CN104579207B - 一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器 - Google Patents

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本发明公开了一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器。该放大器，包括：压缩模块和非线性转换模块，压缩模块的两个输出端分别与非线性转换模块的两个输入端相连；压缩模块包括用于将第一差分输入信号以指数形式转换为第一电压信号的PMOS对和用于将第二差分输入信号以指数形式转换为第二电压信号的NMOS对；非线性转换模块包括用于根据输入的第一电压信号和第二电压信号生成电流信号的镜像电流源和用于根据将电流信号通过非线性转换函数转换为电压信号的转换子模块。输入的差分信号以指数的形式转换为电压信号，完成压缩转换，进行非线性函数，使输出扩展晶体管工作在饱合区，增加输出摆幅的同时，提高线性度和共模抑制比。

Description

一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器
技术领域
本发明涉及生物信号处理领域，尤其涉及一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器。
背景技术
在日常穿戴式便携式医疗器件当中，为了满足便携性供电需求，便携性电源如纽扣电池是主要的供电电源，但是其供电能力有限，难以长时间维持器件运转以成为日益严峻的问题，于是加剧了对日常穿戴式医疗检测器件低功耗要求。由于放大器是生物信号前端采集处理系统中最为基本的模块，因此这种约束加大了放大器低功耗迫切性和必要性，然而降低功耗的一个最主要的方法就是低电压，于是低电压、低功耗以及生物医学信号本身特性所要求的低频率成为了一个关键的亟待解决的问题。
便携式和最小化片上系统的应用已经增加对微电子市场要求，尤其是生物医学领域产品的要求例如助听器，心脏起搏器，植入式传感器等。系统的便携性要求电池供电，不幸的是，电池技术的发展并没有对器件要求的速度快，所以低电压、低功耗电路设计的问题出现，并且日益严峻。对数域放大器是把工作的场效应晶体管(MOS)偏置在弱反型区，利用其对数函数来完成放大的放大电路。由于MOS管偏置在弱反型区，其工作电压非常低，在1V以下；其工作电流也非常小在100nA级。这样就大大的减少了功耗。
对数放大器，首先把输入信号以指数函数的形式转换到指数域，而通常情况下，放大信号只要乘以一个常因子，而在指数域对应于加个一个常因子。然后对反指数函数把指数域中放大的信号再次转化为普通域中，在保持放大线性的同时实现了放大信号。如图1所示，对数域放大器分为三个部分：压缩(Compressor)、非线性操作(Non-linear Function)、扩展(Expander)。
传统的对数域放大器实现方案，压缩分部如图2所示。输入电流信号经过偏置在弱反型区MOS管指数地转化为电压信号，然后叠加一个常量电压，再经过一个偏置在弱反型区MOS管把电压信号转化为电流信号，就实现了放大。目前对数域放大器，压缩管和扩展管所实现的函数是一个互逆的函数。
在传统的对数域放大器中，对数放大还没有实际可以应用的差分输入。这大大提高了噪声，降低了电路的性能。此外，由于对数放大器工作电流非常低，降低电路噪声的容纳能力，又由于没有差分输入抑制噪声，使电路噪声性能进一步恶化，使共模抑制比比较低。对数放大器输出晶体管被偏置在弱反型区，其电流非常低，这限制输出电流的摆幅。而且由于对数放大器需要转换到对数域进行非线性操作，这使整个放大器的线性不高。
发明内容
本发明提供了一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器，其通过采用对称的差分输入端口，输入的差分信号分别经过PMOS对和NMOS对，以指数的形式转换为电压信号，完成输入压缩转换，进行独特的非线性函数，使输出扩展晶体管工作在饱合区，增加输出摆幅的同时，提高线性度和共模抑制比。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器，包括：压缩模块和非线性转换模块，所述压缩模块的两个输出端分别与所述非线性转换模块的两个输入端相连；所述压缩模块包括用于将第一差分输入信号以指数形式转换为第一电压信号的PMOS对和用于将第二差分输入信号以指数形式转换为第二电压信号的NMOS对；所述第一电压信号和第二电压信号分别通过两个输出端输出；所述PMOS对由两个互补的PMOS管组成；所述NMOS对由两个互补的NMOS管组成；
所述非线性转换模块包括用于根据输入的第一电压信号和第二电压信号生成电流信号的镜像电流源和用于根据将所述电流信号通过非线性转换函数转换为电压信号的转换子模块。
其中，所述压缩模块还包括用于将尾流源偏置的MOS管。
其中，所述镜像电流源前端还连接有用于将所述第二电压信号转化成电流信号的MOS管；所述镜像电流源前端还连接有用于对所述电流信号进行调整的MOS管。
其中，所述压缩模块包括：PMOS管PMOS0、PMOS管PMOS1、PMOS管PMOS2、NMOS管NMOS0、NMOS管NMOS1和NMOS管NMOS2；所述PMOS管PMOS0的源极接入电源电压，PMOS管PMOS0的漏极和PMOS管PMOS1的源极、PMOS管PMOS2的源极相连，PMOS管PMOS0的栅极和PMOS管PMOS2的漏极相连并接入参考电流；所述PMOS管PMOS1的栅极接入第一差分输入信号，所述PMOS管PMOS1的栅极还与PMOS管PMOS1的漏极、NMOS管NMOS2的栅极相连；所述PMOS管PMOS2的栅极接入参考电压；所述NMOS管NMOS1的栅极接入第二差分输入信号、NMOS管NMOS1的源极和NMOS管NMOS2的源极、NMOS管NMOS0的漏极相连；所述NMOS管NMOS1的漏极和NMOS管NMOS1的栅极相连；所述NMOS管NMOS2的漏极接入参考电流并和NMOS管NMOS0的栅极相连；所述NMOS管NMOS0的源极接地。
其中，所述非线性转换模块包括：PMOS管PMOS3、PMOS管PMOS4、PMOS管PMOS5、PMOS管PMOS6、NMOS管NMOS3、NMOS管NMOS4、NMOS管NMOS5、NMOS管NMOS6、NMOS管NMOS7和NMOS管NMOS8；所述PMOS管PMOS3的栅极和NMOS管NMOS1的漏极、NMOS管NMOS3的栅极相连，所述PMOS管PMOS3的源极接入电源电压，所述PMOS管PMOS3的漏极和NMOS管NMOS4的漏极、NMOS管NMOS4的栅极、NMOS管NMOS6的栅极相连；所述NMOS管NMOS4的源极和NMOS管NMOS5的漏极、NMOS管NMOS5的栅极、NMOS管NMOS7的栅极相连；NMOS管NMOS5的源极和NMOS管NMOS3的漏极相连；NMOS管NMOS6的源极和NMOS管NMOS7的漏极相连；PMOS管PMOS4的栅极和NMOS管NMOS2的栅极相连，PMOS管PMOS4的漏极和NMOS管NMOS6的漏极相连，PMOS管PMOS4的源极和PMOS管PMOS5的漏极、PMOS管PMOS6的源极相连；PMOS管PMOS5的源极接入电源电压；PMOS管PMOS6的栅极和PMOS管PMOS6的漏极、NMOS管NMOS8的栅极相连；所述NMOS管NMOS8的漏极输出最后得到的电流信号；所述NMOS管NMOS3的源极、NMOS管NMOS7的源极、PMOS管PMOS5的栅极、PMOS管PMOS6的漏极、NMOS管NMOS8的源极均接地。
其中，所述非线性转换模块还包括PMOS管PMOS7，所述PMOS管PMOS7的漏极和栅极与NMOS管NMOS8的漏极相连；所述PMOS管PMOS7的源极接入电源电压。
本发明的有益效果为：通过采用对称的差分输入端口，输入的差分信号分别经过PMOS对和NMOS对，以指数的形式转换为电压信号，完成输入压缩转换，进行独特的非线性函数，使输出扩展晶体管工作在饱合区，增加输出摆幅的同时，提高线性度和共模抑制比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是对数域放大器的原理图。
图2是现有的对数域放大器的电路原理图。
图3是本发明具体实施方式中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器的压缩模块的电路原理图。
图4是本发明具体实施方式中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器的镜像电流源和转换子电路的电路原理图。
图5是本发明具体实施方式中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器整体的电路原理图。
图6是本发明具体实施方式中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器的瞬态响应的仿真结果示意图。
图7是本发明具体实施方式中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器的频率响应的仿真结果示意图。
图8是本发明具体实施方式中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器的线性度的仿真结果示意图。
图9是本发明具体实施方式中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器的直流响应的仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图3至图9，其分别是本发明具体实施方式中提供的一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器的压缩模块的电路原理图、镜像电流源和转换子电路的电路原理图、整体的电路原理图、瞬态响应的仿真结果示意图、频率响应的仿真结果示意图、线性度的仿真结果示意图和直流响应的仿真结果示意图。本实施例中的基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器，主要用于各种便携式医疗器件，特别是基于生物电进行检测的医疗器件。如图所示，该放大器，包括：压缩模块和非线性转换模块，所述压缩模块的两个输出端分别与所述非线性转换模块的两个输入端相连；所述压缩模块包括用于将第一差分输入信号以指数形式转换为第一电压信号的PMOS对和用于将第二差分输入信号以指数形式转换为第二电压信号的NMOS对；所述第一电压信号和第二电压信号分别通过两个输出端输出；所述PMOS对由两个互补的PMOS管组成；所述NMOS对由两个互补的NMOS管组成；
所述非线性转换模块包括用于根据输入的第一电压信号和第二电压信号生成电流信号的镜像电流源和用于根据将所述电流信号通过非线性转换函数转换为电压信号的转换子模块。
优选地，所述压缩模块还包括用于将尾流源偏置的MOS管。
优选地，所述镜像电流源前端还连接有用于将所述第二电压信号转化成电流信号的MOS管；所述镜像电流源前端还连接有用于对所述电流信号进行调整的MOS管。
进一步地，所述压缩模块包括：PMOS管PMOS0、PMOS管PMOS1、PMOS管PMOS2、NMOS管NMOS0、NMOS管NMOS1和NMOS管NMOS2；所述PMOS管PMOS0的源极接入电源电压，PMOS管PMOS0的漏极和PMOS管PMOS1的源极、PMOS管PMOS2的源极相连，PMOS管PMOS0的栅极和PMOS管PMOS2的漏极相连并接入参考电流；所述PMOS管PMOS1的栅极接入第一差分输入信号，所述PMOS管PMOS1的栅极还与PMOS管PMOS1的漏极、NMOS管NMOS2的栅极相连；所述PMOS管PMOS2的栅极接入参考电压；所述NMOS管NMOS1的栅极接入第二差分输入信号、NMOS管NMOS1的源极和NMOS管NMOS2的源极、NMOS管NMOS0的漏极相连；所述NMOS管NMOS1的漏极和NMOS管NMOS1的栅极相连；所述NMOS管NMOS2的漏极接入参考电流并和NMOS管NMOS0的栅极相连；所述NMOS管NMOS0的源极接地。
目前的压缩模块单个输入端口，对共模信号没有多大的抑制能力。本方案中采用对称的差分输入端口，如图3所示，它由互补的PMOS和NMOS晶体管组成，其输入分别从PMOS和NMOS的栅极输入。PMOS管PMOS1和PMOS管PMOS2组成PMOS端的输入差分对；NMOS1和NMOS2组成NMOS端的输入差分对；其余MOS管，也就是PMOS管PMOS0和NMOS管NMOS0分别提供了尾流源的偏置。输入的差分信号分别经过PMOS对和NMOS对，以指数的形式转换为电压信号，即对数域。
由于所有的输入对管都工作在弱反型区，根据MOSFET模型NMOS电压－电流公式为：其中IS、n、β、VTO、Ut、IC、VGB分别表示特征电流、亚阀值斜率、电流参数、阀值电压、热电热和反型系数。PMOS管弱反型公式与此正好对应。对于NMOS的输入端和PMOS输入端分别有：
所以有：
输入端不仅实现差分输入和信号域的转换，而且实现了转换化后的电压信号的差分，即输出电压V+。
进一步地，所述非线性转换模块包括：PMOS管PMOS3、PMOS管PMOS4、PMOS管PMOS5、PMOS管PMOS6、NMOS管NMOS3、NMOS管NMOS4、NMOS管NMOS5、NMOS管NMOS6、NMOS管NMOS7和NMOS管NMOS8；所述PMOS管PMOS3的栅极和NMOS管NMOS1的漏极、NMOS管NMOS3的栅极相连，所述PMOS管PMOS3的源极接入电源电压，所述PMOS管PMOS3的漏极和NMOS管NMOS4的漏极、NMOS管NMOS4的栅极、NMOS管NMOS6的栅极相连；所述NMOS管NMOS4的源极和NMOS管NMOS5的漏极、NMOS管NMOS5的栅极、NMOS管NMOS7的栅极相连；NMOS管NMOS5的源极和NMOS管NMOS3的漏极相连；NMOS管NMOS6的源极和NMOS管NMOS7的漏极相连；PMOS管PMOS4的栅极和NMOS管NMOS2的栅极相连，PMOS管PMOS4的漏极和NMOS管NMOS6的漏极相连，PMOS管PMOS4的源极和PMOS管PMOS5的漏极、PMOS管PMOS6的源极相连；PMOS管PMOS5的源极接入电源电压；PMOS管PMOS6的栅极和PMOS管PMOS6的漏极、NMOS管NMOS8的栅极相连；所述NMOS管NMOS8的漏极输出最后得到的电流信号；所述NMOS管NMOS3的源极、NMOS管NMOS7的源极、PMOS管PMOS5的栅极、PMOS管PMOS6的漏极、NMOS管NMOS8的源极均接地。
进一步地，所述非线性转换模块还包括PMOS管PMOS7，所述PMOS管PMOS7的漏极和栅极与NMOS管NMOS8的漏极相连；所述PMOS管PMOS7的源极接入电源电压。
输入信号经过PMOS3管转化成电流信号，以方便对其进行调整，NMOS管NMOS4－7组成镜像电流源，NMOS3是调整管，它对电流信号进行微调，提高放大器的线性度。PMOS管PMOS4－PMOS6组成了非线性转换函数，把镜像电流源中输出的电流信号转化成能够用偏置在饱和区的NMOS8管还原的电压信号，完成放大。
PMOS管电压－电流公式为：
基准电流为：
由图5，根据KCL定律得：
令：
所以：
由于输出：
所以：
于是其放大增益为：
其中VTON表示NMOS管的阀值电压；VTON表示MOS管的栅极与基极电压；W表示MOS管的宽度；L表示MOS管的长度，Ir表示图5中的Ioref，Io表示图5中的Iout。
经过实验仿真模拟证明其是完全可行的且是可靠的。
仿真结果如图6到图9。图6是放大器的瞬态响应，可以看出其输出摆幅是uA级，而不是nA级这大大增加输出摆幅。图7是频率响应，3dB频率是500kHz.对生物信号这已经足够了。图8放大器的线性度THD为－70.83dB，小于0.2％。图9是放大器的直流响应。
综上所述：通过采用对称的差分输入端口，输入的差分信号分别经过PMOS对和NMOS对，以指数的形式转换为电压信号，完成输入压缩转换，进行独特的非线性函数，使输出扩展晶体管工作在饱合区，增加输出摆幅的同时，提高线性度和共模抑制比。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器，其特征在于，包括：压缩模块和非线性转换模块，所述压缩模块的两个输出端分别与所述非线性转换模块的两个输入端相连；所述压缩模块包括用于将第一差分输入信号以指数形式转换为第一电压信号的PMOS对和用于将第二差分输入信号以指数形式转换为第二电压信号的NMOS对；所述第一电压信号和第二电压信号分别通过两个输出端输出；所述PMOS对由两个互补的PMOS管组成；所述NMOS对由两个互补的NMOS管组成；所述压缩模块还包括用于将尾流源偏置的MOS管；
所述压缩模块具体包括：PMOS管PMOS0、PMOS管PMOS1、PMOS管PMOS2、NMOS管NMOS0、NMOS管NMOS1和NMOS管NMOS2；所述PMOS管PMOS0的源极接入电源电压，PMOS管PMOS0的漏极和PMOS管PMOS1的源极、PMOS管PMOS2的源极相连，PMOS管PMOS0的栅极和PMOS管PMOS2的漏极相连并接入参考电流；所述PMOS管PMOS1的栅极接入第一差分输入信号，所述PMOS管PMOS1的栅极还与PMOS管PMOS1的漏极、NMOS管NMOS2的栅极相连；所述PMOS管PMOS2的栅极接入参考电压；所述NMOS管NMOS1的栅极接入第二差分输入信号、NMOS管NMOS1的源极和NMOS管NMOS2的源极、NMOS管NMOS0的漏极相连；所述NMOS管NMOS1的漏极和NMOS管NMOS1的栅极相连；所述NMOS管NMOS2的漏极接入参考电流并和NMOS管NMOS0的栅极相连；所述NMOS管NMOS0的源极接地；
所述非线性转换模块包括用于根据输入的第一电压信号和第二电压信号生成电流信号的镜像电流源和用于根据将所述电流信号通过非线性转换函数转换为电压信号的转换子模块；
所述镜像电流源前端还连接有用于将所述第二电压信号转化成电流信号的MOS管；所述镜像电流源前端还连接有用于对所述电流信号进行调整的MOS管。
2.根据权利要求1所述的一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器，其特征在于，所述非线性转换模块包括：PMOS管PMOS3、PMOS管PMOS4、PMOS管PMOS5、PMOS管PMOS6、NMOS管NMOS3、NMOS管NMOS4、NMOS管NMOS5、NMOS管NMOS6、NMOS管NMOS7和NMOS管NMOS8；所述PMOS管PMOS3的栅极和NMOS管NMOS1的漏极、NMOS管NMOS3的栅极相连，所述PMOS管PMOS3的源极接入电源电压，所述PMOS管PMOS3的漏极和NMOS管NMOS4的漏极、NMOS管NMOS4的栅极、NMOS管NMOS6的栅极相连；所述NMOS管NMOS4的源极和NMOS管NMOS5的漏极、NMOS管NMOS5的栅极、NMOS管NMOS7的栅极相连；NMOS管NMOS5的源极和NMOS管NMOS3的漏极相连；NMOS管NMOS6的源极和NMOS管NMOS7的漏极相连；PMOS管PMOS4的栅极和NMOS管NMOS2的栅极相连，PMOS管PMOS4的漏极和NMOS管NMOS6的漏极相连，PMOS管PMOS4的源极和PMOS管PMOS5的漏极、PMOS管PMOS6的源极相连；PMOS管PMOS5的源极接入电源电压；PMOS管PMOS6的栅极和PMOS管PMOS6的漏极、NMOS管NMOS8的栅极相连；所述NMOS管NMOS8的漏极输出最后得到的电流信号；所述NMOS管NMOS3的源极、NMOS管NMOS7的源极、PMOS管PMOS5的栅极、PMOS管PMOS6的漏极、NMOS管NMOS8的源极均接地。
3.根据权利要求2所述的一种基于对数域非线性传输函数的低电压低功耗放大器，其特征在于，所述非线性转换模块还包括PMOS管PMOS7，所述PMOS管PMOS7的漏极和栅极与NMOS管NMOS8的漏极相连；所述PMOS管PMOS7的源极接入电源电压。
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