左侧设置一个输入电流镜，输入电流镜决定输入信号的权重，输入电流镜的左侧设置输入信号导流器，滤波器级间电流的权重由级间输出MOS晶体管的沟道宽长比定标。
4.根据权利要求2或3所述的开关电流小波变换器件，其特征在于：所说的开关电流双二次滤波器由电流延迟单元级联组成，其互连开关由CMOS传输门实现，级间电流权重由级间输出MOS晶体管的沟道宽长比定标，输入信号分别为输入电流镜输出的三个不同权重的电流信号。
5.根据权利要求3所述的开关电流小波变换器件，其特征在于：所说的开关电流双线性映射有损积分器由电流延迟单元级联组成，其互连开关由CMOS传输门实现，级间电流权重由级间输出MOS晶体管的沟道宽长比定标，输入信号分别为输入电流镜输出的两个不同权重的电流信号。
6.根据权利要求2或3所述的开关电流小波变换器件，其特征在于：所述的输入信号导流器采用MOS管电流镜的并联结构，为各个输入电流镜提供等幅输入信号，其MOS晶体管的沟道宽长比均相同。
7.根据权利要求3所述的开关电流小波变换器件，其特征在于：所述的开关电流双二次滤波器对应的输入电流镜是三组MOS管电流镜的并联结构。
8.根据权利要求3所述的开关电流小波变换器件，其特征在于：所述的开关电流双线性映射有损积分器对应的输入电流镜是两组MOS管电流镜的并联结构。
9.根据权利要求7或8所述的开关电流小波变换器件，其特征在于：所述的输入电流镜中各组MOS管电流镜分别由单个MOS管电流镜或者两个MOS管电流镜级联组成；输入信号的不同权重通过调节各组MOS管电流镜的输出MOS管沟道宽长比决定。
10.根据权利要求2或3所述的新型开关电流小波变换器件，其特征在于：所述的输入信号导流器、输入电流镜、开关电流滤波器组的偏置电流源采用共源共栅结构P沟道电流源。
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