CN105306006B - 一种对数域差分低通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种对数域差分低通滤波器，本发明包括：两个结构相同的对数压缩单元，每个所述对数压缩单元的输入端与差分输入电流中的一路相接，所述对数压缩单元对所输入的电流进行对数压缩转换得到压缩后的电压信号，并将压缩后的电压信号输入至低通滤波单元中；所述低通滤波单元的输入端分别与两个对数压缩单元的输出端相连接，其将两路压缩后的电压信号进行滤波和处理后，得到输出电压信号，并将该输出电压信号输出至指数扩展单元中；所述指数扩展单元的结构与所述对数压缩单元的结构镜像对称，其对输出电压信号进行扩展转换得到输出的电流信息并进行输出；本发明很好地抑制共模噪声，体积小更容易集成。

Description

一种对数域差分低通滤波器
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种对数域差分低通滤波器。
背景技术
随着科技的进步，电子医疗仪器正被广泛的使用，电子医疗仪器使用时需要获取生物电信号，而由于生物电信号的频率非常低，一般低于1k赫兹。因此对生物电信号的滤波处理往往需要较大的电容电阻来得到大的充放电时间常数，从而得到很低的截止频率。然而便携式信号采集系统要求芯片面积小，这对大电容的集成是一个严峻的考验，同时，便携式信号采集系统对电源电压和功耗的要求也非常高，为满足信号摆幅的要求，电压型滤波器的电源电压往往很高，而传统的工作于饱和区的电流型滤波器电流电压也较大，不利于便携式系统的使用。模拟信号的对数压扩技术可以很好的解决低电源电压下仍具有较大动态范围的问题：电流信号先经过对数压缩得到小摆幅的电压信号，经过滤波处理后再经过指数扩展还原回电流信号。目前对于生物电信号滤波的主要方法仍是采用电压模式滤波电路，而近年来出现了采用BJT双极型晶体管对数滤波电路。
但在传统电压模式电路中，由于电源电压和输入信号摆幅的固有矛盾，使得该类滤波器的线性工作范围受到约束。而且对生物信号来说都是对低频信号的处理，滤波器要获得大的时间常数，就需要很大的电阻和电容值，难以集成，即使采用MOS管做虚电阻，电容也较大；而BJT双极型晶体管其不宜集成，而且由于其速度快的特点，更适合在高频信号领域使用。此外，采用单端输入的方式对共模噪声的抑制不理想；而双端输入时又采用了两个电容实现，集成难度增加。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种对数域差分低通滤波器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种对数域差分低通滤波器，包括：两个结构相同的对数压缩单元，每个所述对数压缩单元的输入端与差分输入电流中的一路相接，所述对数压缩单元对所输入的电流进行对数压缩转换得到压缩后的电压信号，并将压缩后的电压信号输入至低通滤波单元中；
所述低通滤波单元的输入端分别与两个对数压缩单元的输出端相连接，其将两路压缩后的电压信号进行滤波和处理后，得到输出电压信号，并将该输出电压信号输出至指数扩展单元中；
所述指数扩展单元的结构与所述对数压缩单元的结构镜像对称，其对输出电压信号进行扩展转换得到输出的电流信息并进行输出。
进一步，所述对数压缩单元、低通滤波单元、指数扩展单元中均设有个MOS管，且每个MOS管均工作在亚阈值区。
进一步，所述对数压缩单元、低通滤波单元、指数扩展单元中分别接有第一、第二、第三偏置电流源。
作为一种改进，所述对数压缩单元中的MOS管均为PMOS管，其分别为第一、第二、第三PMOS管；所述第二PMOS管的栅极连接参考电压输入端，第二PMOS管的源极分别与第三PMOS的源极、第一PMOS的漏极相连接，第二PMOS管的漏极与第一偏置电流源、第一PMOS的栅极以及电流输入端连接；第三PMOS管的栅极与漏极相短接，同时第三PMOS管的栅极作为电流压缩为电压后的输出端；第一PMOS管的源极接第一偏置电流源，且三个PMOS管的衬底与源极均短接。
作为另一种改进，所述对数压缩单元中的MOS管均为NMOS管，其分别为第三、第四、第五NMOS管；所述第四NMOS管的栅极连接参考电压输入端，第四NMOS管的源极与第五NMOS管的源极、第三NMOS管的漏极相连接，第四NMOS管的漏极与第一偏置电流源、第三NMOS管的栅极以及电流输入端连接；第五NMOS管的栅极与漏极相短接，同时第五NMOS管的栅极作为电流压缩为电压后的输出端；第三NMOS管的源极接地。
本发明采用差分输入的结构，可以很好地抑制共模噪声，且不需要分别对两路信号进行低通滤波处理再作差，而是通过采用跨导滤波的方法，在作差的同时完成滤波，减少了一个电容的使用，体积小更容易集成。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作详细描述。
图1为本发明的电路逻辑结构示意图；
图2为本发明中一个对数压缩单元实施例的电路结构图；
图3为本发明低通滤波单元的电路结构图；
图4为本发明指数扩展单元的电路结构图；
图5为本发明中另一个对数压缩单元实施例的电路结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1至图5，本发明是一种对数域差分低通滤波器，两个结构相同的对数压缩单元，每个所述对数压缩单元的输入端与差分输入电流中的一路相接，所述对数压缩单元对所输入的电流进行对数压缩转换得到压缩后的电压信号，并将压缩后的电压信号输入至低通滤波单元中；
所述低通滤波单元的输入端分别与两个对数压缩单元的输出端相连接，其将两路压缩后的电压信号进行滤波和处理后，得到输出电压信号，并将该输出电压信号输出至指数扩展单元中；
所述指数扩展单元的结构与所述对数压缩单元的结构镜像对称，其对输出电压信号进行扩展转换得到输出的电流信息并进行输出。
本发明的工作原理主要包括如下步骤：
第一步：两路差分输入电流ip、in经过同样的对数压缩单元将电流压缩为小摆幅的差分电压信号vp、vn。
第二步：将得到的差分电压信号作为低通滤波单元的输入信号，实现电压的低通滤波vo。
第三步：对得到的输出电压进行指数扩展单元还原为电流信号io。
第四步：偏置电流IB和IR可以分别实现对截止频率和增益的调节。
进一步，所述对数压缩单元、低通滤波单元、指数扩展单元中均设有个MOS管，且每个MOS管均工作在亚阈值区。由于低通滤波单元的MOS管都选择工作在亚阈值区，而且，工作在亚阈区的MOS管漏极电流一般为pA级别或是nA级别，这就使得电流对电容的充电能力很小，从而可以在很小的电容的条件下实现较低的截止频率；同时，亚阈区的MOS管响应速度慢，这恰恰适合在低频的系统中工作，因此非常适合生物电信号处理系统。本发明工作于亚阈区使得功耗和电源电压大大降低。
进一步，所述对数压缩单元、低通滤波单元、指数扩展单元中分别接有第一、第二、第三偏置电流源IA、IB、IR。指数扩展单元可通过偏置电流的调节实现增益可调；而低通滤波单元可通过偏置电流的调节实现截止频率可调。
作为一种改进，所述对数压缩单元中的MOS管均为PMOS管，其分别为第一、第二、第三PMOS管；所述第二PMOS管(PMOS2)的栅极连接参考电压输入端，第二PMOS管(PMOS2)的源极分别与第三PMOS的源极、第一PMOS的漏极相连接，第二PMOS管(PMOS2)的漏极与第一偏置电流源、第一PMOS的栅极以及电流输入端连接；第三PMOS管(PMOS3)的栅极与漏极相短接，同时第三PMOS管(PMOS3)的栅极作为电流压缩为电压后的输出端；第一PMOS管(PMOS1)的源极接第一偏置电流源，且三个PMOS管的衬底与源极均短接。
以本连接方式为例，在本发明中，对数压缩单元中3个PMOS管均工作在亚阈值区且源极与衬底短接，实现精确的漏极电流与栅源电压的对数运算，从而实现电流到电压的对数压缩变换。Vref作为共模电平，为第二PMOS管(PMOS2)和第三PMOS管(PMOS3)提供合适的静态栅极电压。对数压缩关系如下：
其中n为亚阈区斜坡因子，VT为热电压,F(i)表示在不同偏置下的函数关系式。
而对于指数扩展单元，由于对信号的压缩与扩展是一种逆运算关系，为了更好的匹配性和对称性，对数压缩单元与指数扩展单元之间的结构为镜像对称关系，这样输出电流即为经过低通滤波之后的电流。此外，压缩过程中的偏置电流IR与扩展过程中的偏置电流IA的比值决定了滤波器的增益，通过调节IR的值即可实现增益的独立调节。指数扩展关系如下：
联立(1)(2)(4)(5)式可得到
则该系统的传输函数为：
其中，
从(7)式可以看出，该低通滤波系统增益和截止频率可由IR/IA和IB独立控制。
为实现整个系统模块化更强，低通跨导滤波单元采用类似对数压缩单元和指数扩展单元结构，故本发明采用一个模块化单元即可实现，所述低通滤波单元的电路结构为：
第八PMOS管(PMOS8)的栅极连接压缩后的电压Vp，其源极与第九PMOS管(PMOS9)的源极、第七PMOS管(PMOS7)的漏极相连接于节点E处，其漏极与第二电流源IB、第七PMOS管(PMOS7)的栅极连接于节点A处；第九PMOS管(PMOS9)的栅极与本身的漏极、第二NMOS管(NMOS2)的漏极、电容c的一侧、PMOS15的栅极接于节点B处，该处也作为滤波单元的电压vc的输出端，同时其栅极与第十二PMOS管(PMOS12)的栅极相接；第十二PMOS管(PMOS12)的漏极与第一NMOS管(NMOS1)的漏极、第一NMOS管(NMOS1)的栅极、第二NMOS管(NMOS2)的栅极连接于节点C；第一NMOS管(NMOS1)的源极接地；第七PMOS管(PMOS7)的源极接电源；
第十一PMOS管(PMOS11)的栅极连接压缩后的电压Vn，其源极与第十二PMOS管(PMOS12)的源极、第十PMOS管(PMOS10)的漏极相连接于节点F处，其漏极与第二电流源IB、第十PMOS管(PMOS10)的栅极连接于节点D处；PMOS9的栅极与本身的漏极、第二NMOS管(NMOS2)的漏极、电容c的一侧、PMOS15的栅极接于节点B处，该处也作为滤波单元的电压vc的输出端，同时其栅极与第十二PMOS管(PMOS12)的栅极相接；第十二PMOS管(PMOS12)的漏极与第一NMOS管(NMOS1)的漏极、第一NMOS管(NMOS1)的栅极、第二NMOS管(NMOS2)的栅极连接于节点C；第二NMOS管(NMOS2)的源极接地；第十PMOS管(PMOS10)的源极接电源；
所述第十四PMOS管(PMOS14)的栅极连接参考电压输入端，第十四PMOS管(PMOS14)的源极分别与第三PMOS的源极、第一PMOS的漏极相连接，第十四PMOS管(PMOS14)的漏极与第一偏置电流源、第一PMOS的栅极以及电流输入端连接；第十五PMOS管(PMOS15)的栅极与漏极相短接，同时第十五PMOS管(PMOS15)的栅极作为电流压缩为电压后的输出端；第十三PMOS管(PMOS13)的源极接第一偏置电流源，
所有MOS管的衬底与源极均短接。
其中通过改变偏置电流IB即可实现对截止频率的调节。滤波关系如下：
上式可进一步写为：
其中s为拉氏变换微分运算符，τ为时间常数。
作为另一种改进，所述对数压缩单元中的MOS管均为NMOS管，其分别为第三、第四、第五NMOS管；所述第四NMOS管(NMOS4)的栅极连接参考电压输入端，第四NMOS管(NMOS4)的源极与第五NMOS管(NMOS5)的源极、第三NMOS管(NMOS3)的漏极相连接，第四NMOS管(NMOS4)的漏极与第一偏置电流源、第三NMOS管(NMOS3)的栅极以及电流输入端连接；第五NMOS管(NMOS5)的栅极与漏极相短接，同时第五NMOS管(NMOS5)的栅极作为电流压缩为电压后的输出端；第三NMOS管(NMOS3)的源极接地。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种对数域差分低通滤波器，其特征在于，包括：两个结构相同的对数压缩单元，每个所述对数压缩单元的输入端与差分输入电流中的一路相接，所述对数压缩单元对所输入的电流进行对数压缩转换得到压缩后的电压信号，并将压缩后的电压信号输入至低通滤波单元中；
所述低通滤波单元的输入端分别与两个对数压缩单元的输出端相连接，其将两路压缩后的电压信号进行滤波和处理后，得到输出电压信号，并将该输出电压信号输出至指数扩展单元中；
所述指数扩展单元的结构与所述对数压缩单元的结构镜像对称，其对输出电压信号进行扩展转换得到输出的电流信息并进行输出；
所述对数压缩单元、低通滤波单元、指数扩展单元中均设有MOS管，且每个MOS管均工作在亚阈值区；
所述对数压缩单元、低通滤波单元、指数扩展单元中分别接有第一、第二、第三偏置电流源；
所述对数压缩单元中的MOS管均为PMOS管，其分别为第一、第二、第三PMOS管；所述第二PMOS管的栅极连接参考电压输入端，第二PMOS管的源极分别与第三PMOS的源极、第一PMOS的漏极相连接，第二PMOS管的漏极与第一偏置电流源、第一PMOS的栅极以及电流输入端连接；第三PMOS管的栅极与漏极相短接，同时第三PMOS管的栅极作为电流压缩为电压后的输出端；第一PMOS管的源极接第一偏置电流源，且三个PMOS管的衬底与源极均短接。
2.根据权利要求1所述的对数域差分低通滤波器，其特征在于，所述对数压缩单元中的MOS管均为NMOS管，其分别为第三、第四、第五NMOS管；所述第四NMOS管的栅极连接参考电压输入端，第四NMOS管的源极与第五NMOS管的源极、第三NMOS管的漏极相连接，第四NMOS管的漏极与第一偏置电流源、第三NMOS管的栅极以及电流输入端连接；第五NMOS管的栅极与漏极相短接，同时第五NMOS管的栅极作为电流压缩为电压后的输出端；第三NMOS管的源极接地。
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